基于一致性的无线传感器网络时钟同步算法研究

摘要

近年来，随着传感器技术、计算技术、通信技术和微电子技术等方面的飞速发展，无线传感器网络已经在越来越多的领域得到广泛应用，如环境监测、电子医疗、农牧业应用、物联网和智能电网等，并已经渗透到人们生活的方方面面，极大地改善了人们工作和生活方式，因此受到学术界和工业界的高度关注并进行了大量的科学研究。
　　时钟同步作为无线传感器网络中的基本问题之一，是无线传感器网络众多应用的基础前提，因此一直是研究者重点研究的对象。最近，基于一致性的时钟同步算法研究得到了广泛的关注并成为时钟同步问题的研究热点之一。基于一致性的时钟同步算法不但克服了传统时钟同步算法鲁棒性和可扩展性差的缺点，而且具有完全分布式运行、同步精度高和同时补偿时钟斜率和偏差等优点，极大的提高了算法的可应用性。然而，现有的基于一致性的时钟同步研究存在两方面的不足，i）算法的收敛速度慢，实现时钟同步的能耗较大;ii)时钟同步安全性欠缺，受到网络攻击时无法保障时钟同步。本文结合国际上最新研究成果，考虑有限时间收敛的一致性时钟同步和时钟同步安全问题，提出相应的时钟同步算法并给出了相应的理论分析。本文的主要工作有如下几个方面:
　　1.概述了无线传感器网络发展和时钟同步及其安全问题的相关研究进展。
　　2.针对静态传感器网络中的时钟同步问题，提出了基于最大一致性的时钟同步算法MTS。利用Lyapunove稳定性理论证明了MTS的有限时间收敛性，并给出了收敛时间的上界。为了解决MTS在随机延时下的不稳性，提出了加权最大一致性时钟同步算法WMTS，并从理论上证明了WMTS的有限时间期望收敛性。
　　3.针对随机移动传感器网络中时钟同步问题，结合MTS和邻居探测算法提出了一种优化的基于最大一致性时钟同步算法RMTS，并从理论上证明了RMTS依概率为1的收敛性。利用关系图对随机移动网络进行建模，给出了RMTS的有限时间收敛的下界，并设计了相应的下界计算算法。此外，从理论上证明了增强网络连通性能提升算法的收敛速度，并给出新节点加入提高算法收敛速度的充要条件。
　　4.针对信息操控攻击下基于最大一致性的时钟同步安全问题，设计了硬件时钟和逻辑时钟防御机制，提出了安全的最大一致性时钟同步算法SMTS，并证明了SMTS的有限时间收敛性。SMTS限制了攻击节点的攻击方式和攻击次数，并能在受到攻击时快速实现再次同步，从而确保了时钟同步安全。
　　5.针对信息操控攻击下基于平均一致性的时钟同步安全问题，设计了硬件时钟和逻辑时钟时钟防御机制，提出了一种安全的平均一致性时钟同步算法SATS。基于Lyapunov稳定性理论，证明了SATS与传统的ATS算法具有相同数量级的指数收敛速度。此外，较之其它安全算法，SATS无需隔离攻击节点，而且可以灵活地利用攻击信息来提升收敛速度。
　　6.对最大一致性时钟同步算法MTS的平均一致性时钟同步算法ATS进行实验实现和评估。基于大量实验结果，并结合相应的仿真结果，分析比较了MTS和ATS的收敛速度、同步精度和鲁棒性。结果验证了MTS具有更快的收敛速度和更高的同步精度，说明了一致性算法的实际应用性。
　　最后对全文进行了总结，并展望了进一步的研究工作。

目录

声明

致谢

摘要

插图

表格

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 无线传感器网络

1．1．2 无线传感器网络中的时钟同步

1．2 研究现状

1．2．1 结构式时钟同步

1．2．2 分布式时钟同步

1．2．3 安全的时钟同步

1．3 本文研究内容

1．3．1 研究思路

1．3．2 研究内容

第二章 时钟同步和一致性理论

2．1 时钟同步

2．1．1 时钟模型

2．1．2 同步目标

2．2 一致性理论

2．3 收敛性指标

第三章 静态无线传感器网络的时钟同步

3．1 引言

3．2 静态网络时钟同步

3．2．1 网络模型

3．2．2 时延模型

3．2．3 问题描述

3．3 最大一致性时钟同步

3．3．1 算法设计

3．3．2 收敛性分析

3．3．3 性能分析

3．4 加权最大一致性时钟同步

3．4．1 算法设计

3．4．2 收敛性分析

3．5 仿真评估

3．5．1 忽略时延

3．5．2 考虑随机时延

3．6 本章小结

第四章 随机移动传感器网络的时钟同步

4．1 引言

4．2 问题建模

4．2．1 网络模型

4．2．2 问题描述

4．3 同步算法与理论

4．3．1 算法设计

4．3．2 收敛性分析

4．4 理论应用

4．5 仿真评估

4．6 本章小结

第五章 最大一致性时钟同步安全

5．1 引言

5．2 问题建模

5．2．1 网络模型

5．2．2 攻击模型

5．2．3 问题描述

5．3 攻击下算法性能分析

5．3．1 攻击下的算法描述

5．3．2 收敛性条件

5．3．3 同步安全设计挑战

5．4 安全同步算法

5．4．1 硬件时钟防御

5．4．2 逻辑时钟防御

5．4．3 安全同步算法

5．5 算法分析

5．5．1 收敛性

5．5．2 通讯能耗

5．6 仿真评估

5．6．1 忽略噪声

5．6．2 考虑噪声

5．7 本章小结

第六章 平均一致性时钟同步安全

6．1 引言

6．2 问题描述

6．3 攻击下算法性能分析

6．3．1 平均一致性算法

6．3．2 攻击下的算法性能

6．3．3 同步安全设计挑战

6．4 安全同步算法

6．4．1 伪周期广播

6．4．2 硬件时钟防御

6．4．3 逻辑时钟防御

6．4．4 安全同步算法

6．4．5 算法收敛性分析

6．4．6 通讯延时和攻击合作

6．5 仿真评估

6．5．1 参数设置

6．5．2 SATS VS ATS

6．5．3 SATS性能表现

6．5．4 系统观察

6．6 本章小结

第七章 实验研究

7．1 硬件平台介绍

7．2 实验评估

7．2．1 收敛速度

7．2．2 同步精度

7．2．3 鲁棒性

7．3 本章小节

7．4 声明和感谢

第八章 总结与展望

8．1 全文总结

8．2 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间主要研究成果及参与的科研项目