本文關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡分布式時間同步算法研究　出處：《西安電子科技大學》2014年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：隨著物聯(lián)網(wǎng)在社會需求方面的迅速增長,作為物聯(lián)網(wǎng)核心組成部分——無線傳感器網(wǎng)絡受到學術界和工業(yè)界越來越多的重視。時間同步是無線傳感器網(wǎng)絡的一個關鍵技術,它對于實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合、協(xié)同傳輸、網(wǎng)絡安全以及目標跟蹤等具有重要意義。理論研究和工程實踐表明:時間同步是將理論研究轉化為實踐的主要瓶頸問題。論文基于這些事實背景,對無線傳感器網(wǎng)絡的分布式時間同步算法做了較為詳盡的探討,主要工作和創(chuàng)新如下:1無線傳感器網(wǎng)絡缺乏基礎設施、具有分布式、能量受限、存儲及計算能力受限的特點,因此在設計無線傳感器網(wǎng)絡時間同步方案時,不能有太復雜的計算和路由選擇。為了實現(xiàn)快速時間同步和降低網(wǎng)絡能量消耗,論文研究了無線傳感器網(wǎng)絡時間同步廣播同步算法。各個節(jié)點廣播自己當前的時鐘信息,對應的鄰居節(jié)點接收到這些信息后,對接收到的信息做簡單的算術平均,將平均值作為下一個時刻的時鐘刻度再進行廣播,此過程反復進行,最終會使網(wǎng)絡所有節(jié)點的時鐘達到一個相同的平均值,從而實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡的分布式同步,由于網(wǎng)絡節(jié)點只接收來自鄰居節(jié)點的廣播信息,故該方案無復雜的路由選擇,并且計算簡單、收斂快速、能耗較低。2針對大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡同步算法快速性的需求,提出一種基于多廣播Gossip同步算法的大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡時間同步方案。這種方案在同一時刻可以允許有多個節(jié)點同時廣播時間信息,處于這些節(jié)點廣播域中的節(jié)點分別接收并按照廣播算法更新時鐘信息。為了避免通信沖突和接收混亂,本方案依據(jù)圖論要求廣播節(jié)點之間的距離等于三。該算法可以提高無線傳感器網(wǎng)絡時間同步的收斂速度和同步精度,并且可以降低網(wǎng)絡能耗。3針對傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡時間同步算法中存在的計算復雜度高和同步收斂速度慢等問題,提出單Gossip同步算法和多Gossip同步算法。單Gossip同步算法首先利用構造生成樹算法得到一個生成樹,然后依次對生成樹每條邊的兩個節(jié)點的時鐘信息進行Gossip運算,此過程反復進行,最終可使網(wǎng)絡各個節(jié)點的時鐘信息收斂于它們初始時鐘信息的平均值。多Gossip同步算法對生成樹進行邊染色,相同染色的邊可以同時進行Gossip運算。這兩種同步算法減小了消息交換數(shù),降低了計算復雜度,提高了同步收斂速度。4提出了一種增強型Gossip同步算法,該算法利用無線信道的廣播特性來提高同步性能。在節(jié)點對的時鐘信息交換過程中,一個節(jié)點向另一個節(jié)點發(fā)送時鐘信息時,處于發(fā)送節(jié)點廣播域中的其他節(jié)點也能收到此信息。這些節(jié)點將接收到的時鐘信息和本地時鐘信息的平均值作為自己的更新時鐘。這樣的過程在每個節(jié)點對之間反復進行,最終可使網(wǎng)絡中所有節(jié)點的時間信息收斂到某一個固定值,從而實現(xiàn)網(wǎng)內時間同步。該算法也考慮了無線信道衰落和隨機延遲對增強型Gossip同步算法的影響。5目前許多無線傳感器網(wǎng)絡的平均時間同步方案是按線性規(guī)則進行時鐘更新的。然而在很多實際情況中,網(wǎng)絡節(jié)點的算法可能需要非線性設計,所以論文也研究了無線傳感器網(wǎng)絡的非線性平均時間同步方案。網(wǎng)絡中的相鄰居節(jié)點時鐘信息交換后按照一種非線性規(guī)則進行時鐘信息更新。該規(guī)則必須符合一定的條件才能使網(wǎng)絡所有節(jié)點同步于它們初始時鐘的平均值。本文找到了使所有節(jié)點收斂到初始平均的充分條件。并用圖論、李亞普諾夫理論和拉格朗日中值定理進行了證明。
[Abstract]:Along with the rapid growth in the social demand, as the core of the Internet of things -- part of the wireless sensor network by academia and industry more and more attention. Time synchronization is a key technology of wireless sensor network, to achieve data integration, cooperative transmission, network security has important significance and target tracking shows. Theoretical research and engineering practice: time synchronization is the theoretical research into practice. The main problem of these facts based on the background, the time of distributed wireless sensor network synchronization algorithm is discussed in detail, the main work and innovation are as follows: 1 Wireless Sensor Networks with distributed, lack of infrastructure, limited energy, characteristics the storage and computing ability is limited, so in the design of wireless sensor network time synchronization scheme, not too complex calculation and Routing. In order to achieve a rapid time synchronization and reduce network energy consumption, this paper studies the wireless sensor network time synchronization broadcast synchronization algorithm. Each node broadcasts its current clock information corresponding to the neighbor node receives the information, do the simple average of the received information, the average value as the clock ticks down a moment of broadcasting, this process is repeated, eventually all the network nodes clock reach the same average value, so as to realize the synchronization of distributed wireless sensor network, because network nodes only receive broadcast information from neighbor nodes, so the scheme without complicated routing, and simple calculation fast convergence, low energy consumption of.2 in large scale wireless sensor network synchronization algorithm of demand, proposed a large scale synchronization algorithm based on Gossip multicast Time synchronization scheme for wireless sensor networks. This scheme allows multiple nodes simultaneously broadcast time information at the same time, the node node in the broadcast domain respectively receive and broadcast algorithm according to update the clock information. In order to avoid communication conflicts and receive chaos, the scheme based on graph for broadcast distance between nodes is equal to three. This algorithm can improve the convergence speed of time synchronization of wireless sensor networks and synchronization accuracy, and can reduce the energy consumption of the network for the calculation of.3 time synchronization algorithm for wireless sensor networks in the traditional synchronous high complexity and slow convergence speed problem, proposed Gossip synchronization algorithm and multi Gossip synchronization algorithm. Single Gossip synchronization algorithm is constructed using the first generation get a spanning tree algorithm, and then followed by Gos clock information of the two node of each edge of the spanning tree The SIP operation, this process is repeated, the average convergence clock information of every node in the network to their initial clock information value. Multi Gossip synchronization algorithm for edge coloring of edges of the spanning tree, the same staining can be done at the same time Gossip operation. The two synchronization algorithm reduces the number of message exchange, reduces the computational complexity to improve the convergence speed of.4 synchronization, we proposed an enhanced Gossip synchronization algorithm, the algorithm makes use of the broadcast nature of wireless channel to improve the performance of synchronization. The node clock information of the exchange process, a node to another node sends clock information, at other nodes sending nodes in a broadcast domain can these nodes will receive this information. The average value of the received clock information and local clock information as their update clock. This process is repeated in each node to the end. The time information of all nodes in the network converge to a fixed value, so as to realize the network time synchronization. The algorithm also considers the wireless channel fading and random delay is in the linear rule clock update on the effects of enhanced Gossip synchronization algorithm.5 the average time of many wireless sensor network synchronization scheme. However, in many practical cases, the network node algorithm may require nonlinear design, so this paper also studies the nonlinear average time synchronization scheme in wireless sensor networks. The phase information of neighbor nodes in the network according to the clock after the exchange of a kind of nonlinear rules of the clock information update. The rule must meet certain conditions in order to make all the network nodes on average they are synchronized to the initial clock value. This paper has found that all nodes converge to the average of the initial sufficient conditions. And by using graph theory, Li Ya Lyapunov theory and the Lagrange theorem are proved.

【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TN929.5;TP212.9

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