【摘要】：近年來隨著微電子技術(shù)在自配置、功能強大且成本低廉的微型傳感器終端方面的技術(shù)突破,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引起廣泛關(guān)注,并在環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)質(zhì)控、軍事作戰(zhàn)以及家居智能等諸多領(lǐng)域得到迅速發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由一些具有感知、存儲和計算能力的節(jié)點構(gòu)成,這些節(jié)點布控在一定的應(yīng)用環(huán)境中,鄰居之間能夠互相通訊,彼此協(xié)作共同完成特定的任務(wù)。絕大部分應(yīng)用要求網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都在統(tǒng)一時間尺度下處理和交流信息,這樣融合和分析不同節(jié)點所探測的數(shù)據(jù)才有意義,因此時鐘同步是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵的基本問題之一。傳統(tǒng)的時鐘同步協(xié)議在建立和維持特定拓撲結(jié)構(gòu)上開銷過大,當遭遇拓撲變換和節(jié)點故障時,協(xié)議魯棒性和可擴展性都不盡人意。最近受一致性問題收斂性分析的成熟研究啟發(fā),學(xué)者們設(shè)計了眾多基于一致性協(xié)議的時鐘同步算法。本文重點探討了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為有向通信拓撲且存在隨機通訊時延的情形,對一致性協(xié)議的時鐘同步算法進行統(tǒng)一建模和收斂性分析,并研究了拓撲結(jié)構(gòu)和回路時延對時鐘同步穩(wěn)態(tài)性能的影響。文中用到的分析工具主要包括代數(shù)圖論、矩陣論和一致性理論。論文的主要工作如下:1.在隨機有界時延存在的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,考察了一致性時鐘同步算法統(tǒng)一建模和有界收斂的必要條件。首先為一致性協(xié)議時鐘同步算法構(gòu)造一個統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)模型,然后通過調(diào)節(jié)算法參數(shù)就可以將各種一致性時鐘同步算法(如ATS、WMTS和LSTS)匹配到此結(jié)構(gòu)模型上。借助相對時鐘斜率估計誤差的漸近特性,發(fā)現(xiàn)了CBTS算法發(fā)散條件以及均方發(fā)散條件,結(jié)果表明ATS算法幾乎必然發(fā)散,WMTS算法均方發(fā)散,而LSTS算法則有界收斂。2.研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中LSTS算法下時鐘同步穩(wěn)態(tài)誤差與拓撲結(jié)構(gòu)的關(guān)系。考慮節(jié)點之間的隨機有界通信時延存在的情形,分別考察了基本拓撲、復(fù)雜拓撲以及固定和隨機切換拓撲模式下LSTS算法時鐘同步誤差的穩(wěn)態(tài)性能。文中定義了“誤差指標”用來描述全局同步誤差的統(tǒng)計特性。在根節(jié)點與路徑(或環(huán))存在的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,“誤差指標”可被精確計算。研究表明節(jié)點間路徑或環(huán)越多,那么全局時鐘同步誤差會越大。3.針對隨機有界時延給時鐘同步算法的設(shè)計和分析帶來的挑戰(zhàn),討論了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中LSTS算法時鐘同步穩(wěn)態(tài)誤差與時延分布的關(guān)系。研究表明時鐘斜率補償?shù)恼`差主要依賴于隨機通訊時延的方差而不是期望,時鐘同步誤差的大小主要由通訊時延的期望決定。分析傳感器節(jié)點雙向通訊情形下回路時延的性質(zhì),通過回路時延對時鐘相位進行補償,并引入一致性問題中的衰減因子,二者聯(lián)合控制可以同時減小時鐘同步誤差的期望和方差。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP212.9;TN929.5

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本文編號：2651374