无线传感器网络时钟同步技术

在无线传感器网络中,时钟同步是一项重要的支撑技术;诸如数据融合、TDMA调度、休眠唤醒节能模式和移动节点定位等应用均需要传感器节点本地时钟保持同步;由于传感器网络一些独特的内在特性,NTP等传统同步技术无法适用于这种新型网络;因此,越来越多的研究者开始关注传感器网络时钟同步协议的研究与设计;通过回顾时钟同步的问题及传感器网络对时钟同步的需求,介绍了时钟的数学模型,并基于该模型讨论了时钟同步的3个重要概念:时钟漂移、时钟偏移和分组的传输延迟;之后简要阐述了3种专门为传感器网络设计和提出的典型传感器网络时钟同步协议.     

虚拟时钟指数逼近的无线传感器网络时钟同步协议

提出了一个基于虚拟时钟指数逼近的无线传感器网络时钟同步协议,采用一个虚拟时钟作为全网同步的基础,从而实现全网同步。由于采用虚拟时钟,使得各节点进入网络时有了统一的标准,对时钟扭曲和偏移采用指数逼近的方法,在相差较大时调整快,提高了同步效率。仿真数据证明,本协议能有效地提高同步效率,并适应于不同的网络拓扑。     

无线传感器网络高精度硬件时钟同步方法

为实现无线传感器网络高精度的时间同步功能,提出一种基于Zigbee技术的硬件时钟同步方法。采用跨层思想提取接收信号强度指示值信号作为同步触发信号,设计复杂可编程逻辑器件的硬件电路时钟模块实现计时,并配合软件算法完成整个网络的时间同步,在保证低能耗和复杂度的基础上,提高时间同步精度。对同步精度进行理论研究和测试分析,结果表明,该方法可使系统节点间达到10μs级的时钟同步精度,满足多数无线传感器网络要求。     

一种新的动态无线传感器网络中的安全时钟同步算法

提出一种新的动态无线传感器网络安全时钟同步算法DSCS(Dynamic Secure Clock Synchronization).DSCS采用本地广播认证的方案阻止网络外部的恶意节点的攻击 ,同时采用接收冗余的同步报文的方案阻止网络内部妥协节点的攻击,解决了无线传感器网络时钟同步算法中的安全问题,并且适用于动态网络.仿真结果验证了DSCS算法的高效性.     

一种分布式时钟同步技术设计

时钟同步是分布式网络内各节点设备协同工作的重要前提,网络内许多任务的完成都需以时钟同步作为基础;为了实现分布式系统中高精度的时钟同步,文章在现有的时钟同步技术的基础上,设计了一种分布式时钟同步技术,以北斗卫星授时技术作为主同步机制,单向时钟同步技术作为辅助同步机制;即在正常情况下网络中的节点设备利用北斗卫星进行授时,而在无法顺利接收北斗授时信号的少数情况下,节点设备之间利用单向时钟同步技术完成时钟同步,两者结合共同实现不同情况下高精度的时钟同步;在LabVIEW编程环境下设计仿真程序对方案进行验证,结果表明,该方案可以实现分布式系统中的时钟同步,方案的可行性可以得到验证,然后通过进一步的误差分析可知,误差处在一个可接受的范围内.     

WSN中入侵节点检测的节点测距方法

提出基于节点测距的无线传感器网络（WSN）入侵节点检测算法,用于检测无线传感器网络中是否存在外来的伪造节点。该算法运用节点自身的各种传感器进行节点间测距,通过综合分析测距结果保证该算法能成功检测到网络中存在的伪造节点,检测中不需要网络同步时钟和节点位置信息。该算法可适用于不同规模、不同应用的无线传感器网络。通过理论分析和仿真实验验证了该算法在无线传感器网络节点攻击检测中的有效性和可行性。     

一种基于Ad hoc网络测距的时钟同步协议

Ad hoc网络是一种特殊的无线移动通信系统,具有无中心、多跳等特点.结合无线传感器网络时钟同步协议RBS、TPSN和有线网络DOCSIS协议,提出了一种适合Ad hoc网络的时钟同步协议.先在Ad hoc网络上建立具有层次性的全网络结构后,以发送广播时钟同步信号的方式实现全网络节点的时钟相对同步,并通过周期性和突发性的双向测距实现和维护主从时钟节点之间精确的时间同步,以满足实际应用的要求.仿真实验表明,该时钟同步协议能满足不同时钟同步精度要求下的Ad hoc网络应用,具有低功耗和高可靠性的特点.     

基于节点自补偿的ＩＥＥＥ １５８８时钟同步算法

为了解决无线传感器网络应用中节点时钟因各自频率与偏移不同步的问题,提高时钟同步的精度和收集到数据的时效性,本文提出基于节点自补偿的IEEE 1588时钟同步算法。该算法在IEEE 1588协议中时钟同步的基础上引入主从节点补偿的理念,以主节点为全局中心,周边所有的从节点依据与主节点时钟间的Kalman最优估计差值进行自补偿,从而达到更高精度的同步。实验表明：经过补偿算法优化后的时钟偏移同步性能综合提升较大,同时同步后时钟系统更稳定,能量损耗低。     

基于分簇技术的水下声传感器网络的时钟同步研究

时钟同步是水下传感器网络节点协作的必要条件;不同于陆地传感器网络,水声信道具有随机的时频变化,声信号传播速率低,具有很大的时延;文章首先研究了水下传感器网络的分簇技术,在分簇的传感器网络中,实现了适用于水下的发送端—接收端的同步协议;通过MATLAB,利用水下声传播特性公式,对水下传感器网络的时钟同步能耗与同步精度之间的关系进行模拟仿真;最后得出了基于分簇技术的时钟同步技术能耗低、精确度高,证明了文章的研究意义。     

随机有界通信时延下传感器网络中的一致性时钟同步算法

在存在随机有界时延的情况下,现有的许多一致性时钟同步算法的同步过程是发散的.在平均一致性时钟同步算法(ATS)的基础上,通过对偏斜和偏移同步过程进行分析,找出导致同步过程发散的原因.通过改变相对偏移估计的方法,保证偏斜同步过程的收敛.在偏移同步过程中,通过计算节点的同步误差,得出时延条件下偏移同步误差有界的结论.最后通过仿真表明,所提出的时钟同步算法在存在随机有界时延且保证网络连通的条件下,同步过程收敛且同步误差有界.     

基于卡尔曼滤波估计的一致性时钟同步算法

针对无线传感器网络（WSN）的众多应用都需要依赖时钟同步的节点协同完成,而由于节点的晶体震荡器受自身以及外界环境的影响,使得节点时钟偏斜和时钟偏移两个参数发生变化导致时钟不同步问题,提出了基于分布式卡尔曼滤波估计的一致性补偿时钟同步算法DKFCC。该算法首先利用双向信息交换机制以及分布式卡尔曼滤波实现时钟偏斜和偏移两个参数的最优估计,然后基于时钟参数的最优估计值采用一致性补偿方法实现节点的时钟同步。实验结果表明：在100个节点随机部署的WSN中,采用虚拟全局一致性方式的DKFCC同步算法比异步一致性同步（AC）算法的同步均方根误差（SRAMSE）值降低了约95%,具有较高的同步精度;同时,所提出算法从时钟参数层面实现同步,无需频繁地进行时钟同步操作,相比AC算法更节能。     

无线传感器网络时钟参数追踪与一致性同步*

针对无线传感器网络分布式时钟同步问题,本文提出了基于卡尔曼滤波的最大一致性时钟同步算法。在获得硬件时钟参数后,通过设置预定偏斜目标,各节点可不通过网络交换来调整时钟偏斜。为了进一步使节点间时钟偏移达到同步,本文设计了最大一致性控制方案来补偿节点,并基于图论给出算法收敛性证明。仿真结果表明本文的算法能够快速跟踪硬件时钟参数,较加权最大一致性时钟同步算法收敛速度更快,全局平均同步误差下降了一个数量级。     

一种应用于工业实时监测的WSN MAC协议的设计

针对工业生产监控的特殊要求,设计了基于博弈论的无线传感器网络Medium Access Control协议——Game—MAC。无线传感器网络在工业自动化测控中,对安全性、稳定性、可靠性和数据传输实时性比常规的自然环境监测有更高的要求。Game—MAC针对监控数据要求的实时性,通过博弈获取数据发送的优先级;另外,每个节点采用了两套收／发模块,将控制和数据分离,提高了吞吐量。     

基于频率校正的触发型传感器网络同步算法

通过对现有时钟同步算法的分析,为消除触发型同步算法中时钟频率偏差对同步误差的影响,提出一种基于频率校正的触发型传感器网络同步算法。该算法中基站监测事件发生时,相关传感器节点通过线性回归计算时钟晶振频率偏差,通过同步信令的交互,估算往返时延和时间差值。仿真结果表明,该算法能达到良好的同步精度。     

FLOPSYNC-QACS: Quantization-aware clock synchronization for wireless sensor networks

Distributed real-time systems often rely on clock synchronization. However, the achievement of precise synchronization in Wireless Sensor Networks (WSNs) is hampered by competing design challenges, which finally causes many WSN hardware platforms to rely on low frequency clock crystal for local timebase provision. Although this solution is inexpensive and with a remarkably low energy consumption, it limits the resolution at which time can be measured. The FLOPSYNC synchronization scheme was then introduced to compensate for possible quartz crystal imperfections. The main limitation of FLOPSYNC is that it does not account for the effects of quantization. In this paper we propose a switched control variant of the base FLOPSYNC scheme to address quantization explicitly in the compensator design, providing clock synchronization in cost-sensitive WSN node platforms with a minimal additional overhead. Experimental evidence is given that the approach reaches a synchronization error of at most 1 clock tick in a real WSN.     

WSN中利用蚁群路径优化的时隙选择重排算法

针对无线传感器网络(WSN)汇聚传输中的数据传输时间和功耗问题,提出了考虑时间同步和唤醒延迟的汇聚传输时隙选择重排算法。将时分多址接入(TDMA)用作介质访问协议,并允许每个节点在传输时隙期间可以发送或接收数据;设计新的WSN数据收集树模型,将传感器节点生成的数据通过无线链路形成的多跳网络发送到汇聚节点,在数据收集树的每条链路上分析时隙顺序,优化时隙选择,并基于蚁群算法优化路径选择,减少传输能量消耗和均衡簇头能量。实验结果表明,提出的算法可以实现显著的数据传输性能提高和功耗节约。     

Low-complexity time synchronization for energy-constrained wireless sensor networks: Dual-Clock delayed-message approach

Due to the ability of sensor nodes to collaborate, time synchronization is essential for many sensor network operations. With the aid of hardware capabilities, this work presents a novel time synchronization method, which employs a dual-clock delayed-message approach, for energy-constrained wireless sensor networks (WSNs). To conserve WSN energy, this study adopts the flooding time synchronization scheme based on one-way timing messages. Via the proposed approach, the maximum-likelihood (ML) estimation of time parameters, such as clock skew and clock offset, can be obtained for time synchronization. Additionally, with the proposed scheme, the clock skew and offset estimation problem will be transformed into a problem independent of random delay and propagation delay. The ML estimation of link propagation delay, which can be used for localization systems in the proposed scenario, is also obtained. In addition to good performance, the proposed method has low complexity.     

Properties of generalized Branch and Combine clock networks

In a recent development a new clock distribution scheme has been introduced. The scheme called Branch-and-Combine or BaC, is the first to guarantee constant skew bound regardless of network size. In this paper we generalize and extend the work on BaC networks. Our study takes the approach of defining a general graph theoretic model which is then utilized to define a general network model taking into account node function. We use the models to establish some interesting results on clocking paths, node input sequences, node inputs' relative timings, and skew bound. We prove that a network adhering to our general model is stable (will not oscillate) despite its cyclic nature. We also prove that no tree of any kind can be used to distribute the clock in two or more dimensions such that skew bound is constant. The paper then exploits the derived properties to describe the inherent interplay between topology, timing, node function, and skew bound     

无线传感器网络中带延时的一致性时间同步

针对无线传感器网络(WSNs)中节点间通信存在传输延迟,影响同步精度的情况,将加权平均应用于相对时钟斜率的计算,提出了一种带延时的一致性时间同步算法.该算法中每个传感器节点通过与邻居节点通信交换时钟信息,根据一致性理论更新时钟参数,从而到达时间同步的目的.研究了在假定传输延时服从正态分布的情况下对一致性时间同步算法的影响,提出的算法降低了延时对同步精度的影响,Matlab仿真验证了该算法的有效性.     

Fault-tolerant clock synchronization in large multicomputer systems

The cost of synchronizing a multicomputer increases with system size. For large multicomputers, the time and resources spent to enable each node to estimate the clock value of every other node in the system can be prohibitive. We show how to reduce the cost of synchronization by assigning each node to one or more groups, then having each node estimate the clock values of only those nodes with which it shares a group. Since each node estimates the clock value of only a subset of the nodes, the cost of synchronization can be significantly reduced. We also provide a method for computing the maximum skew between any two nodes in the multicomputer, and a method for computing the maximum time between synchronizations. We also show how the fault tolerance of the synchronization algorithm may be determined