一种温度自适应无线传感网络时间同步方法

无线传感器网络节点中的廉价晶振极易受到温度、电压、湿度等工作环境因素的影响.节点晶振的这一特性,为室外大规模无线传感器网络时间同步技术带来了两方面的挑战:(1) 过高的通信开销;(2) 精度与能耗之间的不平衡.针对以上问题,提出了一种基于温度感知的、自适应的无线传感器网络时间同步算法.该算法能够依赖本地温度信息对节点时间频偏进行估计及补偿,在保证算法同步精度的同时,降低了网络通信开销.除此之外,提出一种动态同步周期调节机制,使得算法能够根据当前环境温度变化情况对节点同步周期进行动态调节,从而达到了能耗与精度之间的平衡.大量仿真实验结果表明:所提出的时间同步算法可将通信能耗降低至传统同步算法的10%;且在环境温度不断变化的情况下,80%的频偏估计值其误差小于0.5ppm.故,所提出的时间同步方法能够有效地适用于室外环境下部署的大规模无线传感器网络.     

Integrating External and Internal Clock Synchronization

We address the problem of how to integrate fault-tolerant external and internal clock synchronization. In this paper we propose a new external/internal clock synchronization algorithm which provides both external and internal clock synchronization for as long as a majority of the reference time servers (servers with access to reference time) stay correct. When half or more of the reference time servers are faulty, the algorithm degrades to a fault-tolerant internal clock synchronization algorithm. We prove that at least 2 F+1 reference time servers are necessary for achieving external clock synchronization when up to F reference time servers can suffer arbitrary failures, thus the proposed algorithm provides maximum fault-tolerance. In this paper we also derive lower bounds for the best maximum external deviation achievable in standard mode and the best drift rate achievable in degraded mode. Our algorithm is optimal with respect to these two bounds: (1) the maximum external deviation is optimal in standard mode, and (2) the drift rate of the clocks is optimal in standard and degraded mode.     

单向延迟测量中时钟动态性检测算法

延迟是评价网络性能的重要指标,也是进行其他网络性能指标测量的基础.基于全球定位系统(GPS)的端到端(end-to-end)时钟同步是测量网络单向指标的常用方法,但是其代价昂贵且缺乏灵活性.在无端到端时钟同步机制下进行网络单向延迟指标测量的关键是消除时钟偏差效应的影响.基于对时间序列分段技术的分析,提出了一种新的时间序列分段标准与改进的分段算法,实现序列的自动聚类,其时间复杂度为O(N²).将该算法应用于检测端到端时钟的动态性,识别测量过程中时钟跳变和时钟频率调整位置,实现对网络单向延迟的测量,弱化了同类工作中对时钟动态性的严格假设.同时提出了基于滑动窗的在线实时时钟动态性检测算法.实际测试实验表明,该算法是行之有效的.     

可变周期的无线传感器时间同步算法

时间同步技术是无线传感器网络应用中的一项关键技术.介绍了几种无线传感器网络的主流同步算法.通过对比,总结了各种算法的优点和限制条件.最后提出了可变周期的无线传感器时间同步算法,该算法利用改进的参考广播同步协议估计时间偏差和速率偏差,并通过估计出来的偏差值动态调整下次同步的周期,达到减少同步次数,节约能量的目的.     

Clock synchronization for Internet measurements: a clustering algorithm

Clock synchronization is a crucial issue for scalable and accurate network performance measurements, especially when no external time sources are introduced. The paper presents a clustering based efficient and robust algorithm Optimized Top-Down Time series Segmentation (OTDTS) for clock synchronization between end-to-end systems. The computational complexity of OTDTS is of order O(KN²). Based on the one-way probe delay traces, the algorithm segments the delay time series at proper points, at which clock dynamics occur. End systems could achieve relative clock synchronization by estimating and removing the clock skew of each segment. Simulations on artificial data set and practical Internet measurement illustrate the availability and efficiency of OTDTS.     

多层动态分簇的WSN时间同步算法

无线传感器网络受多跳传输延迟和节点中的晶振准确度的影响,造成时间同步误差较大.为了减小同步误差,传统解决方法提高了同步算法的频率,这使得算法面临两个问题:①通信能耗较高;②精度与能耗之间的不平衡.针对以上问题,结合单向广播机制和双向成对机制,提出一种多层动态分簇的无线传感器网络时间同步算法.采用节点分层策略减少了同步通信开销;采用同步误差补偿机制降低了算法同步误差的影响,使用时钟补偿机制减少了传感器节点运行的累积误差.实验测试表明:在保证精度的前提下,本算法降低了同步次数,减少了同步通信开销,从而延长了网络的生命周期.     

时钟同步的假设检验研究

时钟同步技术是分布式系统中非常活跃的研究领域之一，由于大多数分布式系统实际上是不同步的，因此需要采用容错时钟同步算法确保消息通信的有界延迟，而基于假设检验的时钟同步技术可以避免因错失对两个高概率不同步时钟进行同步调整而造成系统不正常使用的情况。该文讨论了时钟同步的假设检验问题。除了假设检验、两类错误概率，还给出了概率最小时钟偏差、时钟同步概率等概念。在时钟偏差的统计分布特性近似于服务正态分布的假设条件之下，提出了基于非中心t分布的时钟同步假设检验方案。最后，基于服务器和客户端之间双向消息通信传输模式，给出时钟偏差的估计和检验样本。     

基于最优时钟偏差的无线传感器网络同步算法

针对无线传感器网络固有的时钟偏移和时钟漂移问题,研究了不同的时间同步方法对同步精度的影响。以簇形网络结构时钟同步原理为依据提出最优时钟偏差算法,应用卡尔曼滤波方法,以最优化递归方式对成员节点的时钟偏差进行最小调整。与一般簇形同步算法进行比较发现,该算法不仅可以提高同步精度,还可以减少节点能耗。仿真结果也表明,该算法能准确地描述同步精度问题,是一种有效的时钟同步算法。     

基于概率同步算法的计算机外时钟同步系统设计与仿真

在计算机软件时钟同步系统中，网络延迟的测量与建模、同步算法的设计及算法性能的评估是要解决的三个主要问题。该文研究了基于概率同步算法的计算机外时钟同步系统设计。首先研究了基于PC高分辨计数器接口的网络延迟精确测量方法，对几种典型网络环境进行了测量，建立了网络延迟的对数正态分布统计模型。然后推导了网络延迟为对数正态分布模型下的同步包数目的计算公式，研究了基于该公式的概率同步算法参数设计。最后，对单个从节点情况下改进的概率同步算法的性能进行了仿真检验。结果表明，基于网络延迟的对数正态模型的推导和设计是正确、可靠的。改进的概率同步算法具有较高的同步效率和同步精度，可以用于实际的仿真系统。     

一种节能的无线传感器网络多跳自适应时间同步算法

研究能量长期有效的时间同步协议是成功部署生命力强的无线传感器网络的一项关键策略,对此,提出一种低能耗的多跳自适应时间同步算法（MATS：Multi-hop adaptive time synchronization）,该算法设计了一套灵活的机制来调整同步模式、全网重同步周期以及每对节点同步时的信标数,并且利用最大似然估计原理同时对节点的时钟偏移和频率偏移进行估计,达到用最小的能量损耗完成长期的、全网的时间同步的目的,最后通过数学分析和仿真的方法对所提出的改进算法进行了验证。     

基于最小二乘法精确时钟同步算法研究与实现

在深入地研究P T P时钟同步机理的前提下,仔细分析了时钟偏差产生的原因,并引入了基于最小二乘法的频率补偿算法来校正相对时钟漂移偏差,在搭建的以太网精确时钟同步平台基础上,通过实验验证了该算法的可行性。结果表明,该算法的引人大大地提高了P T P的同步精度。     

免时间戳交互的无线传感网隐含节点同步参数估计算法

能效是无线传感网(Wireless sensor networks, WSNs)时间同步机制设计时需考虑的一个关键因素. 近年来, 隐含同步和免时间戳同步两种低功耗同步机制备受关注. 前者利用监听方式节省了发送同步信息所带来的能耗; 后者则通过接收端的定时响应, 无需在交互过程中传递时间戳, 减少了能量开销. 将免时间戳同步与隐含同步相结合, 能够进一步降低无线传感网同步功能实施所导致的额外能耗. 但目前免时间戳交互下的隐含节点只能估计时钟漂移, 无法估计时钟偏移. 针对该问题, 提出了一种基于最大似然估计(Maximum likelihood estimation, MLE)的免时间戳同步参数估计算法, 实现对隐含节点时钟漂移和偏移参数的联合估计, 并推导获得了对应估计器的性能界限. 仿真结果验证了所提估计器的有效性.     

Average time synchronization in wireless sensor networks by pairwise messages

Most of previous algorithms for time synchronization choose a specific node’s (denoted as a root or leader) local time to be the reference time, which is easily disturbed by many events (e.g. root node’s power down or damage). The Gaussian distribution for the nodes’ local clocks has been reported by a few authors based on laboratory tests, the average of all nodes’ clocks is the best approximation to the ideal time. In this paper, the possibility to realize average time synchronization in wireless sensor networks by pairwise messages exchange is studied, and a simple algorithm (ATSP) is proposed, which synchronizes all the nodes’ clocks to their average. For networks with clock skew, the algorithm compensates the frequencies of nodes to their average also. Using the Lyapunov’s stability theory, convergence analyses and proofs of the algorithm are given. Synchronization error (accuracy) of the algorithm is estimated by using probability theory also, which indicates that the synchronization error of the algorithm is linearly related to the standard deviation of the message delay. Simulations are performed on a 300 nodes network to examine the performance of the algorithm, which verified the theoretical results.     

低开销的星型结构无线传感器网络同步技术

通过分析TPSN同步协议和星型网络结构的特征,针对无线传感器网络低功耗的特点及其对时钟同步算法精度的要求,提出了一种广播式TPSN同步协议和节点本地时钟自校正相结合的方法.实验结果表明,本方法在保证同步精度的同时可以延长同步周期,大幅减少网络同步分组数量,显著降低了同步开销,节约了能耗.     

基于本地时钟自校正的无线传感器网络同步方法

通过分析TPSN同步协议和造成时钟偏差不确定性的各种因素,结合无线传感器网络低功耗的特点及其对时钟同步算法精度的要求,针对TPSN未对时钟频率漂移进行估计的问题,提出一种节点本地时钟自校正方法,并设计了平均时钟偏差指标对一个同步周期内时钟精度进行评价。对比实验结果表明本方法易于实现,在保证同步精度的同时可以延长同步周期,减少同步开销,节约了能耗。     

Gradient clock synchronization

We introduce the distributed gradientclock synchronization problem. As in traditional distributed clock synchronization, we consider a network of nodes equipped with hardware clocks with bounded drift. Nodes compute logical clock values based on their hardware clocks and message exchanges, and the goal is to synchronize the nodes' logical clocks as closely as possible, while satisfying certain validity conditions. The new feature of gradient clock synchronization GCS for short) is to require that the skew between any two nodesy' logical clocks be bounded by a nondecreasing function of the uncertainty in message delay (call this the distance) between the two nodes, and other network parameters. That is, we require nearby nodes to be closely synchronized, and allow faraway nodes to be more loosely synchronized. We contrast GCS with traditional clock synchronization, and discuss several practical motivations for GCS, mostly arising in sensor and ad-hoc networks. Our main result is that the worst case clock skew between two nodes at distance d or less from each other is Ω(d + , where D is the diameter of the network. This means that clock synchronization is not a localproperty, in the sense that the clock skew between two nodes depends not only on the distance between the nodes, but also on the size of the network. Our lower bound implies, for example, that the TDMA protocol with a fixed slot granularity will fail as the network grows, even if the maximum degree of each node stays constant.     

高精度低功耗无线传感器网络时间同步算法

通过对无线传感器网络参考广播同步（RBS）算法的研究,针对RBS多跳算法网络开销大和不能实现全网同步的问题,在基于环形网络拓扑的参考广播环形同步（RBRS）算法基础上,提出一种改进的RBRS （IRBRS）算法.该算法引入可变周期同步法：根据贝叶斯最大后验估计原理,估算出最大相位偏差来决定同步周期,从而减少节点同步次数,并且采用最小二乘线性回归法,周期性拟合时钟偏移.运用Matlab环境进行仿真,仿真结果表明：IRBRS算法同步精度显著提高,并且能量消耗显著减少,更有利于延长无线传感器网络的寿命.     

Dynamic FTSS in asynchronous systems: The case of unison

Distributed fault-tolerance can mask the effect of a limited number of permanent faults, while self-stabilization provides forward recovery after an arbitrary number of transient faults hit the system. FTSS (Fault-Tolerant Self-Stabilizing) protocols combine the best of both worlds since they tolerate simultaneously transient and (permanent) crash faults. To date, deterministic FTSS solutions either consider static (i.e. fixed point) tasks, or assume synchronous scheduling of the system components.In this paper, we present the first study of deterministic FTSS solutions for dynamic tasks in asynchronous systems, considering the unison problem as a benchmark. Unison can be seen as a local clock synchronization problem as neighbors must maintain digital clocks at most one time unit away from each other, and increment their own clock value infinitely often. We present several impossibility results for this difficult problem and propose an FTSS solution (when the problem is solvable) for the state model that exhibits optimal fault-containment.     

一种节约无线传感网能耗的时间同步方法

无线传感器网络的迅速发展,对时间同步提出了更高的要求。针对无线传感网广覆盖、低功耗的特点,如何在保证时间同步精度的情况下尽可能地降低能耗成为一个亟待解决的问题。文中详细分析了无线传感器网络（WSN）中时钟同步技术的种类、特点及其在WSN设计中起的作用,给出了时间同步的技术方案。本方法先对节点建立拓扑结构,采用LEACH分簇算法,结合TPSN算法和RBS算法,在全局范围内做了时间同步。结果显示,该方法比单纯使用TPSN算法和RBS算法有更少的能源消耗,同时具有着接近于TPSN的同步精度。     

基于连续时间戳通信模型的时钟同步

时钟同步是分布式系统、通信领域中的核心技术之一。本论文提出了在异步通信网络环境中实现时钟同步的一种新的方法,即采用连续的时间戳通信模型来构造时钟精度差模型,并根据获得的时钟精度差时钟调整。这种方法不仅能够有效的减少流量对时钟同步的影响,而其也可以进一步提高时钟同步的精度和自适应能力。