一种无线传感网中微秒级时钟同步设计

基于IEEE 1588时钟同步原理的思想,提出了一种星形无线传感网中各节点的时钟同步方法,具体介绍了两节点间同步过程的实现原理,分析了影响同步精度的关键因素,在此基础上设计了一种以物理层时间戳标记为关键技术的实现方式。利用FPGA和无线模块nRF24L01构建了系统的测试平台,通过对测试结果的分析得出时钟同步精度可以达到1 μs,总体设计简单并具有较高的实用价值。     

无线传感网时间同步技术综述

时间同步是无线传感网络中数据传输、节点定位和网络调度等技术的基础。由于低功耗、低复杂度和低带宽的限制,传统网络的时间同步技术无法满足无线传感网的要求。在介绍无线传感网中时间同步技术国内外研究现状的基础上,给出节点的时钟模型,归纳经典时间同步机制,总结萤火虫同步、混合时间同步、分布式时间同步等多种新型时间同步协议,并指出当前无线传感网中时间同步技术存在的不足。最后给出时间同步技术发展趋势的展望。     

一种传感网时间同步和定位的联合线性估计方法

采用时间测量以估计节点位置的方法实现简单,在传感网中得到了广泛的使用。然而节点计时时钟存在漂移和偏离,导致时间测量不准确。为此文本以节点时钟漂移和偏离模型为基础,提出了一种时间同步和节点定位的联合线性估计方法,包括最小平方（LS）及权重最小平方（WLS）方法。仿真测试了所设计算法的运行时间,分析了噪声对联合估计方法的估计误差影响。结果表明,LS及WLS线性估计方法运算速度较半正定（SDP）算法快,在低噪声条件下LS及WLS线性估计方法具有较高的稳定性和定位精度。     

无线传感器网络环境下基于卡尔曼滤波的PTP协议

作为分布式系统的重要组成部分,精确时间同步是对时间敏感的工业无线网络的核心技术.基于时间信息包交换的IEEE 1588精确时间同步协议（PTP）主要针对有线网络提出,其同步精度受制于时间戳的精度和传输延迟抖动.在无线传感网中,节点难以获取精确时钟戳,同时由于信道共享、包冲突和信道衰落,无线网络的传输延迟抖动非常明显. 研究了无线网络中PTP的性能与时间戳精度之间的关系,提出了一个自回归模型来描述时钟漂移,将PTP中的包交换过程抽象为一组状态空间方程,将延迟抖动等作为观测噪音,从而利用卡尔曼滤波器予以滤除.仿真结果表明,在不同时间戳精度和延迟抖动下,卡尔曼滤波能有效改善时钟误差和稳定性.     

基于分量解耦融合的无线传感网时钟同步算法

无线传感器网络(WSN)时间同步精度的提高通常以增加额外同步能耗为代价,针对时间同步的高精度与低能耗的权衡问题,提出一种基于分量解耦融合的时钟同步算法。该算法结合双向广播同步机制和节点间时钟的相关性,利用分量解耦融合思想计算被同步节点与基准节点间的时钟偏差,同时根据线性无偏最小方差准则估计各个分量加权参数的取值。仿真结果表明,该算法能够在不增加额外同步能耗的条件下,相比PBS、TPSN和RBS算法,20轮同步后同步精度分别提高4.52μs、13.8μs以及25.48μs。     

基于时间戳的无线传感器网络节点时钟同步研究

研究了节点分布具有不连续性的无线传感器网络的时钟同步问题,分析提出了一种基于时间戳的时钟同步算法,对算法的实现及性能进行了实验验证和评估.实验结果表明基于时间戳的无线传感器网络时钟同步算法可以获得毫秒级的同步精度,可以满足无线传感器网络的大多数实际应用.     

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Bootstrap采样粒子滤波的WirelessHART时间同步算法﹡

针对无线HART传感器网络时间同步精度较低、能耗过大等问题,提出了一种基于Bootstrap采样的粒子滤波时间同步算法。在未知网络延迟分布的情况下,为了减少观测次数,对发送端和接收端的时间戳观测值进行Bootstrap采样,采用混合粒子滤波算法,获得精确的时钟偏移,从而不仅降低了无线HART传感网络时间同步误差,而且使能耗减小。最后,实验表明,对于无线HART网状分层网络,当观测量达到10以上时,粒子滤波算法获得的时间偏差的均方误差约是最大似然估计算法的50%,而基于Bootstrap采样的粒子滤波算法获得的时间偏差的均方误差约是最大似然估计算法的35%,仿真的结果验证了该方法的可行性和有效性。     

基于分量解耦融合的无线传感网时钟同步算法

无线传感器网络(WSN)时间同步精度的提高通常以增加额外同步能耗为代价,针对时间同步的高精度与低能耗的权衡问题,提出一种基于分量解耦融合的时钟同步算法。该算法结合双向广播同步机制和节点间时钟的相关性,利用分量解耦融合思想计算被同步节点与基准节点间的时钟偏差,同时根据线性无偏最小方差准则估计各个分量加权参数的取值。仿真结果表明,该算法能够在不增加额外同步能耗的条件下,相比PBS、TPSN和RBS算法,20轮同步后同步精度分别提高4.52μs、13.8μs以及25.48μs。     

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。     

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.     

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.     

无线传感器网络层次参考时间同步算法的研究

无线传感器在网络应用中要求节点间保持时间同步,但现存的经典时间同步算法,因节点的接收时间受时钟偏差和传输延迟的影响,其同步精度不高。为提高网络时间同步精度,均衡节点能耗,提出了一种改进的层次参考时间同步算法（Improved Hierarchy Referencing Time Synchronization,IHRTS）。该算法基于节点在层次结构中唯一物理位置的时间特性,采用贝叶斯估计对节点接收时间进行估算,缩小时间偏差的误差范围,获得比较精确的同步偏移量,从而改善时间同步精度;同时采用无线信道的广播特性与双向同步机制的同步思想,最小化了通信负载,均衡了节点能耗。通过仿真结果表明将贝叶斯估计方法应用到时间同步算法中,在均衡节点能量消耗同时有效地提高了网络同步精度。     

水声传感器网络中成簇时间同步协议研究

针对水声通信传播延迟长和节点移动性强的问题, 提出一种水声传感器网络中成簇时间同步协议。该协议将时间同步分为簇间同步和簇内同步两个过程, 并且通过簇间同步和簇内同步的局部并发执行减少同步过程中产生的报文数量。此外, 该协议在计算时钟频偏和相偏的过程中通过区分因为节点移动性造成的下游链路和上游链路传输延迟的不同来提高同步精度。仿真结果表明, 与其他同步协议相比, 成簇时间同步协议可以在降低同步误差的同时, 有效减少网络中同步报文的数量, 从而达到降低能量消耗的目的。     

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.     

基于生成树的无线传感器网络时钟同步算法

考虑到无线传感器网络时钟同步多跳误差累积问题,提出一种基于动态生成树的全网时钟同步算法,只需由根节点开始沿树边广播一次同步消息,全网待同步节点即可采用时钟偏差补偿,并结合贝叶斯后验估计算法对时钟进行准确估计。一个同步轮次内每个节点至多广播两次消息即可完成全网同步。使用OMNeT++软件进行仿真实验表明算法有效降低了多跳累积误差,提高了同步精度,且具有较快的收敛速度和较低的开销。     

一种线型结构无线传感器网络的时间同步算法

针对煤矿井下液压支架模糊控制监测系统网络拓扑,提出了一种适用于线型结构无线传感器网络的时间同步算法。该算法同步过程分为簇间同步和簇内同步,簇间同步采用双向同步机制修正时间偏移的方法减少同步误差,簇内同步通过最小平方线性拟合方法构造逻辑时钟函数,从而得到簇内任一节点与簇首节点的频偏和相偏估计值,以提高同步精度。仿真结果表明,该算法能有效减少时间同步误差和能量消耗。     

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。