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。     

机坪感知网络的快速收敛平均一致性时间同步算法

针对机坪感知网络（APSN）的传统平均一致性时间同步算法（ATS）因其分布式迭代特点而导致收敛速度慢、算法效率低的问题,基于代数连通度影响一致性算法收敛速度的原理,提出了一种可快速收敛的平均一致性时间同步算法（FCATS）。首先,在APSN内的双跳邻居节点间添加虚拟链路来增加网络的连通性;然后,基于单跳与双跳邻居节点信息对节点的相对时钟偏斜、逻辑时钟偏斜与偏移进行更新;最后,根据时钟参数更新过程进行一致性迭代。仿真结果表明,FCATS经过一致性迭代能够得到收敛,与ATS相比,在收敛速度上提升了50%左右,在不同拓扑条件下收敛速度能够提升20%以上,可见收敛速度得到了明显改善。     

机坪感知网络的快速收敛平均一致性时间同步算法

针对机坪感知网络（APSN）的传统平均一致性时间同步算法（ATS）因其分布式迭代特点而导致收敛速度慢、算法效率低的问题，基于代数连通度影响一致性算法收敛速度的原理，提出了一种可快速收敛的平均一致性时间同步算法（FCATS）。首先，在APSN内的双跳邻居节点间添加虚拟链路来增加网络的连通性；然后，基于单跳与双跳邻居节点信息对节点的相对时钟偏斜、逻辑时钟偏斜与偏移进行更新；最后，根据时钟参数更新过程进行一致性迭代。仿真结果表明，FCATS经过一致性迭代能够得到收敛，与ATS相比，在收敛速度上提升了50%左右，在不同拓扑条件下收敛速度能够提升20%以上，可见收敛速度得到了明显改善。     

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.     

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.     

一种处于任意时延非线性动态网络中的时钟振荡器快速平均同步算法

研究了处于任意时延非线性动态网络中的时钟振荡器的同步问题. 首先, 提出了一种基于一致性控制策略的动态同步算法, 即快速平均同步算法(FASA)来找到同步解. 该算法能够补偿时钟节点间的时钟偏移和时钟偏差, 使得和以前的同步方法比较后在较短的时间内实现时钟节点的同步. 其次, 由于FASA的动态特性, 我们从具有任意时延的分割动态系统角度来刻画这个算法. 该算法保证在动态网络中的所有时钟节点收敛到李亚普诺夫稳定平衡点. 最后, 数值仿真和实验结果证明了FASA的正确性和有效性, 这意味着时钟节点能达到全局一致, 并且使同步误差精度达到纳秒级别.     

AUV辅助的水下传感器网络时钟同步算法

针对当前水下传感器网络中的时钟同步难题,设计了一种三元阵被动定位自主水下航行器（ AUV）模型,并基于此模型提出了AUV辅助的时钟同步（ AUV-Sync）算法。该算法通过AUV与节点之间相对运动过程中进行的信息交换来对节点相对距离进行估计,进而基于相对距离计算单向传播时延来降低由于节点移动性所导致的误差。最后,通过两轮加权最小二乘法进行线性回归来估计时钟同步的参数。仿真结果表明：在存在节点漂移的动态水下传感器网络环境中,该算法较其他相关算法有更高的精度。     

无线传感器网络时钟同步的研究

在无线传感器网络中,时钟同步是十分必要的．有限的电池能量,存储以及带宽限制等传感器固有的特性的存在,导致传统的时钟同步算法不适合无线传感器网络．本文阐述了时钟同步问题和时钟同步的必要性,介绍了一些传感器网络的时钟同步算法,并深入研究了在考虑节点移动的情况下,利用节点的移动来传递时钟信息的思想,模拟证明我们的算法性能良好。     

网络测量中高精度时间戳研究与实现

在网络测量中,时间戳记录数据包接收和发送的时间,是时延、带宽以及抖动等网络参数测量的基础.受缓存延迟、中断响应时间不确定等因素影响,软件时间戳只能达到毫秒级精度;基于GPS(global positioning system)时钟的硬件时间戳可以达到纳秒级精度,但其成本高且安装部署不方便.基于对网络测量系统中时间戳误差来源的详细分析,设计了精确时间戳测量系统,系统利用硬件产生时间戳,消除各种软件延迟影响,通过基于预测的时钟同步算法PCS(prediction-based clock synchronization)同步各测量节点时钟,达到了与GPS相当的精度.基于自行设计的千兆网卡实现了测量系统原型,测试表明各测量节点时间戳误差不超过100ns.     

无线传感器网络TPSN的优化算法

通过对无线传感器网络时钟同步算法TPSN(传感器网络时间同步协议)的研究,提出一种TPSN的优化算法;在TPSN算法时钟同步的过程中,由于节点时钟的不稳定性以及节点间消息交换延迟会引起同步误差,针对引起同步误差的这两个因素,基于已经存在的TPSN时钟同步算法,利用贝叶斯估计的先验和后验分布对TPSN算法进行优化,来达到减小同步误差的目的;使用NS2仿真软件进行的仿真实验显示优化后的算法比原算法的同步误差明显减小,同步精度显著提高.     

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.     

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。     

一种适用于矿山设备振动监测的WSNs改进时间同步算法

结合矿山设备振动监测的实际情况,给出了矿山设备振动监测的无线传感器网络模型;针对TPSN时间同步算法能耗大、DMTS时间同步算法精度低的问题,提出一种改进的无线传感器网络时间同步算法——TPDM算法。该算法采用动态簇首选择算法选出簇首节点,簇首节点之间的同步采用TPSN算法以保证同步精度,簇内节点之间的同步采用DMTS算法以降低能耗,并采用基于最小平方线性回归方法的时钟漂移补偿技术对同步时钟进行时间补偿。仿真结果表明,与TPSN算法和DMTS算法相比,TPDM算法在能耗和精度方面得到了折中,能更好地满足矿山设备振动监测的要求。     

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。     

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.     

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.     

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