基于CC2530的改进TPSN算法

针对无线传感器网络(WSNs)振动监测同步精度低的问题,提出了一种基于帧首定界符(SFD)硬件捕获机制的改进传感器网络时间同步协议(TPSN).采用硬件捕获时间戳的方式消除部分软件延迟因素,如发送延迟、访问延迟和接收延迟,在补偿时钟偏差的同时采用最小二乘法估计补偿时钟漂移.为验证算法可行性,选用链状拓扑结构,在CC2530硬件平台上进行了单跳及多跳同步测试.试验结果表明:单跳误差0.727μs,2跳误差2.65 μs,3跳误差6.833μs.相比典型TPSN,提出的算法具有较好的同步效果,可满足振动监测应用需求.     

基于最优线性拟合的WSN时间同步算法研究

针对传感器网络应用对节点同步精度要求高、通信开销小等需求,研究一种基于最优线性拟合的时间同步算法。在分析FTSP算法的基础上,通过节点分级策略,减少同步分组数据传输量,并引入概率统计学中参数估计理论改进线性回归算法,减小异常数据点对同步精度的影响,延长节点同步时间。实验结果表明:该算法能有效减少同步通信开销,实现高精度的时间同步,同步误差在μs级。     

无线传感器网络泛洪时间同步协议安全算法

针对无线传感器网络泛洪时间同步协议(FTSP)可能遭受到基于发送时间标攻击的问题,提出一种安全算法,在FTSP中添加异常漂移率检测器和恶意节点ID号过滤器,同时为进一步提高FTSP的同步精度,减小FTSP受到恶意攻击后对时间同步的影响,改进泛洪时间同步协议中计算时钟漂移率的公式,对其进行加权处理。仿真结果表明:该安全算法能够有效地防御基于发送时间标的恶意攻击,减小了计算开销和恶意攻击对算法的影响,鲁棒性增强,同时提高了同步精度,达到了稳定准确的同步效果。     

无线传感器网络时间同步协议的改进策略

鉴于NTP和无线传感器网络时间同步协议的相似性,提出把NTP中的时间过滤、时间选择和时间组合算法简化后应用于无线传感器网络时间同步协议中以提高同步精度的策略.作为例证,将时间组合算法简化后引入BTS协议中.模拟的结果表明:在由81个Mica2节点组成的8跳网络内,除抗拒节点的同步误差保持不变外,其余节点的同步误差减小至改进前的67.70%～91.58%;具有相同跳距的节点的平均同步误差随跳距的增加率由19.8减小至15.5μs/跳;同时没有额外的报文开销.理论分析表明:同步精度的提高得益于应用时间组合算法所导致的节点时间偏移量均方差的减小.     

具有容错性的时间同步协议算法

在无线传感器网络的许多时间同步协议中,算法的精确性、高效性以及简洁性总被优先考虑.此外,容错性时间同步协议也逐渐受到越来越多的关注,鉴于经典算法浮动时间同步协议(FTSP)较为全面地考虑了时间同步的能耗、同步精度、可扩展性等要求,提出了一种基于FTSP具有容错性的时间同步协议,算法通过对历史所测的有限个时钟漂移率进行加权平均计算新的漂移率,其中算法的加权系数根据历史测量值的方差动态确定.通过Matalab对新算法的时钟漂移率和在接收到错误信息情况下漂移率的变化进行仿真分析,结果表明:改进后的算法具有较强的容错性.     

无线传感器网络延迟层次型时间同步算法

时间同步在无线传感器网络的许多应用和协议中都有重要的作用,提高同步精度和降低能量消耗是无线传感器网络时间同步算法考虑的两个重要指标.为了改善中小型网络的时间同步性能,针对成簇的网络结构,提出一种基于分簇的延迟层次型时间同步算法(DHTS),建立系统模型并应用DHTS算法,分析了模型拓扑结构和算法同步误差.模拟结果表明,与传统算法相比,DHTS使所有的节点都得到了有效同步,能够在保证网络同步精度的前提下有效降低数据传输所需能量,并且能方便地应用于现实的无线传感器网络.     

Ad hoc网络时钟同步研究*

为解决时钟同步方案存在依赖特殊节点以及算法精度不高等问题,在组网过程与自组网互同步相结合的基础上,完成网络节点的时钟同步,并通过测量网络延迟以提高同步精度.方案在一跳场景下验证,可将误差维持在15μs左右,提高了同步精度,并且本方案不需要特殊节点,各个节点只需要收到一个同步帧就可以自发地调整时钟,同步帧的开销小、实现简单,适用于多跳和灵活易变的Ad hoc网络.     

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.     

无线结构健康监测传感器网络中的时间序列同步算法

现有的无线传感器网络时间同步算法的同步精度较低,无法满足分布式结构损伤检测系统的要求.文章提出一种基于最小化序列能量差的时间同步算法.该算法通过比较传感器节点在不同时刻记录的采样信号序列,采用比较能量差的方法进行时间序列自同步.经过理论分析及多次实验证明,采用该方法的同步精确度符合无线结构健康监测系统对时间同步精度要求.     

基于分簇的高能效无线传感器网络时间同步算法

针对经典时间同步算法应用于无线传感器网络时主要是提高同步精度而忽略网络能耗的问题,提出了一种基于分簇的高能效无线传感器网络时间同步算法.该算法基于分簇的网络拓扑结构,基站与簇首采用改进的双向同步机制传播同步消息包,簇首与簇内节点采用双向同步机制与被动监听相结合的方式完成时间同步,减少了消息包传输的数量,同时设计了同步分组延迟的周期更新因子,进一步减少了报文开销.仿真结果证明:该机制能减少同步报文开销,降低网络能量消耗,保证良好的同步精度.     

基于分簇的低功耗多跳无线传感器网络层次时间同步算法

针对典型时间同步算法在应用于多跳无线传感器网络(WSN)时主要集中于提高网络同步精度而忽略能耗、路径跳数、误差累积等问题,提出一种基于分簇的低功耗多跳WSN层次时间同步算法。该算法基于分簇的层次型网络结构,选取某一簇内节点与簇头进行双向同步,其邻居节点通过被动监听方式间接完成同步,减少了数据包传输数量,且数字签名方式保证了消息传输的安全性;引用了同步分组延迟的周期更新系数,以进一步减少报文开销。仿真结果表明,算法有效地降低了能量消耗,提高了网络寿命,具有一定的实用性。     

基于簇的能量均衡无线传感器网络时间同步算法

针对现有时间同步算法应用于多跳无线传感器网络时存在的误差累计和能耗不均衡问题,提出一种基于簇的能量均衡时间同步算法。该算法基于簇状分层的网络拓扑,簇首之间采用双向监听机制代替双向交换机制,以减小通信开销和发送时延带来的同步误差;簇成员节点利用双向交换和单向广播相结合的机制与簇首同步,并通过最优剩余能量选取回应节点,均衡簇内节点能耗。对提出的新方法和传统的同步算法在精度和能耗方面进行理论分析和仿真验证,结果表明,该算法在保证较高同步精度的前提下可以减小通信开销,均衡网内节点能量消耗,延长网络生命周期。     

基于耦合振荡器模型的WSN时间同步算法——以ZigBee网络为例

提出了一种基于耦合振荡器模型的ZigBee网络时间同步算法,解决了ZigBee网络数据采集过程中的延迟,使得整个ZigBee网络趋于同步,提高了系统的时间精度。该研究引入不应期的方法解决延迟节点重复激发的问题,分析模型的可行性,以及模型中各个参数对同步精度的影响。通过基于耦合振荡器模型的线性动态函数,解决经典模型中计算量过大的问题。通过测试平台上的实验,验证了算法的可行性。     

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.     

基于拉格朗日一次插值的船舶故障录波时间同步

针对外部时钟同步法在船用条件下存在的难以实施、易受干扰、安全性低等问题,提出一种基于插值算法的船舶故障录波时间同步方式。首先,录波主机从合并单元上传的报文中提取出原始采样值和额定延时信息;然后,经时间修正还原真实的采样时刻;最后,利用拉格朗日一次插值运算得到同步时刻的重采样值。Matlab仿真实验表明,幅值误差可以通过适当提高采样频率的方式降低,相位误差对应的等效时延均不超过2 μs;样机实验结果显示,正常条件下有效值误差不超过±0.01%,加入故障信号后,基波和5次谐波的有效值误差分别低于±0.006%和-0.5%,两种情况下的等效时延均不超过-3.5 μs,同步精度达到了IEC61850规定的T4等级。     

无线传感器网络的多跳时间同步优化算法

通过对无线传感器网络RBS时间同步算法（Reference Broadcast Synchronization,RBS）的研究,针对多跳全网的时间同步问题,提出基于环形网络拓扑的RBS环形算法（References Broadcast Bing Synchronization,RBRS）。该算法在RBS的基础上,采用广播分组和最小平方线性回归的方法实现全网时间同步。从同步误差和开销两方面对该算法和现有的RBS优化算法作理论比较。算法在众多算法中具有一定的优越性,适用于轻型、低功耗的无线传感器网络负载。使用matlab软件进行仿真,实验结果表明优化后的算法和初始算法相比误差累积小、同步开销显著减少,并且能够实现全网络的时间同步。     

面向煤矿井下WSN低功耗双向时间同步算法 研究与实现

针对传统时间同步算法通过交换较多数据包来获取同步精度而导致能耗过大的现象,结合煤矿井下网络结构的特殊性,在分析双向成对同步机制和单向广播同步机制基础上,利用广播传输特性将2种机制有效结合起来,提出一种基于簇状结构的主被动式低功耗双向时间同步算法。实验表明,基于簇状结构的主被动式同步方式可有效解决传统双向报文交互频繁的问题,在误差允许范围内达到减少消息开销和平衡整个网络能量损耗的目的。     

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。