【摘要】：無線傳感器網絡是由部署在監測區內大量的微型傳感器節點相互通信形成的一個多跳自組織分布式系統，它為解決相關交通監測問題提供一種新的理論和方法。時間同步作為面向交通監測的無線傳感器網絡的一項基礎支撐技術，對于實現基于時分復用機制的鏈路層協議或路由協議、交通狀態感知節點的協作感知以及網內數據融合等起著至關重要的作用。本文以面向交通監測的無線傳感器網絡為研究背景，針對其時間同步中的若干關鍵問題展開了深入研究，主要研究工作如下： （1）針對非樹狀層次型網絡結構中如何以較少同步報文開銷實現節點間的時間同步問題，提出了一種基于兩跳鄰居信息的貪婪性同步拓撲算法。該算法首先利用改進的泛洪型層探測方法構建非樹狀層次型結構；然后提出了基于兩跳鄰居信息的貪婪性廣播元組篩選策略；最后通過MATLAB仿真平臺對比驗證所提出方法的同步報文開銷；實驗結果表明，在相同仿真條件下，基于兩跳鄰居信息的貪婪性同步拓撲構建方法在非樹狀層次型網絡結構中的同步報文開銷相比GPA、DMSP、TPSN等算法均表現出良好的能量有效性和優越性。 （2）針對樹狀層次型網絡結構中如何以能量有效性的方式實現節點間的時間同步問題，提出了一種基于單跳鄰居信息的貪婪性同步拓撲算法。該算法首先利用已有分簇路由協議中的節點成簇方法和同層節點的鄰居握手協議構建樹狀層次型結構；然后提出了基于單跳鄰居信息的貪婪性廣播元組篩選策略；最后通過MATLAB仿真平臺對比驗證所提出方法的同步報文開銷；實驗結果表明，在相同仿真條件下，基于單跳鄰居信息的貪婪性同步拓撲構建方法在樹狀層次型網絡結構中的同步報文開銷相比TPSN、ERTSP、CCS、HRTS等算法均表現出良好的能量有效性和優越性。 （3）針對貪婪性同步拓撲條件下的時鐘偏差估計問題，，提出了一種基于高斯時延模型的WSN時間同步算法。該算法首先利用貪婪性廣播元組的無線廣播特性實現節點間本地時間戳的局部共享；其次根據一階線性時鐘模型建立節點間本地時間戳的相互依賴關系；然后圍繞層內與層間時鐘偏差的估計問題，分別設計基于高斯時延模型的層內時鐘偏差估計方法和層間時鐘偏差估計方法；最后通過MATLAB仿真平臺對比驗證所提出方法的同步精度；實驗結果表明，基于高斯時延模型的WSN時間同步算法能夠以較高的同步精度適用于貪婪性同步拓撲結構，同時其層內時鐘偏差估計算法的同步精度相比RBS、TPSN、RTSP以及HRTS算法，分別提高22.51s、14.64、3.17和1.5；層間時鐘偏差估計算法的平均同步誤差低于TPSN算法，且相比TPSN算法提升5.29。 （4）針對貪婪性同步拓撲條件下低同步能耗與高同步精度的均衡問題，提出了一種基于分量解耦融合的WSN時間同步算法。該算法首先根據貪婪性同步拓撲中各類節點本地時間戳間的相互依賴關系，建立有關層內節點間時鐘偏差的兩種估計方式；然后利用多傳感器信息的分量解耦融合計算層內節點間時鐘偏差的融合值，并以最小均方誤差為原則估計分量解耦過程中引入的加權參數；最后通過仿真實驗分析所提出算法的有效性，實驗結果表明，基于分量解耦融合的時間同步算法能夠在不增加額外同步能耗的條件下進一步提高時間同步的精度，而且在同步報文開銷均為40的仿真條件下，時間同步精度與TSP-GDM-IL、PBS、ERTSP、TPSN、RBS算法相比，分別提高4.02s、4.52s、7.19s、13.8s以及25.48s。 （5）構建了一種面向交通監測的無線傳感器網絡時間同步測試系統。該系統的設計方案首先描述了時間同步測試系統的總體結構；然后在測試系統中融入了基于兩跳鄰居信息的貪婪性同步拓算法、基于單跳鄰居信息的貪婪性同步拓撲算法、基于高斯時延模型的WSN時間同步算法以及基于分量解耦融合的WSN時間同步算法的核心思想，實現了時間同步拓撲的構建、在線同步軟件的設計以及離線同步軟件的設計；最后通過設定測試場景對比分析了時間同步測試系統的同步報文開銷與同步精度；實驗測試結果表明，基于貪婪性廣播元組的層次型同步拓撲構建方法和基于高斯時延模型的時間偏差估計能夠以良好的能量有效性和較高的時間同步精度適用于WSN-TS應用場景。 通過研究面向交通監測的無線傳感器網絡時間同步的拓撲構建方法、時鐘偏差估計策略以及同步時鐘偏差融合模型，論文從能量有效性、同步精確性、同步能耗與精度的均衡性以及同步可擴展性四個方面解決了面向交通監測的WSN時間同步存在的若干關鍵問題。該研究成果對于實現面向交通監測的WSN時間同步應用具有重要的參考價值。
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【學位授予單位】：長安大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：U491.116

【參考文獻】

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本文編號：2356598