基于振蕩器模型的多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步問(wèn)題研究-論文

1、項(xiàng)目名稱 基 于 振 蕩 器 模 型 的 多 跳 無(wú) 線 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 時(shí) 間 同 步 問(wèn) 題 研 究項(xiàng)目負(fù)責(zé)人（簽名）_所在學(xué)校（蓋章）_“研究類別”含義： 基礎(chǔ)研究：指為獲得關(guān)于現(xiàn)象和可觀察事實(shí)的基本原理及新知識(shí)而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)性和理論性工作，它不以任何專門或特定的應(yīng)用或使用為目的。 應(yīng)用研究：指為獲得新知識(shí)而進(jìn)行的創(chuàng)造性的研究，它主要是針對(duì)某一特定的實(shí)際目的或目標(biāo)。 試驗(yàn)發(fā)展：指利用從科學(xué)研究和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)中所獲得的現(xiàn)有知識(shí)、生產(chǎn)新材料、新產(chǎn)品、新裝置、新流程和新方法，或?qū)ΜF(xiàn)有的材料、產(chǎn)品、裝置、流程、方法進(jìn)行本質(zhì)性的改進(jìn)而進(jìn)行的系統(tǒng)性工作。 推廣應(yīng)用、科技服務(wù)：指與研究與發(fā)展活動(dòng)相關(guān)并有

2、助于科學(xué)技術(shù)知識(shí)的產(chǎn)生、傳播和應(yīng)用的活動(dòng)。研究項(xiàng)目項(xiàng)目名稱基于振蕩器模型的多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步問(wèn)題研究研究類別1.基礎(chǔ)研究 2.應(yīng)用研究 3.試驗(yàn)發(fā)展 4.推廣應(yīng)用 5.科技服務(wù)依托的一級(jí)學(xué)科 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)成果形式專利、論文起止時(shí)間 2014 年 5 月到 2016 年 4 月經(jīng)費(fèi)申請(qǐng)總額 1 萬(wàn)元其他經(jīng)費(fèi)及其來(lái)源無(wú)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人姓 名職 稱工作單位電子郵箱項(xiàng)除目負(fù)組責(zé)主人要外成五員名姓名職稱學(xué)位專業(yè)工作單位承擔(dān)任務(wù)本人簽名項(xiàng)目負(fù)責(zé)人近三年來(lái)承擔(dān)的研究項(xiàng)目項(xiàng)目名稱項(xiàng)目來(lái)源起止年月排名進(jìn)展基于普適計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)中間件的研究學(xué)科帶頭人學(xué)術(shù)攀登項(xiàng)目2013年9月-2016年6月3在研海運(yùn)集裝箱碼頭

3、調(diào)度方法的研究?？蒲谢?009年5月-2011年4月1結(jié)題程序設(shè)計(jì)類課程游戲化教學(xué)的深度實(shí)踐-以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程為例校教改課題2013年12月-2015年12月1在研大宗商品供應(yīng)鏈企業(yè)間知識(shí)共享博弈研究?？蒲谢?013年7月-2015年6月1在研一種無(wú)信標(biāo)結(jié)點(diǎn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法研究寧波市自然科學(xué)基金2013年8月-2015年6月4在研基于PKI的Zigbee網(wǎng)絡(luò)安全方案研究寧波市自然科學(xué)基金2013年7月-2015年4月4在研項(xiàng)目負(fù)責(zé)人為第一署名人的代表性成果成果名稱成果來(lái)源獲得時(shí)間排名等級(jí)基于耦合振蕩器模型的WSN時(shí)間同步算法-以ZigBee網(wǎng)絡(luò)以例論文2014年4月1鼓勵(lì)獎(jiǎng)Resear

4、ch on Application of Linkage Learning Mechanism of "Player-Learner" 論文2014年4月1鼓勵(lì)獎(jiǎng)Application on the partner selection of the concrete enterprise based on GAAA論文2012年4月1鼓勵(lì)獎(jiǎng)1 本項(xiàng)目研究意義及國(guó)內(nèi)外同類研究工作現(xiàn)狀（附主要參考文獻(xiàn)及出處）：研究意義： 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是聯(lián)系物理世界和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的橋梁，對(duì)物理世界的觀測(cè)必須建立在統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)度上，因此相對(duì)與通常的分布式系統(tǒng)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)間同步的需求尤為強(qiáng)烈

5、，可以說(shuō)時(shí)間同步是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)支撐技術(shù)。其在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合、MAC協(xié)議、測(cè)距定位等研究領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用。 2002年8月，Jeremy Elson和Kay Römer提出和闡述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的研究課題后1。不斷有新的時(shí)間同步協(xié)議被提出。這些時(shí)間同步協(xié)議基于節(jié)點(diǎn)間的包含時(shí)間信息的報(bào)文交換，力圖提高時(shí)戳信息的準(zhǔn)確性來(lái)提高時(shí)間同步的精度；力圖利用無(wú)線廣播特性來(lái)降低同步功耗。目前，單跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步協(xié)議已經(jīng)很成熟，同步誤差在Mica2平臺(tái)上已經(jīng)達(dá)到幾到十幾微秒的量級(jí)，同步功耗也較低，能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合的需要。然而，當(dāng)這些時(shí)間同步協(xié)議被擴(kuò)展到多跳網(wǎng)

6、絡(luò)時(shí)，經(jīng)典的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步算法通常是首先按照節(jié)點(diǎn)之間的通信連接關(guān)系建立起一定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，按照時(shí)間同步協(xié)議的約定，未同步節(jié)點(diǎn)和所選定的已同步節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)交換含時(shí)間信息的同步報(bào)文，從而間接地實(shí)現(xiàn)與時(shí)間基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)之間的同步。這種同步機(jī)制的特點(diǎn)在于：除時(shí)間基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)外，其余點(diǎn)并不能直接和時(shí)間基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)同步。傳統(tǒng)時(shí)間同步協(xié)議在體系結(jié)構(gòu)上的限制：節(jié)點(diǎn)不能直接和時(shí)間基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)同步而只能和與時(shí)間基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)存在同步誤差的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步，因此必將出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的同步誤差隨著其離時(shí)間基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)跳距(Hop Distance)的增加而增加的現(xiàn)象，即出現(xiàn)了同步誤差的累積。理論分析和一些實(shí)際實(shí)驗(yàn)表明：在

7、這些傳統(tǒng)的時(shí)間同步協(xié)議下，即使在最好的情況下，節(jié)點(diǎn)的同步誤差至少與其跳距的平方根成正2。隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，同步誤差累積問(wèn)題將越來(lái)越嚴(yán)重。一方面由于傳感器節(jié)點(diǎn)體積的不斷減小使得節(jié)點(diǎn)的單跳傳播距離可能減小，另一方面由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大使得網(wǎng)絡(luò)直徑不斷增加，這兩個(gè)因素均會(huì)導(dǎo)致平均節(jié)點(diǎn)跳距的增加，使得同步誤差的累積現(xiàn)象更加嚴(yán)重。這對(duì)大規(guī)模無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)3。傳統(tǒng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議還面臨著可擴(kuò)展性問(wèn)題的挑戰(zhàn)。它力圖建立起網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從而把網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)有機(jī)組織起來(lái)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小時(shí)，這是完全可行的，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)，由于無(wú)線傳輸?shù)牟环€(wěn)定性以及節(jié)點(diǎn)工作的動(dòng)態(tài)性，只有頻繁

8、地進(jìn)行拓?fù)涓虏拍芨櫷負(fù)涞淖兓?，一方面這對(duì)于本已非常有限的網(wǎng)絡(luò)帶寬和節(jié)點(diǎn)電能供應(yīng)來(lái)說(shuō)是不可想象的，另一方面把網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚S護(hù)的繁重工作交給時(shí)間同步協(xié)議來(lái)解決也并不合適。由于存在的上述問(wèn)題，近些年來(lái)，研究者們開(kāi)始尋找新的時(shí)間同步的思路和方法。而借鑒了螢火蟲、心肌細(xì)胞等生物同步現(xiàn)象的基于線性振蕩器模型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法逐漸引起了研究者們的注意。這種方法采用完全分布式的形式，節(jié)點(diǎn)之間僅通過(guò)簡(jiǎn)單的脈沖進(jìn)行耦合，因此具有較高的健壯性和可擴(kuò)展性?？梢灶A(yù)見(jiàn)，該方法的研究將把無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步推入一個(gè)新的研究階段。然而，傳統(tǒng)的線性振蕩器模型并不能直接應(yīng)用在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。例如，傳統(tǒng)的線性振蕩器模

9、型假設(shè)不存在傳輸和處理延遲，這顯然在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中是不現(xiàn)實(shí)的；再如，傳統(tǒng)的線性振蕩器模型假設(shè)任何節(jié)點(diǎn)間都存在著一定程度的耦合，而在多跳的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，這也是不現(xiàn)實(shí)的。本項(xiàng)目在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的背景下，旨在解決延遲、多跳拓?fù)湟蛩貙?duì)線性振蕩器模型所帶來(lái)的關(guān)鍵理論挑戰(zhàn)，以及相關(guān)的工程實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，推進(jìn)線性振蕩器模型在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際應(yīng)用，并為最終解決大規(guī)模無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步問(wèn)題打下堅(jiān)實(shí)的理論和工程基礎(chǔ)。通過(guò)本項(xiàng)目的實(shí)施，首先，可以從理論上解決線性振蕩器模型在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步應(yīng)用上的理論缺陷問(wèn)題，并為生物、物理等領(lǐng)域的同步問(wèn)題的研究提供有益的理論借鑒；其次，項(xiàng)目研究中建立的仿真模型和實(shí)

10、驗(yàn)平臺(tái)，可以為同領(lǐng)域在其他方向的研究提供有力的支持；最后，研制基于線性振蕩器模型的輕量級(jí)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步硬件設(shè)備，可以直接推進(jìn)本項(xiàng)目研究成果的實(shí)用化。國(guó)內(nèi)外同類研究工作現(xiàn)狀：1、經(jīng)典無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步算法 對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的研究已經(jīng)開(kāi)展，研究者們提出了許多方法對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行求解，這主要包括DMTS4，TPSN5，LTS6，RBS，F(xiàn)TSP7。等。下面對(duì)這些方法做簡(jiǎn)要的介紹。 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)同步最易于想到的方法為：發(fā)送者在同步報(bào)文中嵌入其本地時(shí)間，在接收到該報(bào)文后，接收者立即把自己的本地時(shí)間設(shè)置為嵌在該報(bào)文中的時(shí)間。但這種方法沒(méi)有考慮到報(bào)文的傳輸延遲。而DMTS（Delay Meas

11、urement Time Synchronization）協(xié)議在此方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮了報(bào)文的傳輸延遲，接收者測(cè)量報(bào)文的傳輸延遲，并將本地時(shí)間設(shè)置為報(bào)文傳輸延遲與發(fā)送時(shí)刻之和。DMTS同步協(xié)議沒(méi)有考慮傳播延遲、編解碼時(shí)間的影響，并且沒(méi)有對(duì)時(shí)鐘飄移進(jìn)行補(bǔ)償，同步精度不高。但通過(guò)單個(gè)的廣播報(bào)文，一次就可以同步廣播域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)，并且計(jì)算非常簡(jiǎn)單，是一種非常簡(jiǎn)單有效的同步協(xié)議。 DMTS同步協(xié)議簡(jiǎn)單，但同步精度不高，UCLA的NESL實(shí)驗(yàn)室的S.Ganeriwal認(rèn)為：傳統(tǒng)的發(fā)送者-接收者同步協(xié)議的同步精度較低的根源在于：基于單向報(bào)文所估算出的報(bào)文傳播延遲不夠精確。如果采用雙向報(bào)文，基于報(bào)文傳輸

12、的對(duì)稱性，有可能精確地計(jì)算出報(bào)文的傳輸延遲，因此能獲得高的同步精度。為此，他引入了NTP協(xié)議中的雙向報(bào)文交換協(xié)議，提出了TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks）協(xié)議。TPSN將NTP時(shí)間同步方法引入無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，相對(duì)DMTS獲得了較高的精度，但是其計(jì)算較為復(fù)雜，功耗較大。并且同步精度受到報(bào)文的傳輸延遲的影響，同時(shí)如果報(bào)文的雙向傳輸不對(duì)稱，同步精度也會(huì)受到影響。 LTS（Lightweight Tree-based Synchronization）同步算法是一種與TPSN非常類似的算法。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常只具有非常有限的計(jì)算資源，但是其并不要

13、求非常高的時(shí)間同步精度。針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的這一特點(diǎn)，LTS側(cè)重于降低時(shí)間同步的復(fù)雜度，在有限的計(jì)算代價(jià)下獲得合理的同步精度。LTS算法與TPSN協(xié)議的區(qū)別在于，LTS算法中節(jié)點(diǎn)只與自己的父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步，其同步次數(shù)是路徑長(zhǎng)度的線性函數(shù)，同時(shí)精度也隨路徑的長(zhǎng)度線性降低，即在降低計(jì)算代價(jià)的同時(shí)降低了同步精度。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳播介質(zhì)是無(wú)線信道，能否利用無(wú)線信道的廣播特性設(shè)計(jì)相關(guān)的時(shí)間同步算法呢？RBS（Reference Broadcast Synchronization）算法就是利用無(wú)線信道廣播特性進(jìn)行同步的算法。與TPSN協(xié)議不同，RBS協(xié)議不是去同步報(bào)文的收發(fā)雙方，而是去同步報(bào)文的多個(gè)

14、接收者，也即接收者-接收者同步機(jī)制。RBS算法認(rèn)為：發(fā)送者-接收者同步機(jī)制的同步關(guān)鍵路徑為從發(fā)送方到接收方。關(guān)鍵路徑過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致傳輸延遲不確定性的增加，因此同步精度不可能很高。接收者-接收者同步機(jī)制的關(guān)鍵路徑大為縮短，完全排除了發(fā)送時(shí)間和訪問(wèn)時(shí)間的影響。實(shí)驗(yàn)表明，RBS在Mica2上達(dá)到了31.7微秒的同步精度。 作為典型的發(fā)送者-接收者同步算法，TPSN認(rèn)為：若能精確地估計(jì)出報(bào)文傳輸延遲，這種方法將能夠取得很高的精度。然而僅根據(jù)單個(gè)報(bào)文的傳輸很難準(zhǔn)確地估計(jì)出傳輸延遲，因此，TPSN采用了雙向報(bào)文來(lái)估計(jì)傳輸延遲，在Mica2上達(dá)到了17.3微秒的同步精度。 FTSP（Flooding Time

15、Synchronization Protocol）屬于發(fā)送者-接收者協(xié)議，因此發(fā)送者基于MAC層時(shí)間戳技術(shù)在報(bào)文中嵌入發(fā)送時(shí)刻，而接收者也在MAC層記錄下接收時(shí)刻。和其它發(fā)送者-接收者同步協(xié)議不同，在FTSP協(xié)議中，發(fā)送者在發(fā)送一個(gè)報(bào)文時(shí)連續(xù)標(biāo)記了多個(gè)時(shí)間戳。根據(jù)這多個(gè)時(shí)間戳，接收者可以估計(jì)出中斷等待時(shí)間。接收者根據(jù)估計(jì)出的中斷等待時(shí)間信息以及靜態(tài)設(shè)定的編解碼時(shí)間對(duì)接收時(shí)間戳進(jìn)行補(bǔ)償，從而得到更精確的同步點(diǎn)。如同RBS協(xié)議一樣，F(xiàn)TSP協(xié)議基于速率恒定模型對(duì)節(jié)點(diǎn)間時(shí)鐘飄移進(jìn)行了補(bǔ)償，補(bǔ)償方法仍然采用了最小二乘法。FTSP協(xié)議具有同步精度高，協(xié)議非常健壯，工程實(shí)用性很強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 國(guó)內(nèi)研究者對(duì)時(shí)間

16、同步算法也進(jìn)行了深入的研究。包括： 王汝傳等8對(duì)RBS算法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種改進(jìn)的時(shí)間同步算法IRBS(Improved References Broadcast Synchronization)。該方法對(duì)每個(gè)接收節(jié)點(diǎn)的時(shí)間值利用最小平方線性回歸方法進(jìn)行估計(jì)，分析出同一節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)時(shí)鐘誤差并進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)仿真表明該方法算法能夠縮小時(shí)間誤差，有效提高時(shí)間同步的精度。劉海濤等9提出將擴(kuò)散機(jī)制引入FTSP算法，提出了一種基于擴(kuò)散機(jī)制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議DTSP。該協(xié)議同時(shí)利用了容錯(cuò)、時(shí)分等策略，在保證同步精度前提下提高了協(xié)議的健壯性。 徐朝農(nóng)等10針對(duì)TPSN的非同步期內(nèi)由于節(jié)點(diǎn)間存在時(shí)鐘

17、飄移所造成的失步情況，提出在非同步期內(nèi)對(duì)時(shí)鐘飄移進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償。即估算出了直接相鄰節(jié)點(diǎn)間的晶振頻率偏差，然后通過(guò)迭代公式計(jì)算得到與時(shí)間基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)間的晶振頻率偏差，并進(jìn)行補(bǔ)償。應(yīng)用此方法可設(shè)計(jì)的高精度、強(qiáng)可擴(kuò)展性、低能耗的時(shí)間同步協(xié)議。實(shí)驗(yàn)表明，單跳平均同步誤差在Mica2上小于10微秒。 王福豹等11-13提出一種嵌入路由報(bào)頭的低功耗時(shí)間同步算法，該算法將時(shí)間同步集成到消息的路由報(bào)頭中，通過(guò)在發(fā)送和接收端在路由消息上加蓋精確的時(shí)間戳實(shí)現(xiàn)同步，從而消除了周期性時(shí)間同步消息的傳輸,減小了能量開(kāi)銷。 近些年提出的算法還包括，皇甫偉14等的網(wǎng)時(shí)間同步算法FTS，吳成偉等15的比對(duì)廣播時(shí)間同步算法PBTS

18、，周新蓮等16的基于簇型的多跳時(shí)間同步算法CBTS，齊望東等17的輕量級(jí)安全時(shí)間同步協(xié)議LiteST，屈玉貴等18的能量高效的時(shí)間同步算法EETS。2、基于耦合振蕩器同步模型如前文所述，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)典時(shí)間同步算法，無(wú)法應(yīng)對(duì)同步誤差累積和可擴(kuò)展性的問(wèn)題。近些年來(lái)，研究者們開(kāi)始尋找新的時(shí)間同步的思路和方法。而螢火蟲同步這一古老的生物同步現(xiàn)象逐漸又被大家重視起來(lái)。互相臨近的螢火蟲能夠調(diào)整為同步閃爍，這是一種非常奇妙的生物現(xiàn)象。早在上世紀(jì)初，很多學(xué)者就在Science上發(fā)文，對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行了討論。Smith 1935年的文章19對(duì)東南亞的螢火蟲同步閃爍現(xiàn)象進(jìn)行了生動(dòng)詳細(xì)的描述，文中描述了在泰國(guó)的湄公

19、河延綿十幾英里的河岸邊的樹(shù)上，幾乎每篇樹(shù)葉上都棲息著近乎完美同步閃爍的螢火蟲。這一現(xiàn)象引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注，科學(xué)家們紛紛對(duì)此展開(kāi)研究。早在1915年Blair就觀察到了這一現(xiàn)象并試圖對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行解釋20，他把螢火蟲類比為充電電池每次閃爍暫時(shí)性的將電池的電能耗光，而電池經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的充電之后又可以進(jìn)行下一次的閃爍。同時(shí)，每次閃爍都會(huì)對(duì)其它電池的放電產(chǎn)生影響，最終使得所有的螢火蟲同步的閃爍。Richmond提出了類似的假設(shè)，如果某個(gè)螢火蟲將要閃爍的時(shí)候看到了其他螢火蟲的閃爍，它將會(huì)提前閃爍21。Buck夫婦就是早期研究這一現(xiàn)象的著名學(xué)者，他們?cè)缙诤现囊幌盗形恼?2-24對(duì)此現(xiàn)象以及其他學(xué)者對(duì)

20、此現(xiàn)象的解釋進(jìn)行了歸納總結(jié)，但這些解釋和總結(jié)均只停留在文字描述的層面上，并沒(méi)有建立數(shù)學(xué)模型。而在文22發(fā)表50年之后，John Buck又再次撰文25對(duì)50年中相關(guān)研究進(jìn)行了總結(jié)，并給出了Phase-Advance和Phase-Delay兩種同步模型。在Phase-Advance模型中，他定義了“l(fā)ate sensitivity window”，即接近螢火蟲閃爍時(shí)刻的一個(gè)時(shí)間段，他認(rèn)為如果螢火蟲在“l(fā)ate sensitivity window”中受到光刺激（即其它螢火蟲的閃爍），將立即閃爍。盡管Phase-Advance模型對(duì)螢火蟲的同步閃爍現(xiàn)象給出了一個(gè)較好的解釋，但是螢火蟲之間的相互作用

21、（通常稱為“耦合”）別限制在“l(fā)ate sensitivity window”中。Peskin將耦合作用拓展到螢火蟲閃爍周期的任意時(shí)刻。在他1975出版的書中26，Peskin針對(duì)心肌細(xì)胞同步跳動(dòng)提出了一種線性振蕩器模型。他把互同步系統(tǒng)建模成許多互相耦合的相同的振蕩器的集合，每個(gè)振蕩器由一個(gè)狀態(tài)變量描述，滿足：其中和是振蕩器的固有屬性。當(dāng)時(shí)，振蕩器激發(fā)，并回到狀態(tài)，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)與其它振蕩器之間的電耦合，從而把其它振蕩器的狀態(tài)提升一個(gè)很小的增量，稱為耦合強(qiáng)度。而正是這種耦合的作用，使得振蕩器的狀態(tài)趨于相同，最終達(dá)到同時(shí)放電狀態(tài)。根據(jù)上述模型，Peskin提出了兩點(diǎn)假設(shè)：1)對(duì)任意初始狀態(tài)，系統(tǒng)總能

22、達(dá)到同步狀態(tài)；2)即使每個(gè)振蕩器結(jié)構(gòu)不同，系統(tǒng)最終也會(huì)達(dá)到同步。但是當(dāng)他試圖證明他的假設(shè)的時(shí)候，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)并沒(méi)有現(xiàn)成的數(shù)學(xué)工具可以求解這類系統(tǒng)。因此，他退而證明兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)的振蕩器具有同步收斂性這一最簡(jiǎn)單的情況，同時(shí)他還問(wèn)題限制在很小的和，在此最簡(jiǎn)單的情況下，Peskin證明了兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)的耦合振蕩器具有同步收斂性。1990年，Mirollo和Strogatz在Peskin模型的基礎(chǔ)上提出一種更加一般化的線性振蕩器模型（后簡(jiǎn)稱為M&S模型）27，在此模型中，振蕩器也使用狀態(tài)變量來(lái)描述，的變化服從函數(shù)，其中是一個(gè)0,1到0,1上的光滑單調(diào)遞增上凸函數(shù)，是相位變量且滿足(是同步周期)。Mi

23、rollo和Strogatz從理論上證明了此模型下多個(gè)耦合振蕩器系統(tǒng)在幾乎所有的初始情況下都能夠達(dá)到同步?？v觀線性振蕩器同步模型的研究，研究的主體從生物學(xué)家到數(shù)學(xué)家、物流學(xué)家進(jìn)而轉(zhuǎn)移到計(jì)算機(jī)學(xué)家。今年來(lái)，將這一機(jī)制應(yīng)用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究又使得該同步模型的研究成為熱點(diǎn)。M&S模型雖然很好的解釋了螢火蟲同步現(xiàn)象，但是其很多理想的假設(shè)在實(shí)際應(yīng)用中難以保證，因此將其直接用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的同步還存在不少問(wèn)題。首先，這些模型都是基于即時(shí)耦合的，即脈沖的傳播是即時(shí)的、沒(méi)有延遲的，而無(wú)線通信傳輸延遲是無(wú)法避免的。Ernst等28, 29對(duì)具有延遲的兩個(gè)振蕩器之間的同步進(jìn)行了數(shù)學(xué)分析，并對(duì)具有延遲

24、的多振蕩器系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。他們得出的結(jié)論是，如果采用負(fù)耦合（inhibitory couping，即），系統(tǒng)仍然能夠達(dá)到同步。其次，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，特別是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通常是多跳網(wǎng)絡(luò)，因此M&S模型的全互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟蚕拗屏四Ｐ蛻?yīng)用范圍。Dennis和Wang30證明了M&S模型在只允許鄰居通信的前提下仍然能夠達(dá)到同步。相關(guān)工作的綜述可以參考Simeome等的文章31。最后，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)通常采用廉價(jià)的單片機(jī)作為其處理器，因此無(wú)法處理M&S模型的非線性的狀態(tài)函數(shù)。Werner-Allen等針對(duì)這一情況使用了一階泰勒展開(kāi)進(jìn)行了近似。我們?cè)谠摲较蛞呀?jīng)提出了一種采用線性狀態(tài)函數(shù)的

25、非漏電線性振蕩器模型，并證明了該模型在幾乎所有的條件下都能達(dá)到同步。為進(jìn)一步的深入研究打下了一定的先期研究基礎(chǔ)。1Elson J, Romer K. Wireless Sensor Networks: A New Regime for Time Synchronization J. SIGCOMM Comput Commun Rev, 2003, 33(1): 149-154.2Elson J, Girod L, Estrin D. Fine-grained Network Time Synchronization Using Reference Broadcasts. J. ACM SIGO

26、PS Operating Systems Review, 2002, 36(SI): 147-163.3徐朝農(nóng), 徐勇軍, 李曉維. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步新技術(shù) J. 計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展, 2008, 45(1): 138-145.4Ping S. Delay Measurement Time Synchronization for Wireless Sensor Networks. IRB-TR-03-013 R: Intel Research, 2003.5Saurabh G, Ram K, Mani B S. Timing-sync Protocol for Sensor Network

27、s. Proceedings of the 1st international conference on Embedded networked sensor systems, Los Angeles, California, USA C. ACM, 2003: 138-149.6Jana Van G, Jan R. Lightweight time synchronization for sensor networks. Proceedings of the 2nd ACM international conference on Wireless sensor networks and ap

28、plications, San Diego, CA, USA C. ACM, 2003: 11-19.7Mikl, S M, Ti, et al. The Flooding Time Synchronization Protocol. Proceedings of the 2nd International Conference on Embedded Networked Sensor Systems, Baltimore, MD, USA C. ACM, 2004: 138-149.8李文鋒, 王汝傳, 孫力娟. 基于RBS的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步算法 J. 通信學(xué)報(bào), 2008, 29(6

29、): 82-86.9孫德云, 沈杰, 劉海濤. 基于擴(kuò)散機(jī)制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議 J. 通信學(xué)報(bào), 2008, 29(11): 41-49.10徐朝農(nóng), 趙磊, 徐勇軍, et al. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議的改進(jìn)策略 J. 計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào), 2007, 30(4): 514-523.11任豐原, 董思穎, 何滔, et al. 基于鎖相環(huán)的時(shí)間同步機(jī)制與算法 J. 軟件學(xué)報(bào), 2007, 18(2): 372-380.12李連, 孫利民, 樊孝忠. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于概率分發(fā)的時(shí)間同步協(xié)議 J. 北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 31(5): 57-60.13王喆, 王福豹, 陳振華.

30、 嵌入路由報(bào)頭的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步算法 J. 計(jì)算機(jī)工程, 2009, 35(1): 132-134.14皇甫偉, 周新運(yùn), 陳燦峰. 基于多層抽樣反饋的傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步算法 J. 通信學(xué)報(bào), 2009, 30(3): 59-65.15吳成偉, 黃文君. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)比對(duì)廣播時(shí)間同步算法 J. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào), 2009, 22(12): 1789-1794.16周新蓮, 黃力. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中多跳時(shí)間同步算法的研究 J. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用, 2009, 45(27): 102-104.17尹香蘭, 齊望東. LiteST:一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)輕量級(jí)安全時(shí)間同步協(xié)議 J. 通信學(xué)報(bào), 2

31、009, 30(4): 74-85.18楊春明, 屈玉貴. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中能量高效的時(shí)間同步算法 J. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 39(5): 532-539.19Smith H M. Synchronous Flashing of Fireflies J. Science, 1935, 82(2120): 151-152.20Blair K G. Luminous Insects J. Nature, 1915, 96(2406): 411-415.21Richmond C A. Fireflies Flashing in Unison J. Science, 1930, 71(

32、1847): 537-538.22Buck J B. Synchronous Rhythmic Flashing of Fireflies J. The Quarterly Review of Biology, 1938, 13(3): 301-314.23Buck J, Buck E. Biology of Synchronous Flashing of Fireflies J. Nature, 1966, 211(5049): 562-564.24Buck J, Buck E. Mechanism of Rhythmic Synchronous Flashing of Fireflies

33、J. Science, 1968, 159(3821): 1319-1327.25Buck J. Synchronous Rhythmic Flashing of Fireflies. II J. The Quarterly Review of Biology, 1988, 63(3): 265-289.26Peskin C S. Self-Synchronization of the Cardiac Pacemaker M. Mathematical Aspects of Heart Physiology. New York; New York University. 1975: 268-2

34、78.27Mirollo R E, Strogatz S H. Synchronization of Pulse-Coupled Biological Oscillators J. SIAM Journal on Applied Mathematics, 1990, 50(6): 1645-1662.28Ernst U, Pawelzik K, Geisel T. Synchronization Induced by Temporal Delays in Pulse-Coupled Oscillators J. Physical Review Letters, 1995, 74(9): 157

35、0-1573.29Ernst U, Pawelzik K, Geisel T. Delay-induced multistable synchronization of biological oscillators J. Physical Review E, 1998, 57(2): 2150-2162.30Dennis L, Wang I J. Decentralized Synchronization Protocols with Nearest Neighbor Communication. Proceedings of the 2nd international conference

36、on Embedded networked sensor systems, Baltimore, MD, USA C. ACM, 2004: 62-68.31Simeone O, Spagnolini U, Bar-Ness Y, et al. Distributed Synchronization in Wireless Networks J. IEEE Signal Processing Magazine, 2008, 25(5): 81-97.2 主要研究?jī)?nèi)容、目標(biāo)、方案和進(jìn)度及擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題：研究目標(biāo)：本項(xiàng)目在真實(shí)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，分析傳統(tǒng)振蕩器模型存在的缺點(diǎn)，建立適合無(wú)線傳感

37、器網(wǎng)絡(luò)的基于脈沖耦合振蕩器的時(shí)間同步算法，其特點(diǎn)為：充分考慮了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算能力弱、頻率存在差異、通信延遲不確定、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥儎?dòng)因素，具有計(jì)算量小、可擴(kuò)展性好、魯棒性強(qiáng)；將該算法在測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，根據(jù)測(cè)試平臺(tái)中各個(gè)參數(shù)對(duì)同步的影響程度的差異，對(duì)協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化已獲得最佳的精度。脈沖耦合振蕩器是目前對(duì)自然界生物同步現(xiàn)象的最有效的模型，其算法存儲(chǔ)量和計(jì)算量小，可擴(kuò)展性好，非常適合于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，可能是未來(lái)的發(fā)展方向。然而，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)存在的傳輸和處理延遲、多跳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥@兩個(gè)因素在脈沖耦合振蕩器模型中并沒(méi)有被考慮，因此仍存在不足。該項(xiàng)目在已有的脈沖耦合振蕩器模型的基礎(chǔ)上，考慮上述兩個(gè)因素，建立基

38、于線性振蕩器的時(shí)間同步模型。本項(xiàng)目在真實(shí)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，分析傳統(tǒng)振蕩器模型存在的缺點(diǎn)，建立適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于線性振蕩器的時(shí)間同步算法。其特點(diǎn)為：充分考慮了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算能力弱、頻率存在差異、通信延遲不確定、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥儎?dòng)因素，具有計(jì)算量小、可擴(kuò)展性好、魯棒性強(qiáng)；將該算法在測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，根據(jù)測(cè)試平臺(tái)中各個(gè)參數(shù)對(duì)同步的影響程度的差異，對(duì)協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化已獲得最佳的精度。 研究?jī)?nèi)容： 1、建立一種基于線性振蕩器模型的時(shí)間同步模型 基于線性振蕩器模型的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步研究的新方法。其通信模型、通信方式與傳統(tǒng)方法有著較大的差別，因此首先建立起一種基于線

39、性振蕩器模型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步模型是本項(xiàng)目的首要研究?jī)?nèi)容，也是本項(xiàng)目后續(xù)研究的基礎(chǔ)。2、在傳統(tǒng)模型中引入傳播和處理延遲因素，研究其對(duì)模型同步的影響傳統(tǒng)的線性振蕩器模型一個(gè)最重要的假設(shè)為不存在報(bào)文的傳播和處理延遲。然而，傳播和處理延遲普遍地存在于無(wú)線通信中，該因素不僅是影響時(shí)間同步精度的重要因素，而且可能會(huì)影響振蕩器的同步收斂。因此，在線性振蕩器模型中加入報(bào)文的傳播和處理延遲因素，是基于線性振蕩器模型的時(shí)間同步算法在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中得到應(yīng)用的先決條件。 3、在傳統(tǒng)模型中引入多跳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟蛩兀芯科鋵?duì)模型同步的影響傳統(tǒng)的線性振蕩器模型一個(gè)最重要的假設(shè)為單跳網(wǎng)絡(luò)，換句話說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)中的任一個(gè)節(jié)點(diǎn)都

40、可以和其他節(jié)點(diǎn)直接通信?，F(xiàn)有的基于多跳網(wǎng)絡(luò)的線性振蕩器同步模型，也是在假設(shè)節(jié)點(diǎn)間耦合強(qiáng)度趨向于0的假設(shè)下，證明其收斂性的。顯然，這個(gè)假設(shè)因素不僅是影響時(shí)間同步精度的重要因素，而且可能會(huì)影響在多跳網(wǎng)絡(luò)條件下振蕩器的收斂性。因此，在線性振蕩器模型中多跳網(wǎng)絡(luò)因素是基于線性振蕩器模型的時(shí)間同步算法得到應(yīng)用的重要條件。4、在傳統(tǒng)模型中引入頻率差異因素，研究其對(duì)模型同步的影響眾所周知，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的計(jì)數(shù)器受晶體振蕩器驅(qū)動(dòng)，受到制造工藝和工作環(huán)境的影響 (溫度, 電壓等), 不同節(jié)點(diǎn)的晶振頻率總存在偏差, 而晶體振蕩頻率偏差又使得節(jié)點(diǎn)間的計(jì)時(shí)速率不一致, 即使節(jié)點(diǎn)在某一時(shí)刻實(shí)現(xiàn)了同步, 也會(huì)出現(xiàn)時(shí)間偏

41、移。然而振蕩器模型并沒(méi)有考慮頻率對(duì)模型同步的影響，本項(xiàng)目在傳統(tǒng)振蕩器的基礎(chǔ)上，分析頻率差異對(duì)模型同步的影響，建立一種頻率互異的線性振蕩器同步模型。5、設(shè)計(jì)基于線性振蕩器模型的時(shí)間同步算法，并在測(cè)試平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)依據(jù)所研究出的線性振蕩器模型，設(shè)計(jì)適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于線性振蕩器的多跳時(shí)間同步算法，并且在測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)；根據(jù)模型中各個(gè)參數(shù)對(duì)同步的影響程度的差異，對(duì)協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化以獲得最佳的精度。關(guān)鍵問(wèn)題： 1、分別考慮延遲和多跳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錀l件下，線性振蕩器模型的同步性證明提出一種適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的線性振蕩器模型并證明其同步性是本項(xiàng)目的首要任務(wù)，也是設(shè)計(jì)同步算法的基礎(chǔ)。然而，正如前文所述，現(xiàn)有的線性

42、振蕩器模型并不適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，因此需要針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性，分別考慮延遲和多跳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬蓚€(gè)因素，設(shè)計(jì)相應(yīng)的振蕩器動(dòng)態(tài)特性函數(shù)，并討論模型能夠達(dá)到同步所需要滿足的條件，再次基礎(chǔ)上對(duì)其同步性進(jìn)行證明。這是本項(xiàng)目要解決的首要問(wèn)題。2、綜合考慮延遲和多跳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臈l件下，線性振蕩器模型的同步性證明延遲和多跳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫怯绊憘鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的兩個(gè)重要因素，上一個(gè)研究點(diǎn)分別考慮延遲和多跳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟蛩叵?，也即假設(shè)這兩個(gè)條件不互相沖突，線性振蕩器模型的同步性。然而，延遲和多跳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥@兩個(gè)因素的聯(lián)合作用，會(huì)對(duì)線性振蕩器模型的同步性產(chǎn)生何種影響，這是本項(xiàng)目需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。3、研究在頻率差異情況下，

43、線性振蕩器模型的同步性證明經(jīng)典的Peskin模型26的第二個(gè)假設(shè)“即使每個(gè)振蕩器并不相同，系統(tǒng)最終也會(huì)達(dá)到同步”也是針對(duì)頻率的差異而進(jìn)行的猜想。然而頻率的差異對(duì)耦合振蕩器模型卻沒(méi)有真正考慮過(guò)。正由于振蕩器的頻率之間存在差異，因此無(wú)法保證同步了的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)任意時(shí)刻相位相同。針對(duì)這一情況，需要研究在頻率差異情況下，對(duì)線性振蕩器模型的同步性證明。4、晶振頻率模型和數(shù)據(jù)傳輸延遲模型的建立當(dāng)前，對(duì)時(shí)間同步算法仿真的難度在于沒(méi)有建立無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上晶振以及節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸延遲的模型。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常采用廉價(jià)的晶振，因此存在一定的時(shí)鐘漂移，要建立準(zhǔn)確的晶振頻率模型就必須對(duì)其時(shí)鐘漂移進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，測(cè)量

44、方法以及誤差處理方法都是要研究的重要問(wèn)題。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的通信，存在著發(fā)送、接收、編碼、解碼、傳播等一系列延遲，對(duì)這些延遲進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量和統(tǒng)計(jì)，是建立晶振頻率模型和數(shù)據(jù)傳輸延遲模型的必要工作。5、探索硬件脈沖耦合的媒介和實(shí)現(xiàn)方式基于物理脈沖耦合來(lái)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行同步最大的困難在于尋找一種合適的脈沖耦合的媒介。光耦合方式在光線較強(qiáng)時(shí)（如白天）非常容易受到環(huán)境的干擾，而采用射頻電波進(jìn)行耦合，可能會(huì)受到正常通信電波的干擾。具體的媒質(zhì)方式選擇還需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。另外，研究如何將這種硬件裝置與WSN節(jié)點(diǎn)連接，設(shè)計(jì)靈活可靠的接口，并且將這種周期性的耦合脈沖轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘值，也是本項(xiàng)目的難

45、度之一。研究方案：首先建立線性振蕩器模型，基于此模型分別研究延遲和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?duì)模型的影響，并對(duì)模型的同步性進(jìn)行證明。同時(shí)，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)仿真程序，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)。在完成理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)之后，在測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)量同步誤差并進(jìn)行分析。下面分別介紹每一部分?jǐn)M采取的技術(shù)方案：1、建立線性振蕩器模型1999年P(guān)eskin在M&S模型的基礎(chǔ)上提出了耦合振蕩器模型。即對(duì)M&S模型中的，令，且，可以得到。對(duì)此微分方程兩邊進(jìn)行積分可得。令為周期，為相位變量，則可得Peskin模型 前期工作采用了正耦合即耦合強(qiáng)度，并在此前提下證明了系統(tǒng)的同步性。但是有研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于M&S模型，正耦

46、合在存在延遲的情況下系統(tǒng)無(wú)法達(dá)到穩(wěn)定的同步狀態(tài)，而在負(fù)耦合的情況下，某些初始條件可以達(dá)到同步狀態(tài)。因此，考慮將負(fù)耦合引入模型，建立基于負(fù)耦合的非漏電線性振蕩器模型。然后使用正耦合的同步證明方法，推導(dǎo)模型達(dá)到同步需要滿足的條件。并證明兩個(gè)振蕩器組成的系統(tǒng)能夠達(dá)到同步，具體利用M&S模型中所提出的“激發(fā)映射”和“回歸映射”方法，證明回歸映射函數(shù)總是趨向于0或者1。最后，在兩個(gè)振蕩器系統(tǒng)同步證明的基礎(chǔ)上推導(dǎo)任意多個(gè)振蕩器組成的系統(tǒng)的同步條件，并證明同步條件的可滿足性。 2、 分析延遲對(duì)同步的影響研究延遲對(duì)線性振蕩器模型同步的影響，首先要考慮延遲的線性振蕩器模型，即加入傳播延遲參數(shù)。假設(shè)耦合脈

47、沖經(jīng)過(guò)時(shí)間后到達(dá)接收者，則對(duì)于兩個(gè)振蕩器的同步問(wèn)題來(lái)說(shuō)，的引入加大了分析的難度。這是由于在加入了后，使我們?cè)诜治龌貧w映射（即連續(xù)兩次某振蕩器激發(fā)的時(shí)候另一個(gè)振蕩器的相位）的時(shí)候必須考慮振蕩器初始相位與的大小關(guān)系。我們的設(shè)想是：在、和這三個(gè)區(qū)間里分別討論，而在每個(gè)區(qū)間內(nèi)根據(jù)耦合強(qiáng)度和相位的大小再次劃分出子區(qū)間。區(qū)間劃分好之后，分別對(duì)其進(jìn)行編號(hào)，然后分析每一種區(qū)間的回歸映射函數(shù)，并根據(jù)回歸映射函數(shù)判斷其下一個(gè)狀態(tài)將會(huì)轉(zhuǎn)移到哪個(gè)子區(qū)間中去。在得到所有的子區(qū)間和轉(zhuǎn)換關(guān)系之后，根據(jù)這種關(guān)系構(gòu)建狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，即有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)。如果這個(gè)有限狀態(tài)機(jī)中每個(gè)狀態(tài)都能轉(zhuǎn)化到最終的同步狀態(tài)，則系統(tǒng)的同步性得到了證明。對(duì)

48、于多個(gè)振蕩器，由于狀態(tài)太多，因此使用上述自動(dòng)機(jī)的方法進(jìn)行理論分析難度過(guò)高。擬采取仿真的方式對(duì)模型的同步性進(jìn)行研究。即對(duì)振蕩器的個(gè)數(shù)和周期、耦合強(qiáng)度、傳輸延遲等參數(shù)在一定范圍內(nèi)分別仿真，每次仿真隨機(jī)產(chǎn)生振蕩器的初始狀態(tài)，然后按照模型的參數(shù)進(jìn)行演化，同時(shí)繪制振蕩器狀態(tài)隨時(shí)間變化的狀態(tài)圖，通過(guò)每輪所有節(jié)點(diǎn)時(shí)間值的均方差以及狀態(tài)圖來(lái)分析系統(tǒng)的同步情況。3、分析網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?duì)同步的影響研究網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?duì)同步的影響，首先需要在模型中體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系，令為與節(jié)點(diǎn)相鄰的節(jié)點(diǎn)組成的集合，則節(jié)點(diǎn)的耦合方式為：,其中，為振蕩器和的連通性矩陣（如果振蕩器和連通，否則），為耦合強(qiáng)度。即振蕩器的相位為1時(shí)激發(fā)，同時(shí)振蕩器的相位增

49、加一個(gè)增量，如果增加之后超過(guò)1，則其也被激發(fā)。增量為振蕩器耦合強(qiáng)度與連通性矩陣對(duì)應(yīng)元素的乘積。要證明上述情況下系統(tǒng)能夠達(dá)到同步的一種思路是，構(gòu)造相位的一個(gè)微分方程，將某節(jié)點(diǎn)與相鄰節(jié)點(diǎn)的相位差作為參數(shù)，并證明耦合的過(guò)程將導(dǎo)致相位差趨向于某常量。4、在測(cè)試平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)基于上述模型的無(wú)線傳感器網(wǎng)路時(shí)間同步算法由于時(shí)間同步的實(shí)時(shí)性要求高，因此必須建立起準(zhǔn)確的時(shí)鐘誤差機(jī)制。由于測(cè)試平臺(tái)的節(jié)點(diǎn)的主處理器Atmega128L的外部中斷引腳具有“自中斷”功能，即當(dāng)外部中斷輸入引腳被配置為中斷輸入時(shí)，仍可以由軟件強(qiáng)制在該引腳上輸出任意電平，并且當(dāng)輸出電平滿足中斷觸發(fā)條件時(shí)，還會(huì)觸發(fā)該外部中斷。因此，將所有節(jié)點(diǎn)的中

50、斷輸入引腳連接在一起，并讓其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)在需要測(cè)量時(shí)鐘偏移時(shí)主動(dòng)輸出一個(gè)觸發(fā)脈沖，則該觸發(fā)脈沖將會(huì)同時(shí)觸發(fā)這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的外部中斷。通過(guò)在外部中斷服務(wù)程序中記錄下節(jié)點(diǎn)此時(shí)的本地時(shí)刻并通過(guò)串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊送入測(cè)試平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)中保存，用作事后分析。通過(guò)這種機(jī)制，可以準(zhǔn)確的獲知節(jié)點(diǎn)間的相對(duì)時(shí)鐘偏移。實(shí)現(xiàn)的主要工作是將理論模型中的各種參數(shù)映射到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際環(huán)境中去。首先是相位參數(shù)，由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常采用計(jì)數(shù)器作為時(shí)鐘，因此必須將相位由區(qū)間離散化到整數(shù)區(qū)間上；其次是耦合參數(shù)，考慮使用節(jié)點(diǎn)間的射頻信號(hào)或者數(shù)據(jù)包的傳輸作為模型中的耦合；最后還要考慮延遲和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞谋硎尽Ａ硗?，由?shí)際算法設(shè)計(jì)所引入的新參數(shù)也需要對(duì)原模型進(jìn)行必要的修正以及同步性證明，以保證算法的可靠性。研究進(jìn)度：1、2014.5.1-2014.7.31 全面調(diào)研國(guó)內(nèi)WSN研究最新進(jìn)展，深入調(diào)研現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外WSN環(huán)境下時(shí)間同步方法的研究情況，整理出國(guó)內(nèi)外WSN時(shí)間同步方面的研究報(bào)告。2、2014.8.1-2014.10.31 研究基于線性振蕩器模型的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步機(jī)制，構(gòu)建耦合振蕩器時(shí)鐘同步模型。3、2014.11.1-2015.1.31 研究頻率差異對(duì)同步的影響，構(gòu)建基于頻率互異的線性振