协同无线网络中分布式同步技术研究

本项目研究协同无线网络中的分布式同步理论和方法。协同通信中移动目标跟踪定位、MAC层协同调度、协同资源分配、时间敏感性数据融合、多用户协同分集接收以及分布式MIMO等关键技术的性能均与分布式节点间同步的性能有关，而协同无线网络中节点同步受到无线传播迟延、信道衰落和无中心动态拓扑结构的限制，难以直接利用已有的同步策略和方法。因此，本项目拟通过量化分析同步误差对协同技术的性能影响，借鉴无线网络理论、分布式智能控制理论、图论、博弈理论和先进信号处理方法的最新研究成果，建立无线分布式同步的静态和动态理论模型，针对不同协同技术研究适宜和稳定的同步策略和方法，进而研究移动网络动态拓扑的分布式同步和跟踪技术和异构网络协同无线资源管理中的同步方法。研究成果有助于提高协同无线网络的性能，推动协同无线通信技术发展，促进协同通信技术的工程化。

无线网络协作通信、联合资源规划、网络编码、时间敏感传感信息融合等近年来无线网络前沿研究多数依赖于网络的时钟同步。本课题围绕低能耗要求网络中的节点时钟同步展开研究，内容涵盖时钟同步理论和仿真建模，物理层和网络层分布式时钟同步、时钟分发算法和信号估计算法、动态拓扑网络时钟同步、极低功耗同步算法等。课题期间共完成论文36篇，其中SCI 检索论文4篇，EI检索10 篇，核心期刊论文18篇，国际会议论文3篇，获得两项国家发明专利和1项省级科技进步三等奖。取得了课题预期的理论研究成果。.网络物理层同步研究中:课题提出了包括具有全同步性能的分布式脉冲锁相环算法，满足对节点间频偏和相偏高精度同步的苛刻要求，并通过图论证明了算法在连通网络拓扑条件下的适用性；P_TPSN算法通过物理层分集提高了TPSN在网络层间时钟分发的精度，减少了层节点间往返时钟报文时延；在无线传感网络中采用基于锚节点的主动同步算法，极大降低标签节点的同步电路结构和功耗，采用两步法和斜升相关算法进一步降低了标签节点反馈报文功耗、同步收敛的时间，并具时钟同步跟踪能力，概率理论分析和仿真验证了算法的性能。.无线网络层的时钟同步也有分布式和基于分层拓扑的分发两种体制：课题提出两种基于分组的分布式时钟估计算法，简单平均算法和Kalman一致算法，前者的优势在于算法简单，无需估计信道状态信息，且理论证明了其收敛鲁棒性；后者除了具备快速的时钟误差跟踪能、动态拓扑下的时钟同步收敛能力之外，较大的贡献在于算法考虑了传播时延误差的影响，分布式收敛性不受传播时延影响。采用信号处理技术提高时钟分发性能、降低能耗的主要研究方向之一，课题针对现有Bayes时钟估计算法收敛慢、需要大量交换时钟报文的问题，采用TPSN给出初始估计，简化了Bayes时钟分发算法，提高了估计和分发效率；课题还提出了一种并发的双广播域同步算法，分发报文少一倍以上，降低报文功耗和信道占用；在降低时钟分发累积误差方面，通过似然信号处理、以及网络多层间时钟环回MTS分发算法，可以有效去除各节点发射端引入的随机误差，提高时钟分发精度；针对动态拓扑无线网络问题，动态生成树结构是课题提出的有效时钟分发方案。.除此之外，课题对同步相关问题也开展了探索性研究工作，包括无线传播特征估计、无线测距、自组织网络优化分簇时钟分发、WSN路由和资源管理等方面，取得了很好的成果。