复杂环境下能量有效的无线传感器网络时间同步精度研究

By means of  statistical signal processing, this project is a research on accuracy of energy-efficient time synchronization of wireless sensor network, which, on the basis of major features of network, involve such parameters as signal noise, energy consumption, synchronous protocol and energy efficiency. In the project, a model of time signal delay is to be designed firstly, which is meant to abate or even eliminate noises together with processing of node hardware. Secondly, causes of energy consumption especially that in communication and calculation are to be analyzed so as to accordingly find ways of reduction. Thirdly, with a view to reduce accumulation of error, a highly adaptive synchronization link is proposed, which depends on the wide range of alternatives offered by dynamic links instead of the relatively simple one used in the present protocol. In addition, improved reference broadcast synchronization with appropriate protocol and algorithm is also employed to raise the energy efficiency. The project is practical in achieving the accuracy of time synchronization in complex situations and can be popularized as well in data processing and fusion, node localization and tracking of wireless sensor network.

本项目从统计信号处理的角度出发，研究在复杂环境下各种提高能量有效的无线传感器网络时间同步精度。以无线传感器网络特征为主线，分别研究信号噪声、能量消耗、同步协议、能量有效等方面对时间同步精度影响的机理。为实现高性能的时间同步精度目标，首先拟构建时间信号延迟模型，通过信号延迟建模和节点硬件处理来减弱或消除网络噪声；然后分析产生能耗的各种因素，重点研究节点的通信能耗和计算能耗以降低整个网络能耗；为避免现有的同步协议采用简单的传递式逻辑，根据动态路径列表提供的可选路径，选择一条最适合当前同步要求的同步链路来降低误差积累；最后采用改进的高效能参考广播时间同步算法以提高能量使用效率。本项目着重研究复杂环境下能量有效的参考广播时间同步协议和算法，以达到应用所需求的时间同步精度。本项目的开展将使时间同步精度的研究获得实质性进展，并将在无线传感器网络的数据处理与融合、节点定位及跟踪方面得到应用。

本项目主要研究复杂环境下能量有效的无线传感器网络（WSN）时间同步精度问题，以WSN特征为主线，分别研究信号噪声、能量消耗、同步协议、能量有效等方面对时间同步精度影响的机理。.为实现高性能的时间同步精度目标，首先构建时间信号延迟模型，通过信号延迟建模和节点硬件处理来减弱或消除网络噪声，提升网络链路质量；然后分析产生能耗的各种因素，重点研究节点的通信能耗和计算能耗以降低整个网络能耗；研究了根据动态路径列表提供的可选路径，选择一条最适合当前同步要求的同步链路来降低误差积累；最后采用改进的能量有效的参考广播时间同步算法以提高能量使用效率。研究结果表明：相对于传统的RBS、TPSN和RTSP算法，改进的ERBS和AERBS算法在降低节点能耗、提升时间同步精度方面优势明显。.本项目着重研究复杂环境下能量有效的参考广播时间同步协议，在节点能耗与同步精度之间折衷，以达到应用所需求的时间同步精度。本项目研究成果使WSN时间同步精度的研究获得实质性进展，并将在WSN的众多应用领域得到广泛应用。本项目的研究成果已经成功应用于太阳能电池组件的监测中，并实现了成果转化，成果转让金额达600万元，产生了良好的经济效益和社会效益。同时，在较好的解决了复杂环境下能量有效的WSN时间同步精度问题的基础上，为下一步开展移动节点的WSN时间同步精度问题、网络链路质量预测与智能控制方法的研究提供了新的思路，课题组将在此基础上持续开展相关研究工作。