脈沖耦合和分布式擴散相結合范文

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《電視技術雜志》2014年第十一期

1CTS同步協議

CTS的周期執行過程如圖1所示，首先由SINK節點發送m個等間隔過零脈沖［9］，周圍收到此脈沖序列的節點，基于觀察到的過零點位置，預測第m+1個脈沖的發送時間，在預測時間SINK節點和周圍節點同時發送脈沖信號給鄰居節點。由于存在空間平均［10］，在一定條件下，疊加波形序列的過零點位置將和原始波形的過零點一致。疊加后的脈沖序列被更遠的節點偵聽到，這些節點繼續按上述方式進行時間預測和發送脈沖，逐級向外遞推，外圍節點不斷加入到發送同步脈沖的行列中，每經過m個脈沖就有新的節點加入，更多節點發送的脈沖通過耦合產生足夠能量的集合波形，最終網內所有節點都會同時發出同步脈沖，即達到了同步狀態［11］;其次執行成對節點通信模式，獲取主節點域內所有鄰居節點的時鐘，得到廣播域內節點平均時鐘;把主節點同步在廣播域內所有節點的平均時鐘上，然后以各主節點的時鐘為參考時鐘，從主節點開始以平均傳輸時延和節點能量為基準，選取擴散節點，將其擴散至距離主節點跳的所有鄰居節點;距離主節點跳內的節點在每個同步時間內會分別接收到多個來自同一主節點和不同主節點的時鐘同步信息更新本地的時鐘。按照這個過程執行μ個周期，就完成了一次網絡同步過程。

1．1基于脈沖耦合的時鐘節拍同步在該階段中，節點間通過發送和接收極窄的脈沖信號來完成相互的耦合作用，實現所有節點的節拍同步，見圖2。假設網絡中每個節點對應一個單調遞增相位函數Φi(t)∈［0，1］。對于孤立的節點，狀態函數用xj描述，當xj到達閾值1時，節點發送一個脈沖。隨后節點立即將狀態xj變為0，從而以周期T發送脈沖。如果一個節點不是孤立的，它將收到來自其他節點的脈沖，狀態變量變。“不應期”。所謂不應期是指節點在激發脈沖后的一段時間內停止接收其他節點發送的耦合數據包，從而無法產生新的激發信號，以解決節點上述的無限循環觸發問題。

1．2分布式擴散時間同步利用節點間的脈沖耦合只實現了節點間統一的時鐘節拍，要想實現網絡節點時間的一致，還需要網絡節點的時間同步。對此利用分布式擴散的思想，以節點能量和平均傳輸時延為依據，動態選舉主節點和擴散節點。基于雙向信息交換模式，把主節點區域的平均時間擴散有限的跳數，采用互擴散的方法使整個網絡的節點時間近似同步到網絡節點平均時間上，從而實現網絡的時間同步。該階段每個周期選舉的主節點要滿足2個規則:規則1:假設每個節點維持閾值φ，主節點選舉期間，每個節點產生隨機數λ，且λ∈(0，1)，δ是剩余能量與節點最初能量的比值，則可得到規則2:滿足規則1的所有節點，隨機等待一定時間在其廣播域內發出一個聲明為主節點的報文。若其廣播范圍內的鄰居節點接收到不同報文或發生碰撞的報文，則這些節點立即發送報文沖突的響應信息，發出聲明報文的節點一旦接收到該響應信息，就按1/2概率決定是否繼續發送作為主節點的聲明，直至發送聲明報文的節點廣播域內不存在接收到來自不同節點聲明報文的鄰居節點為止;若其廣播范圍內的鄰居節點僅收到該聲明報文，則發送聲明報文的節點在等待一定時間后就開始執行本周期同步。

1．2．1主節點域內節點的平均時間節點的時間。如圖3所示，在連續的信息交換中，主節點發送包含t1和主節點ID的同步數據包，鄰居節點用t2記錄接收的時間。在t3時刻，鄰居節點給主節點發回包含時間戳t2，t3和該節點ID的應答分組，在t4時刻主節點接收到應答分組，估算節點間傳播時延，隨后發出sync－continue分組給鄰居節點，鄰居節點k接收sync－continue后就可以獲取dk，其他鄰居節點通過接收sync－continue分組重復信息交換，直至主節點再發出sync－continue信息后等待最大的延時時間Dmax而未能接收到來自鄰居節點的時間戳信息，說明主節點獲取了所有鄰居節點的時間信息。

1．2．2擴散節點的選舉和平均時間擴散以主節點的平均時間為參考，執行平均時間擴散的擴散節點選舉規則如下:規則3:若節點在接收到上級主節點或擴散節點時間擴散同步分組，按照主節點選舉方法，產生隨機數η，且η∈(0，1)。根據節點能量計算:ζ=η－(1－δ)，若ζ≥φ1則該節點成為擴散節點。由于δ隨能量變化，所以每個周期同步后必須對閾值進行調整，即φ1=φ1－ν，ν可根據應用設置為任意小的正數。2)1級擴散:主節點執行0級擴散之后，其鄰居節點按照擴散節點的選舉規則，確定能否作為1級擴散節點，符合規則的節點通過對信道偵聽，作為1級擴散節點執行時間擴散。同樣1級擴散節點首先和其廣播域內的未獲取相同主節點的平均時間信息的鄰居節點按照圖3進行信息交換，并計算同所有鄰居節點的平均單跳時延dj，然后1級擴散節點把主節點平均時間更新為clj=clj+d0，k，d0，k是當前擴散節點同其主節點間的信息傳播時延;把主節點同鄰居節點間的平均時延dj用當前1級擴散節點同其鄰居節點間的平均時延d1，k代替。把更新后的擴散分組廣播給下一跳鄰居節點。3)f級擴散:同1級擴散過程類似。整個擴散過程一直持續到距離主節點跳的鄰居節點為止。取決于同步的精度和速度，必須能確保相鄰主節點之間的節點至少獲得2個主節點區域的平均時間信息并作為參考時間進行同步更新。

2實驗結果及分析

為了驗證CTS的同步效果，基于MicaZ平臺進行了網絡仿真實驗，相關參數設置如下:網絡的覆蓋區域為長寬均為Wm的平面區域，隨機布置N=1000個節點，通信半徑R=10m，耦合強度ε=0．02，周期T=10s，仿真時間為50min，每一種情況都是對100次仿真取平均值。假設在時刻l，所有節點的時間同標準時間的偏差均勻分布于區間［Lt，Ht］內，那么CTS滿足收斂定理:對大規模傳感器網絡，CTS算法漸進收斂于網絡中所有節點的平均時間C。為了證明新協議的優越性，將CTS協議與RBS協議、TPSN協議、RFA協議進行比較。圖4給出了網絡的收斂時間變化趨勢，4種算法的收斂時間都隨著網絡規模的增加而增加，其中RBS算法的收斂時間遠遠高于TPSN，RFA和CTS，CTS總是能夠在短時間內使節點收斂，且隨著節點數量的增加逐漸優于RBS和TPSN。圖5可以看出CTS總能有效地使各種規模的網絡最終達到同步，而其他算法的同步性能則受網絡規模變化的影響較大，因此CTS算法很好地適應了網絡規模的變化。

3小結

鑒于同步協議的同步精度低、可擴展性差的問題，本文提出一種基于脈沖耦合和分布式擴散相結合的協作同步協議。利用脈沖耦合方式實現時鐘的節拍一致，采用分布式協作擴散達到網絡節點的時間一致。同時，對算法的同步收斂性等進行理論分析并同TPSN同步協議進行性能比較，建立兩種協議的同步誤差表達式，直觀說明CTS協議的同步誤差性能更好。仿真和實驗的結果表明該協議收斂速率更快，同步比例更高，具有更強的適應性，特別適合于大規模WSN。

作者：李敏鄭國強李濟順單位：河南科技大學電子信息工程學院河南省機械設計及傳動系統重點實驗室