無線自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)作時(shí)間同步優(yōu)化算法

劉大鹍， 陳桂芬， 王義君

(1.長春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 吉林 長春 130022; 2.中國北方車輛研究所 網(wǎng)絡(luò)與信息中心， 北京 100072)

0 引言

無線自組織網(wǎng)絡(luò)通常布置在具有一定面積的局部范圍之內(nèi)，由若干信息采集及傳輸節(jié)點(diǎn)組成，該網(wǎng)絡(luò)采用無線通信方式且能夠動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，具有多跳通信及移動(dòng)性等特點(diǎn)[1]。在軍事應(yīng)用領(lǐng)域，不論是集群?jiǎn)伪鲬?zhàn)系統(tǒng)還是無人平臺(tái)協(xié)作攻擊及防護(hù)系統(tǒng)，都可認(rèn)為是無線自組織網(wǎng)絡(luò)的一部分。其目的是通過動(dòng)態(tài)路由和移動(dòng)管理技術(shù)傳輸具有服務(wù)質(zhì)量要求的多媒體信息流，一般節(jié)點(diǎn)需要具有持續(xù)的能量供給[2]。從目前看，無線自組織網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)包括射頻識(shí)別技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能嵌入技術(shù)、自組織管理技術(shù)以及安全技術(shù)等[3]。但是對(duì)于絕大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景，尤其是軍事領(lǐng)域，如果能夠通信的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不能有效實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，那么很多應(yīng)用將變得沒有意義。因此無線自組織網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)的研究是未來軍事及民用領(lǐng)域能夠?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)。無線自組織網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)只有實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間同步，才能保證目標(biāo)跟蹤、定位、拓?fù)淇刂频燃夹g(shù)得以有效實(shí)現(xiàn)[4-6]。

目前，眾多學(xué)者對(duì)于無線自組織網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)進(jìn)行了較為深入的研究。文獻(xiàn)[7]提出一種基于相位同步的最小生成樹分析方法。該方法通過相位同步建立不同時(shí)間序列之間的相關(guān)性，主要包括相互關(guān)聯(lián)、 線性和非線性。同時(shí)，在這種方法中，一對(duì)時(shí)間序列 (節(jié)點(diǎn)) 之間的鏈接強(qiáng)度是由它們之間的相位同步級(jí)別決定的，利用非線性相關(guān)經(jīng)濟(jì)時(shí)間序列實(shí)現(xiàn)同步分析。文獻(xiàn)[8]提出了面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的快速精確、能量有效的時(shí)間同步協(xié)議。該協(xié)議的設(shè)計(jì)用于惡劣環(huán)境，并基于電阻式電網(wǎng)的思想。通過協(xié)議的執(zhí)行可以產(chǎn)生高質(zhì)量時(shí)間估計(jì)，在整個(gè)通信周期中保證時(shí)間同步的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[9]針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)典同步算法穩(wěn)定性較差等問題，提出一種基于頻率偏差估計(jì)的時(shí)間同步算法。該方法通過低開銷相位偏差和頻率偏差估計(jì)方法，結(jié)合分層和廣播監(jiān)聽構(gòu)建響應(yīng)的同步策略，可有效地平衡同步能耗、同步精度及同步穩(wěn)定性。針對(duì)同步精度對(duì)隨機(jī)延遲和時(shí)鐘速率波動(dòng)敏感等問題，文獻(xiàn)[10]將成對(duì)同步誤差建模為隨機(jī)延遲和時(shí)鐘漂移的功能函數(shù)，并以定量的模型同步性能作為相關(guān)參數(shù)的函數(shù)衡量指標(biāo)，同時(shí)，針對(duì)不同對(duì)等同步方案分析了同步誤差。文獻(xiàn)[11]針對(duì)時(shí)間誤差的累積以及節(jié)點(diǎn)多跳傳輸能量損耗等問題，提出基于移動(dòng)參考節(jié)點(diǎn)和最優(yōu)移動(dòng)路徑的時(shí)鐘同步方法。該方法首先選取時(shí)鐘同步節(jié)點(diǎn)，然后建立數(shù)學(xué)模型，最后通過標(biāo)記時(shí)間戳建立單跳同步機(jī)制，提高同步時(shí)間精度同時(shí)，降低了通信能耗。

本文在上述研究基礎(chǔ)上提出無線自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)作時(shí)間同步優(yōu)化算法(CTSOA)。該算法在時(shí)間同步信號(hào)模型和基于接收端- 接收端的同步機(jī)制模型基礎(chǔ)上，利用指數(shù)延遲模型，通過對(duì)成對(duì)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘偏移及時(shí)鐘漂移進(jìn)行聯(lián)合估計(jì)提高時(shí)鐘同步精度；對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行三角剖分，利用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自適應(yīng)變化實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步；通過協(xié)作時(shí)間同步優(yōu)化算法的整體執(zhí)行，保證鏈路時(shí)延及網(wǎng)絡(luò)能耗的降低。仿真結(jié)果表明，在本文提出的三角剖分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制下，與傳統(tǒng)分簇拓?fù)湎啾龋珻TSOA在平均同步誤差、同步算法能量消耗方面取得了一定的改進(jìn)。

1 時(shí)間同步模型

無線自組織網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)相互鏈接，通過多跳路由完成信息傳輸。大多數(shù)情況下，只有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間精度滿足一定的范圍要求，才能實(shí)現(xiàn)無線自組織網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，因此每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都遵循自身的本地時(shí)鐘，而晶振的頻率和閾值決定了時(shí)鐘同步的解決方式。本文所設(shè)計(jì)及采用的時(shí)間同步模型主要包括時(shí)間同步信號(hào)模型及接收端- 接收端同步機(jī)制模型。

1.1 時(shí)間同步信號(hào)模型

對(duì)于接收端- 接收端時(shí)間同步方法，接收側(cè)的時(shí)間延遲是時(shí)間同步誤差的重要來源[12]。其最大特點(diǎn)是使關(guān)鍵路徑上的發(fā)送時(shí)間延遲和訪問時(shí)間延遲得以消除。傳輸時(shí)延示意圖如圖1所示。

圖1 傳輸時(shí)延分析Fig.1 Transmission delay analysis

令網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘為T(t)，t為理想?yún)⒖紩r(shí)間。由于晶振的不確定性，第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間模型可以定義為

Ti(t)=ωit+φi+εi，

(1)

式中：ωi為時(shí)鐘漂移(或頻率偏差)；φi為時(shí)鐘偏移(或相位偏差)；εi為隨機(jī)噪聲。此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中2個(gè)節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2)間的時(shí)鐘關(guān)系可以表示為

T1(t)=ω12T2(t)+φ12+εi，

(2)

式中：ω12和φ12分別為節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2間的相對(duì)時(shí)鐘漂移系數(shù)和相對(duì)時(shí)間偏移。因此，當(dāng)ω12=1、φ12=0 μs時(shí)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)將完全實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。如果網(wǎng)絡(luò)中有N個(gè)節(jié)點(diǎn)，則當(dāng)Ti(t)=Tj(t)時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將實(shí)現(xiàn)全局同步，i,j=1,…,N.

時(shí)鐘偏移估算是時(shí)間同步算法中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。Elson等[13]通過實(shí)驗(yàn)證明接收端任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間本地時(shí)間差的時(shí)鐘偏移符合μ=0、σ=11.1 μs的高斯分布，其中，μ為時(shí)鐘漂移系數(shù)，σ為相對(duì)時(shí)間偏移。本文仿真擬合出的最佳參數(shù)結(jié)果為μ=0.048、σ=11.221 μs，統(tǒng)計(jì)學(xué)分布圖如圖2所示。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于后續(xù)算法的實(shí)現(xiàn)具有重要指導(dǎo)作用。

圖2 時(shí)鐘偏移統(tǒng)計(jì)學(xué)分布Fig.2 Clock offset statistical distribution

1.2 通信模型

自組織網(wǎng)絡(luò)中異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同，對(duì)于傳輸對(duì)象的信號(hào)帶寬也不盡相同，每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須能夠感知信號(hào)的頻帶寬度，用以完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)的選擇和信號(hào)的傳輸。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)被監(jiān)測(cè)區(qū)域中的監(jiān)測(cè)對(duì)象不在節(jié)點(diǎn)的通信范圍之內(nèi)時(shí)，節(jié)點(diǎn)則不能感知到監(jiān)測(cè)對(duì)象，此時(shí)還需考慮發(fā)射功率對(duì)于接收節(jié)點(diǎn)的影響。

根據(jù)電磁波傳播理論，當(dāng)其在自由空間中傳播時(shí)，如果發(fā)射端與接收端在視距范圍之內(nèi)，則可用自由空間傳播模型預(yù)測(cè)接收信號(hào)的強(qiáng)度。如果發(fā)射端的信源發(fā)射功率為PT，則收發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)功率關(guān)系為

(3)

式中：PR為信宿接收功率；λ為載波波長；r為收發(fā)端的距離；AT、AR分別為信源天線和信宿天線的增益；δ為信道衰落系數(shù)。

1.3 接收端- 接收端同步機(jī)制模型

圖3 接收端- 接收端同步機(jī)制模型Fig.3 Receiver-receiver synchronization model

接收端- 接收端同步機(jī)制模型如圖3所示。節(jié)點(diǎn)R表示參考節(jié)點(diǎn)，為發(fā)送端節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)初始化同步協(xié)議，并向在其通信范圍內(nèi)的接收端節(jié)點(diǎn)S和M廣播信標(biāo)包，其中：節(jié)點(diǎn)M為主節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)R實(shí)現(xiàn)雙向通信，接收節(jié)點(diǎn)R發(fā)送的廣播信標(biāo)包，并向節(jié)點(diǎn)S發(fā)送同步信息；節(jié)點(diǎn)S為從節(jié)點(diǎn)，通過接收參考節(jié)點(diǎn)R的廣播信標(biāo)包和主節(jié)點(diǎn)M同步信息完成自身的同步誤差修正，實(shí)現(xiàn)與主節(jié)點(diǎn)M的時(shí)間同步。接收端兩節(jié)點(diǎn)通過記錄每一輪同步信標(biāo)包中的時(shí)間戳，完成對(duì)于時(shí)鐘偏移和時(shí)鐘漂移的相應(yīng)估計(jì)，節(jié)點(diǎn)M修改自己的時(shí)間偏移來完成一次時(shí)間同步。隨著時(shí)間同步周期次數(shù)的增多，節(jié)點(diǎn)S通過周期性地接收節(jié)點(diǎn)R與節(jié)點(diǎn)M的雙向信息，不斷地調(diào)整自己的同步延遲，使自身與節(jié)點(diǎn)M時(shí)間同步。

2 時(shí)間同步算法

針對(duì)目前無線自組織網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步算法同步精度低、能量消耗大等問題[14-15]，提出無線自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)作時(shí)間同步優(yōu)化算法。本算法利用指數(shù)模型，通過對(duì)成對(duì)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘偏移及漂移進(jìn)行聯(lián)合估計(jì)來提高時(shí)鐘同步精度；利用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的自適應(yīng)變化實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步；通過協(xié)作時(shí)間同步優(yōu)化算法的整體執(zhí)行，保證鏈路時(shí)延及網(wǎng)絡(luò)能耗的降低。

2.1 成對(duì)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘漂移及時(shí)鐘偏移的聯(lián)合估計(jì)

圖4給出了主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)間時(shí)間信息交互的時(shí)鐘漂移與時(shí)鐘偏移模型。如圖4所示，M為主節(jié)點(diǎn)，S為從節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)記錄第m輪信息交互的時(shí)間戳TM1、TM4，從節(jié)點(diǎn)記錄第m輪信息交互的時(shí)間戳TS2、TS3. 主節(jié)點(diǎn)傳輸同步包給從節(jié)點(diǎn)，該同步包中包含主節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間戳TM1，從節(jié)點(diǎn)在TS2接收到該同步包并且在TS3發(fā)出一個(gè)應(yīng)答包，主節(jié)點(diǎn)在TM4接收到該應(yīng)答包。該過程中，從節(jié)點(diǎn)的時(shí)間模型可定義為

TS2=(TM1+td)ω+φ+ΓS2，

(4)

TS3=(TM4-td)ω+φ+ΓS3，

(5)

式中：td為傳播過程的固定時(shí)延；ω為時(shí)鐘漂移；φ為時(shí)鐘偏移；ΓS2、ΓS3一般為符合高斯分布的隨機(jī)噪聲。

圖4 時(shí)間信息交互模型Fig.4 Timing message exchange model

由上述模型，給出一種指數(shù)模型估計(jì)的一般似然函數(shù)形式：

(6)

式中：Q為循環(huán)周期；輔助函數(shù)L定義為

(7)

由(6)式可知，如果將隨機(jī)噪聲忽略，與時(shí)鐘估計(jì)相關(guān)的參量只有固定時(shí)延td，該參量一般可以通過消息包信息交換計(jì)算得出，但必然會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)能耗。因此，在上述模型基礎(chǔ)上，不計(jì)算固定時(shí)延，認(rèn)為其為未知量，在此條件下估算ω及φ值。

因?yàn)閠d和φ均未知，所以其定義域可限制為

(8)

統(tǒng)計(jì)因子E可表示為

(9)

式中：k為循環(huán)輪次。

(10)

(11)

(12)

2.2 自適應(yīng)全網(wǎng)絡(luò)同步

2.2.1 參考節(jié)點(diǎn)確定

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域?yàn)镃，采用計(jì)算幾何的方式選取參考節(jié)點(diǎn)。將區(qū)域C劃分為u個(gè)單調(diào)多邊形，目的是通過引入對(duì)角線消除多邊形不規(guī)則情況下引起的拐點(diǎn)。設(shè)點(diǎn)p為一拐點(diǎn)，與其連接的2條多邊形的邊為向下方向，則此時(shí)需構(gòu)造1條以p為起點(diǎn)向上連接的對(duì)角線，該對(duì)角線將原多邊形分為2部分，此時(shí)p不再屬于拐點(diǎn)，而屬于劃分后2個(gè)多邊形的1個(gè)頂點(diǎn)，基于此完成區(qū)域C的單調(diào)劃分。然后，按隨機(jī)次序依次引入網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)，維護(hù)程序的執(zhí)行并更新一個(gè)與當(dāng)前點(diǎn)集對(duì)應(yīng)的三角剖分。基于三角剖分的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分算法流程如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分算法

Fig.5 Network region division algorithm

通過對(duì)覆蓋區(qū)域的外部多邊形結(jié)構(gòu)進(jìn)行單調(diào)劃分和三角剖分，圖6給出了無線自組織網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有50個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)在平面區(qū)域內(nèi)劃分的三角剖分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖6 經(jīng)過三角剖分后的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.6 Network topology after triangulating

經(jīng)過三角剖分的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成后，令三角形頂點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)子集。為了最大限度地在該子集中找到盡可能少的節(jié)點(diǎn)、完成區(qū)域覆蓋任務(wù)，使用紅、黃、綠3種顏色給子集中的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行染色。染色方案需滿足由任何邊連接的2個(gè)節(jié)點(diǎn)，所染的顏色不能相同?；诖?，經(jīng)過三角剖分的多邊形經(jīng)過染色后，其中每個(gè)三角形都有且僅有1個(gè)紅色、黃色和藍(lán)色的頂點(diǎn)。通過上述方法，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)完成三角劃分后，選擇劃分好的三角形中質(zhì)心點(diǎn)位置節(jié)點(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)需覆蓋所在三角區(qū)域的通信距離。參考節(jié)點(diǎn)選擇示意圖如圖7所示。

圖7 參考節(jié)點(diǎn)選擇示意圖Fig.7 Reference node selection

2.2.2 多跳自適應(yīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立

成對(duì)節(jié)點(diǎn)同步需要擴(kuò)展到全局多跳范圍網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)同步，而如果要實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步，必須建立有效的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。下面通過構(gòu)建一種基于參考節(jié)點(diǎn)的局部樹形網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的自適應(yīng)同步。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

圖8 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.8 Network topology

首先，建立參考節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)同步網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)通過三角剖分及染色選擇出每個(gè)三角形區(qū)域的參考節(jié)點(diǎn)后，該參考節(jié)點(diǎn)即為該區(qū)域的主同步節(jié)點(diǎn)，同時(shí)為樹形網(wǎng)絡(luò)的根節(jié)點(diǎn)，將其本地時(shí)間作為網(wǎng)絡(luò)的參考時(shí)間。此時(shí)，參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行第1輪消息廣播，該范圍內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)通過比較自身鏈路能量、誤包率和時(shí)間延遲的權(quán)重，計(jì)算出歸一量化值，并與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行對(duì)比，高于預(yù)設(shè)閾值的節(jié)點(diǎn)均可作為該范圍內(nèi)的主節(jié)點(diǎn)。時(shí)間延遲、誤包率和自身鏈路能量的計(jì)算公式分別為

(13)

PER=1-PERC，

(14)

(15)

其次，建立主節(jié)點(diǎn)與從節(jié)點(diǎn)同步網(wǎng)絡(luò)。在同一參考節(jié)點(diǎn)覆蓋的區(qū)域內(nèi)，主節(jié)點(diǎn)確定后，其余所有節(jié)點(diǎn)均為從節(jié)點(diǎn)。當(dāng)參考節(jié)點(diǎn)第2輪廣播消息結(jié)束后，從節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)同樣，都會(huì)記錄下參考節(jié)點(diǎn)的時(shí)間戳信息。然后所有主節(jié)點(diǎn)均廣播已調(diào)整后的本地時(shí)間戳信息，從節(jié)點(diǎn)感知到信息后，僅會(huì)選擇第1個(gè)接收到的主節(jié)點(diǎn)信息，然后將不再接收其他主節(jié)點(diǎn)信息。此時(shí)，從節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的主節(jié)點(diǎn)時(shí)間戳信息和參考節(jié)點(diǎn)時(shí)間戳信息進(jìn)行時(shí)鐘偏移和漂移的估計(jì)。

第三，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)邊緣的節(jié)點(diǎn)，有時(shí)可以接收到多個(gè)三角剖分區(qū)域的參考節(jié)點(diǎn)和主節(jié)點(diǎn)消息，此時(shí)將這類節(jié)點(diǎn)稱為同步輔助節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)同時(shí)處在多個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的通信范圍內(nèi)，可以與參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行雙向通信實(shí)現(xiàn)同步。其主要作用是作為參考節(jié)點(diǎn)同步的一個(gè)補(bǔ)充，能夠進(jìn)一步協(xié)調(diào)參考節(jié)點(diǎn)間的同步精度。

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中通過三角剖分劃分區(qū)域，并通過染色確定參考節(jié)點(diǎn)，參考節(jié)點(diǎn)選取主節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)同步。參考節(jié)點(diǎn)的時(shí)間為基準(zhǔn)時(shí)間，能否準(zhǔn)確地將網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步至全網(wǎng)絡(luò)，是至關(guān)重要的。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)防止了單一節(jié)點(diǎn)突發(fā)性失效和被干擾等因素，從而影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的同步性能。CTSOA流程如圖9所示。

圖9 CTSOA流程圖Fig.9 CTSOA flow chart

3 仿真結(jié)果及分析

在500 m×500 m區(qū)域內(nèi)布置500個(gè)自組織協(xié)作網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過仿真計(jì)算驗(yàn)證時(shí)間同步算法，具體仿真設(shè)置參數(shù)如表1所示。為了驗(yàn)證本文提出的CTSOA有效性，將其與文獻(xiàn)[8]提出的有效單跳時(shí)間同步(ESTSP)算法、文獻(xiàn)[12]提出的能量有效參考廣播同步(ERBS)算法、文獻(xiàn)[13]提出的參考廣播同步(RBS)算法進(jìn)行比較，前提是將4種算法同時(shí)置于表1所示仿真環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對(duì)本文所提三角剖分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的同步參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。主要在平均同步誤差、能量消耗兩個(gè)方面進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，而同步包數(shù)量和同步收斂時(shí)間的分析則可以更好地說明本文算法在精度和能耗方面的優(yōu)勢(shì)。

首先，本文對(duì)4類算法的平均同步誤差進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果如圖10所示。圖10(a)為采用本文提出的三角剖分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真得到的平均同步誤差數(shù)據(jù)結(jié)果，可見同步周期越長，同步時(shí)間戳數(shù)據(jù)越精確，同步誤差越小。由于CTSOA采用時(shí)鐘漂移和時(shí)鐘偏移的聯(lián)合估計(jì)，相較于其他3種算法，其平均同步誤差最低，小于100 μs. ESTSP算法的平均同步誤差約為200～100 μs之間，ERBS算法的平均同步誤差約為300～200 μs之間，而RBS算法的平均同步誤差最大，大于600 μs. 圖10(b)為采用傳統(tǒng)分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真得到的4類算法平均同步誤差實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過與圖10(a)對(duì)比可知：其平均同步誤差要比三角剖分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)均有所增加；盡管CTSOA效果最好，但是其平均同步誤差仍然在200～100 μs之間。

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters

圖10 平均同步誤差Fig.10 Average synchronization error

圖11 能量消耗Fig.11 Energy consumption

其次，對(duì)4類算法的能量消耗進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果如圖11所示。圖11(a)為采用本文提出的三角剖分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真得到的能量消耗數(shù)據(jù)結(jié)果，可見參考節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大，能量消耗越高。由于CTSOA采用自適應(yīng)拓?fù)淇刂疲噍^于其他3種算法，其能量消耗最低，約為200 mW左右。ESTSP算法的能量消耗比CTSOA略高，ERBS算法的能量消耗在400 mW左右，而RBS算法的能量消耗最高，在500～600 mW之間。圖11(b)為采用傳統(tǒng)分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真得到的4類算法能量消耗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過與圖11(a)對(duì)比可知：其能量消耗要比三角剖分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均有所增加；CTSOA和ESTSP算法效果相差不多，但是它們的能量消耗仍然在500 mW左右。

第三，采用兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)CTSOA同步包數(shù)量進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果如圖12所示。由圖12可見，隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多，在時(shí)鐘聯(lián)合估計(jì)和自適應(yīng)三角剖分拓?fù)淇刂频幕A(chǔ)上，CTSOA的同步包數(shù)量明顯少于分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)的同步包數(shù)量，證明了該算法的整體執(zhí)行對(duì)于網(wǎng)絡(luò)開銷及系統(tǒng)穩(wěn)定性均有所提升。

圖12 同步包數(shù)量比較Fig.12 Comparison of the number of synchronization packages

最后，采用兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)CTSOA同步收斂時(shí)間進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果如圖13所示。由圖13可見，隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多，在時(shí)鐘聯(lián)合估計(jì)和自適應(yīng)三角剖分拓?fù)淇刂频幕A(chǔ)上，CTSOA的平均收斂時(shí)間約為3.28 s，而采用分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的平均收斂時(shí)間約為6.21 s，由此可以看出，本文算法在收斂時(shí)間上得到較大幅度提升，具有較好的收斂性。

圖13 收斂時(shí)間比較Fig.13 Comparison of convergence times

4 結(jié)論

本文在分析無線自組織網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步算法存在問題的基礎(chǔ)上，提出無線自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)作時(shí)間同步優(yōu)化算法。該算法主要利用時(shí)鐘偏移和時(shí)鐘漂移的聯(lián)合估計(jì)及三角剖分的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂茖?shí)現(xiàn)時(shí)間同步算法優(yōu)化。相較于其他算法，該算法平均同步誤差較小，能量消耗較低。同時(shí)，將該同步算法應(yīng)用在本文提出的三角剖分拓?fù)渲?，結(jié)果表明：相較于分簇算法，在同步包數(shù)量和平均收斂時(shí)間兩方面都取得了較好效果。雖然仿真實(shí)驗(yàn)證明了CTSOA的有效性，但本文在節(jié)點(diǎn)具有移動(dòng)特性的情況下，相關(guān)性能指標(biāo)優(yōu)勢(shì)并不明顯。后續(xù)研究將節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性的時(shí)間同步技術(shù)作為研究重點(diǎn)，研究無線自組織協(xié)作網(wǎng)絡(luò)的覆蓋定位問題，從根本上提升無線自組織網(wǎng)絡(luò)在單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)，以及異構(gòu)無人平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸速率和可靠性等方面的應(yīng)用效率。