确定网络拓扑条件下的协同同步理论及技术研究

As one of the key technologies underpinning distributed systems, cooperative synchronization has significant research importance. Wireless ad hoc network is one of the key technologies in future personal communication systems. Due to the multi-hop and infrastructure-less nature of wireless ad hoc networks, cooperative synchronization among wireless ad hoc nodes is a challenging task. Existing works on cooperative synchronization of complex networks focus on improving the synchronization performance via changing the network topology. However, this approach cannot be directly applied to wireless ad hoc networks whose topologies change dynamically. This proposal aims to study cooperative synchronization theory and technology under given network topology, and intents to propose a distributed algorithm for collaborative synchronization. Moreover, this proposal will also propoal a mutual synchronization theory model and analyze its corresponding performance, then analyze the convergence performance of the mutual synchronization method and the effect factors on the convergence rate. Finally, the convergence conditions in the dynamic topology network will be studied. Furthermore, an improved method of network synchronization capacity under the condition of passively accepted network topology will be proposed. Considering the slot migration caused by the inconsistencies in crystal clock and the crystal clock drift, the validity and reliability of the mutual synchronization algorithm will be analyzed. The corresponding anti-interference technology will also be investigated. The expected research results will contribute to the synchronization rules of complex networks, and therefore provide the theoretical basis for the collaborative synchronization in multi-hop ad hoc networks.

协同同步是分布式系统的支撑技术之一，其研究具有重要意义。无线自组织网络是未来个人通信核心技术之一，它具有多跳、无中心的特点，如何实现节点间的协同同步是一个技术难点。目前，关于复杂系统同步的研究成果大多是通过改变网络拓扑结构来提高同步能力，难以直接应用于动态变化的分布式通信网络。课题旨在研究被动确定网络拓扑条件下的协同同步理论与技术，提出一种分布式、并行计算的协同同步方法，并建立理论模型分析相关性能；拟分析其收敛性能以及影响收敛速度的因素，研究在网络拓扑动态变化下的收敛条件；并且，提出在被动接受网络拓扑的条件下，通过自适应耦合来提高同步能力的方法；考虑晶振时钟不一致和晶振时钟漂移等因素引起的偏移，分析协同同步方法的有效性和可靠性。并且，根据节点异常等实际情况，研究相应的抗同步干扰技术。研究成果将对复杂网络的同步规律及若干性质分析做出实际贡献，为多跳无线网络的协同同步提供相应的理论基础。

协同同步是分布式系统的支撑技术之一，其研究具有重要意义。无线自组织网络是未来个人通信核心技术之一，它具有多跳、无中心的特点，如何实现节点间的协同同步是一个技术难点。项目研究被动确定网络拓扑条件下的协同同步理论与技术，取得了以下成果：（1）提出了一种分布式、并行的协同同步新方法。该算法只利用邻居节点之间的时间偏差来计算本地节点的时间调整量，从而调整时间基准以达到全网时钟同步。在此基础上，推导并证明了该算法的收敛性，仿真结果表明该算法能以较快的收敛速度达到全网同步。通过对分布式协同同步算法进行抽象，引入一个虚拟时间的概念，建立了一个通用的时间互同步理论模型。理论分析表明，本研究所提出的协同同步算法和主要文献中的算法可以概括到该模型的理论框架之内。（2）分析了拓扑参数对网络同步能力的影响，推导出了拓扑参数（节点数目、度分布、最小跳数、导率、聚类系数等）与收敛速度的关系表达式。分析表明，网络拓扑结构的改变会同时影响到以上多个参数，这些网络参数之间并不是独立的，也即其中的一个参数变化会引起其他参数随机变化，因此难以对单个参数进行分析比较。提出了一种能根据网络的局部拓扑参数，动态调整节点的耦合方式的计算方法。经仿真验证，该方法有效提高了算法收敛速度。并且，推导出了在网络拓扑动态变化的条件下，网络节点达到同步的收敛条件。（3）根据网络实际工作中的时钟频率漂移和时钟频率不一致漂移的现象，拟合出时钟的漂移模型，提出了一种抗时钟频率漂移和抗时钟频率不一致的互同步算法，并且通过理论分析、计算机仿真、实物验证三者相结合的方法分析算法的性能。分析结果表明，所提出的算法在上述两种情况下都能把各个节点的时间偏差控制在一定的范围内。（4）提出了一种分布式协同同步中的异常点识别方法。仿真结果表明，该方法能以超过95%的概率识别出异常节点。能有效地避免异常点造成整个自组织网络时隙参考基准的随机振荡。在不影响算法收敛速度的条件下，较好的保证了整个自组织网络时间同步的可靠性。（5）设计硬件综合验证平台、构建多跳信道，对互同步算法进行真实情况下较为全面的测试。项目执行期内，发表论文12篇，其中SCI 检索5 篇，EI 检索5 篇；申请发明专利4 项，获软件著作权1项目，完成技术转让1项。研究成果为多跳无线网络的协同同步提供相应的理论基础。