无线传感器网络分布式安全时钟同步算法研究

As the fundamental requirement of many applications of wireless sensor networks (WSNs), time synchronization is one of the important issues in WSNs attracting widespread concern. Combined with the latest research at home and abroad, this project makes a study to make up the shortcomings of existing distributed clock synchronization algorithms from the perspectives of clock model, network uncertainty, energy efficiency and security, and designs distributed and secure synchronization protocols and provides theoretical analysis. Firstly, we will take into account the influence of the non-ideal clock model, network uncertainty, and network attack on the clock synchronization algorithm, design distributed clock synchronization algorithm with high accuracy and energy efficiency and security. Meanwhile, based on the Lyapunov stability theory and the distributed optimization theory, we give the theoretical analysis of the performance of the proposed protocols, which provides the guarantees for the convergence of algorithm, energy efficiency and security and etc. Next, considering the non-ideal clock model, network uncertainty, and network attack simultaneously, we will establish the theoretical frameworks of performance analysis for distributed clock synchronization algorithm. At last, both the effectiveness of the proposed protocols and the theoretical results will be verified from both the simulative and hardware experimental view-points. This project is beneficial in promoting the further development of distributed clock synchronization algorithm, and a further extension to the application of clock synchronization. It is of great theoretical and applied significance.

时钟同步作为无线传感器网络众多应用的支撑技术，一直是研究者重点关注的科学问题之一。本项目紧扣国内外最新研究进展，针对现有分布式时钟同步算法在时钟模型、网络不确定性、能量有效性和算法安全性等方面研究的不足，重点研究高精度、高能效、分布式安全时钟同步算法和理论。首先，重点考虑非理想时钟模型、网络不确定性和网络攻击对时钟同步算法的影响，设计基于一致性理论的分布式时钟同步算法。同时，基于Lyapunov稳定性理论和分布式优化理论，分析算法的收敛性、能量有效性和安全性等时钟同步性能并进行算法优化。其次，综合考虑非理想时钟、网络不确定和攻击耦合下的时钟同步算法及相应理论分析。最后，对所提算法和理论结果进行仿真与硬件实验验证。本项目的研究有助于推动时钟同步理论的进一步发展，延伸时钟同步的应用领域，具有重要的理论意义和广泛的应用价值。

时钟同步作为无线传感器网络众多应用的支撑技术，一直是研究者重点关注的科学问题之一。本项目紧扣国内外最新研究进展，针对现有分布式时钟同步算法在时钟模型、网络不确定性、能量有效性和算法安全性等方面研究的不足，重点研究高精度、高能效、分布式安全时钟同步算法和理论。考虑现有研究在噪声和延时情况下的时钟同步算法和理论研究的不足，我们首先研究了分布式时钟同步算法的基础理论，揭示了一致性稳定性和网络不确定性之间的内在联系，同时设计了快速可靠的分布式同步算法，理论证明了算法的收敛性和精确性，并基于得到的理论结果，我们设计了快速精确的分布式时钟同步协议。其次，我们探究了攻击特性与同步算法安全防御机制的耦合机理，建立了分布式时钟同步及其安全理论，其中重点研究了一致性理论的隐私保护算法设计、分布式优化攻击防御机制设计以及隐蔽攻击的系统化建模。接着，基于已建立的基础理论成果，开展了面向智能电网和车载网的网络系统应用扩展研究。针对智能电网中考虑传输损耗和有向通信的分布式的能量调度问题，设计了分布式算法，实现了高效的分布式能量调度。利用经典的金融数学中的均值方差模型对混合电力市场和金融市场进行数学建模，建立了一个零售电力市场的最优投资决策问题，并给出问题的最优解解析表达。针对车载网数据分发问题，设计了基于异构和存储器的数据分发算法，实现了高效可靠的数据传输。最后，对所提算法和理论结果进行仿真与硬件实验验证。本项目的研究有助于推动时钟同步理论的进一步发展，延伸了时钟同步的算法和理论的应用领域，具有重要的理论意义和广泛的应用价值。