面向无线传感网时间同步的分布式非均匀采样动态观测器研究

无线传感器执行器网络的工业应用对多跳时间同步的精确性和健壮性等提出了更高要求。时间同步的本质是时间估计，从收到的时间信息中估计出全局时钟，是以通信带宽和计算能耗换时间精度的问题。除传输延迟抖动和CPU中断处理等所造成的噪音外，同步性能的提高还受困于: 1)分布式状态估计；2)非均匀采样：由于CSMA和丢包，对时间的测量和发布是一种近似周期的非均匀采样过程。另一方面，作为一种近年来发展起来的新型状态估计器，动态观测器具有零点可变性，在估计和滤波中取得了较好效果。基于此，我们突破传统的以通信协议为研究主体的框架，创造性运用状态空间建模、系统辨识和非均匀采样等理论，将时间同步转化为状态空间中对未知状态的估计问题，在我们提出的动态观测器零极点配置基础上，引入非均匀采样和分布式协作滤波，以抑制噪音提高精度，增强健壮性，并探讨带宽、能耗和精度之间的优化，为多跳时间同步提供理论依据和技术基础。

按该项目工作计划，我们针对无线传感器执行器网络(WSAN)在工业应用时所面临的高精度时间同步的难题，主要从理论分析，数学建模，系统仿真和实验验证等几个方面研究了WSAN中多跳高精度时间同步算法设计和性能优化。项目总体按照研究计划进行，取得了相应的研究成果，达到了逾期目的。主要开展的工作有：基于我们对时间同步本质的认识（即时间同步的本质是时间估计，是一个从接收到的带有观测噪音的时钟测量值中准确的估计出全局时钟的时间值的问题)，我们突破了以通信协议为研究主体的传统研究思路，而是将不精确时钟和时间同步中的包交换过程视作一个动力学系统，创造性运用状态空间建模技术，从状态估计和控制优化的角度来研究时间同步。我们首先开展了对WSAN中广泛应用的晶振时钟和时间同步协议包交换的状态空间建模，分别用状态转移方程和状态观测方程来描述不精确时钟和时间同步协议的动态特性。另一方面，开展了对高增益动态观测器及其零极点配置算法的理论研究，以达到在状态估计中的抑制噪音提高精度。进而运用这种状态空间模型和所提出的动态观测器来提高时间同步精度。我们还搭建了一个基于OMNeT的IEEE 802.15.4 WSAN时间同步的软件仿真平台和基于TI CC2420/CC2430的硬件验证平台，仿真结果表明在采用所提出的分布式状态估计技术和相应的比例控制器时钟调整算法后，单跳情况下同步误差可从通常的±5us缩小到±1us，在多跳情况下同步误差可以从±10us缩小到±3us，有效提高了时间同步的精度，从而为高精度多跳时间同步提供了一个有效解决方案，为WSAN在工业系统中的应用提供了支撑技术。在此基础上，我们还进一步研究了WSAN在工业应用的分布式状态监测和故障检测问题。我们积极开展国际交流合作，项目组成员先后到英国UCL等访问交流，也邀请英国同行Dr. Z. Gao到校访问交流。基于上述研究和学术交流，形成了高水平论文10篇,发表于IEEE Trans. on Automatic Control, IEEE Trans. on Industrial Informatics等期刊和国际会议，得到了同行的认可，还出版专著一部，申请国家发明专利兩项（已申请一项，另一项正在申请中）。 该研究不仅为后继研究开辟了新研究领域，而且将研究成果与工业应用相结合（如大规模光伏发电的故障监测，分布式电源并网等），具有广阔应用前景。