动态自组织网络中的分布式同步技术研究

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随着无线网络技术的进步,动态自组织网络被应用到越来越广泛的领域。越来越复杂的工作场景意味着动态自组织网络需要更加复杂的协同机制,而时间同步是自组织网络能够协同工作的基础。与有线网络的固定拓扑与稳定信道不同,动态自组织网络常常面临拓扑变化以及链路的不对称等问题,因此在有线网络中广泛使用的主从式同步并不适用于动态自组织网络。分布式同步相对于主从式同步的主要特点是网络中不存在提供时间服务的主节点,所有节点拥有相同的地位。节点通过与其邻居交换时间信息并调整本地时钟,网络逐渐实现每个节点的时钟都向网络的平均时钟收敛从而完成时间同步。由于分布式同步没有固定的时间信息转发路径,分布式同步可以应对动态自组织网络的拓扑变化与链路不稳定等情况。尽管分布式同步具有很强的鲁棒性可以满足动态自组网络中的时间同步需求,但是过多的时间信息交互依然会带来通信开销过大的问题。本文将着眼于动态自组织网络中的时间同步问题,通过对现有分布式同步技术的研究,提出适用于具体场景的动态自组织网络的分布式同步协议,同时提出优化方案主要解决分布式同步在长时间工作时开销过大的问题。本文的主要研究内容包括:(1)研究现有时间同步技术包括主从式同步与分布式同步,对比两种同步方式的异同,重点在于研究分布式同步的适用范围和具体同步流程。通过对现有分布式同步技术的调研总结分布式同步的方法与存在的问题。(2)研究动态自组织网络不同于其他无线网络的特点,提出适用于动态自组织网络的分布式同步方法。在动态自组织网络中不仅存在拓扑变化与链路不稳定等问题,在更复杂的场景中还要面对卫星授时功能的分布不均,动态变化等问题。通过调研与研究后提出了一种加权分布式时间同步方法,可以应对动态自组织网络中卫星授时功能分布不均与动态变化的问题。(3)结合具体的场景,提出改进后的动态自组织网络中的分布式时间同步协议。定向天线可以为动态自组织网络中的节点带来更远的通信距离以及更高的数据传输速率,但是也会对时间同步协议的设计产生一定的约束。通过研究定向天线的相关技术,利用其特点设计出适用于使用定向天线的动态自组织网络中的分布式时间同步协议。并且使用Java语言对协议进行仿真验证。(4)提出基于强化学习的分布式时间同步方法。一般的分布式同步方法由于与邻居的过多交互将带来大量的通信开销。通过实验发现分布式同步选择部分邻居进行同步依然可以建立网络的同步,结合强化学习的相关理论提出了基于强化学习的分布式同步方法,并通过仿真程序验证方法的正确性。该方法可以有效的解决时间同步与通信开销的自适应取舍问题。
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