无线传感器网络的协作时间同步机制研究

摘要

随着微电子机械系统、无线通信和低功耗嵌入式技术的快速发展，具有低成本、低功耗和多功能的无线传感器网络(WSN:Wireless Sensor Network)得到了快速发展，并在国防军事、灾害预测、交通管理、医疗卫生、环境科学和日常生活等领域展现出巨大的应用前景。然而无线传感器网络的实际应用却面临着诸多挑战，如时间同步问题。在无线传感器网络中，大量的应用都要求传感器节点时间保持一致。因此，如何在能量有限且恶劣的无线信道条件和时变的拓扑环境中，为无线传感器网络提供满足应用需求的时间同步算法具有重要的意义。现有的时间同步算法一般只是针对普通无线传感器网络同步精度和同步能耗的需求，无法适用于数据量大、对网络性能要求较高的大规模无线传感器网络。因此为了解决大规模无线传感器网络同步精度低、可扩展性差的问题，必须制定一个兼顾高同步精度和良好扩展性的时间同步算法。
　　本文摒弃了典型时间同步算法的思想，采用新型的时间同步机制，设计一种基于脉冲耦合和分布式扩散相结合的时间同步协议。首先介绍了无线传感器网络时间同步技术的国内外研究动态和相关理论知识，全面分析和总结了现有时间同步协议的优缺点，为下文的同步算法设计做好理论基础。其次借鉴生物学中的萤火虫同步思想，研究应用于无线传感器网络的萤火虫同步算法，重点阐述了M&S模型和 RFA算法，在此基础上通过引入后相应窗口和分布式序列对RFA算法进行了优化改进，并且进行了仿真实验。最后设计一种基于脉冲耦合和分布式扩散相结合的协作时间同步协议PCODD，将同步分为时钟节拍同步和时间同步两个阶段。时钟节拍同步阶段，通过脉冲信号耦合来改变节点相位实现节拍同步；时间同步阶段，基于双向信息交换模式，把主节点域的平均时间扩散有限的跳数，采用互扩散使节点时间近似同步到网络节点的平均时间上实现时间同步。优化设计完成后，将 N-RFA算法和 PCODD算法在 Matlab仿真平台上进行了仿真实现。仿真结果表明，PCODD算法在不同的网络规模中均能获得接近百微秒的同步精度，并且具有较短的收敛时间、低同步误差、低数据包交换的显著优势，降低了无线传感器节点进行时间同步的算法能耗，提高了网络的可扩展性。

目录

第1章 绪论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2国内外研究现状

1.3论文的研究内容

1.4论文的结构安排

第2章 无线传感器网络时间同步算法研究

2.1时间同步相关基本概念

2.2时间同步的基本方法

2.3典型的同步算法

2.4典型时间同步协议的性能比较

2.5本章小结

第3章 萤火虫时间同步算法的研究与改进

3.1萤火虫同步

3.2优化的RFA算法

3.3本章小结

第4章 一种基于脉冲耦合的分布式协作时间同步算法研究

4.1可扩展的脉冲耦合振荡器系统模型

4.2基于脉冲耦合的时钟节拍同步

4.3分布式扩散时间同步

4.4仿真结果与分析

4.5本章小结

第5章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

缩略语词汇表

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果