基于分簇的无线传感器网络时间同步算法研究

摘要

传感器、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了现代无线传感器网络的产生和发展。无线传感器网络由大量传感器节点按照自组织的方式进行构建，节点间相互协作，通过收集监测区域内的物理参数，以单跳或者多跳的方式将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，扩展了人们信息获取能力，具有十分广阔的应用前景，已经引起了国内外学术界和工业界的高度重视。无线传感网络的时间同步涉及物理时间和逻辑时间两个方面，传感器所获得的数据必须具有准确的时间和位置信息，否则采集的信息就是不完整的。时间同步算法的研究是传感器网络领域的关键技术之一。
　　本文围绕无线传感器网络能量受限问题和时间同步精度问题展开研究，阐述了无线传感器网络的基本知识、时间同步算法的类型和典型性算法的时间同步机制，分析了各算法的设计原理和优缺点。通过对不同时间同步算法同步原理的比较研究，总结了典型算法的优缺点、同步精度和同步能耗，针对网络中节点能量消耗不均匀提出了基于分簇的时间同步解决方案，并采用理论分析和仿真模拟的方式验证了算法的正确性与有效性。
　　本文的主要工作和创新点如下：
　　1、对无线传感器网络的典型时间同步算法进行比较研究，给出了RBS算法、TPSN算法和DMTS算法的同步精度和同步能耗的数学模型。传统的Intemet时间同步方案不适用于无线传感器网络，论文对传感器网络中的时问同步现状进行深入研究，并对接收者-接收者同步、成对同步、发送者一接收者同步这三种类型机制下的典型RBS、TPSN和DMTS时间同步算法进行研究，将算法的同步精度和同步能耗以数学公式的方式进行表达，从理论上分析不同算法的性能。
　　2、针对无线传感器网络中节点能量受限问题，提出了能量有效的基于分簇的时间同步算法，即CTSA算法和MCTSA算法。结合无线传感器网络能量使用要求高的特点，为了达到最高的同步精度，要求生成层次的深度尽可能的小。设计的CTSA算法和MCTSA算法侧重于同步精度和同步能耗的需求。在分簇的基础上，簇内单独成立一个系统，其中节点顺序单向同步，簇头可以实时监控同步的进行，以实现能量节省的、健壮的协作同步模式。通过构建的数学模型证明该算法在保证同步精度的前提下可以有效减少通信开销，节省了节点能量。
　　3、以MATL,AB和NS2为仿真工具，对CTSA算法和MCTSA算法进行了模拟分析。仿真试验数据得出网络中各参数的最优数据，并在同步精度、同步开销和同步能耗等方面进行了仿真验证，并与典型时间同步算法进行了比较。实验数据表明该算法扩展性较好，能满足无线传感器网络的扩展需求，在保证时间算法精度的前提下，减少了能量的消耗，仿真证实了算法的正确性和优越性。

目录

曲阜师范大学研究生学位论文原创性说明

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.2研究的意义

1.3研究现状

1.4论文的研究内容和组织结构

第二章 无线传感器网络及时间同步算法概述

2.1无线传感器网络概述

2.2无线传感器网络关键技术研究

2.2.1网络通信协议

2.2.2核心支撑技术

2.2.3自组织管理

2.3无线传感器网络典型时间同步算法

2.4无线传感器网络时间同步算法的性能比较

2.5本章小结

第三章 无线传感器网络时间同步算法分析

3.1相关工作

3.2无线传感器网络同步精度分析

3.3无线传感器网络同步能耗分析

3.4本章小结

第四章 基于分簇的时间同步算法设计

4.1引言

4.2相关工作

4.2.1网络模型

4.2.2 DEEC分簇算法

4.2.3线性回归算法

4.3算法设计

4.3.1 CTSA同步算法

4.3.2 MCTSA同步算法

4.4性能分析

4.4.1同步精度

4.4.2同步能耗

4.5仿真分析

4.5.1 MATLAB仿真分析

4.5.2 NS2仿真分析

4.6本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

[参考文献]

在校期间发表的学术论文

致谢