无线传感器网络时间同步算法的研究

论文摘要

无线传感器网络是一种特殊的Ad-hoc网络,通常包含大量的低功耗的微型传感器节点,依靠传感器节点之间的相互协作,以无线多跳方式完成通信,网络不依赖任何的固定设施,具有自组织和自管理的特性。这种特殊的组网方式使得无线传感器网络广泛的应用于目标跟踪、关键区域检测、危险环境中的科研开发等领域。然而,无线传感器网络的一些特性,比如能量受限、体积受限等,给网络的时间同步算法设计提出了严峻的考验。本文分别围绕与时间同步相关的安全问题、能量有效问题展开深入研究,提出了适用于动态无线传感器网络的安全时间同步算法和能量有效的无线传感器时间同步算法。本文的主要工作和创新点归纳如下:适用于动态无线传感器网络的安全时间同步算法时间同步技术是无线传感器网络中非常重要的一项基础服务,是实现定位、数据融合、移动目标跟踪等技术的基础。然而由于无线传感器网络自身的特性,使得它的时间同步过程容易遭受恶意节点的攻击。为此,本文提出一种适用于动态无线传感器网络的安全时间同步算法,此算法可以阻止来自网络内外的恶意节点的攻击,并且在一些时间同步的性能参数上都有着比其他时间同步算法更优越的表现。能量有效的无线传感器网络时间同步算法与一般的计算网络不同,在无线传感器网络中,能量的有限性是一个尤为突出的问题。同时无线传感器网络是一个面向应用的,需要通过节点之间的协作完成某一特定任务的网络,因此保持全网能耗的均衡来维持网络的连通性是十分重要的。如何节省节点的能量消耗以及如何均衡网络中节点的能量消耗,从而延长整个网络的生命周期,是无线传感器网络研究中面临的首要挑战,也是该领域一个持久的研究热点。本文提出一种能量有效的无线传感器网络时间同步算法,该算法可以节省无线传感器网络时间同步的能量消耗,同时又不影响其他的性能参数。无线传感器网络硬件试验平台本文设计和实现了无线传感器网络试验的硬件平台,包括传感器节点、网络适配器以及编程器。并且在此平台基础上,进行了时间同步算法的试验,验证了上述无线传感器网络安全时间同步算法的可行性;另外进行了有关IPv6的一系列试验,验证了该试验平台可以稳定运行于CNGI网络中,成为CNGI网络的一个组成部分。论文阐述的这些方法和思想都经过了理论分析和仿真实验的验证,证明了其可行性。这些结论可以应用到未来相关产品的开发中,以提高网络的灵活性、有效性和扩展性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 图表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 无线传感器网络概述
• 1.1.1 WSN的简介与发展
• 1.1.2 WSN的特点
• 1.1.3 WSN的应用
• 1.1.4 WSN关键技术
• 1.2 WSN时间同步与相关问题
• 1.2.1 WSN时间同步概述
• 1.2.2 与时间同步相关的问题
• 1.3 论文的背景和意义
• 1.4 论文结构与主要创新点
• 第2章 无线传感器网络时间同步算法的研究与分析
• 2.1 无线传感器网络时间同步的分类
• 2.2 无线传感器网络节点时间校正的几项基本技术
• 2.3 几种经典的无线传感器网络时间同步算法的研究分析
• 2.3.1 参考广播同步算法
• 2.3.2 传感器网络时间同步协议
• 2.3.3 轻量级生成树同步算法
• 2.3.5 延迟测量时间算法
• 2.3.6 泛洪时间同步协议
• 2.3.7 各种算法的比较
• 2.4 本章小结
• 第3章 一种动态无线传感器网络中的安全时钟同步算法
• 3.1 引言
• 3.2 问题提出与相关工作
• 3.3 基于扩散的时钟同步算法（DCS）
• 3.4 适用于动态无线传感器网络的安全时钟同步算法（DSCS）
• 3.4.1 DSCS算法的安全策略
• 3.4.2 DSCS算法描述
• 3.5 DSCS算法的安全性能理论分析
• 3.6 仿真结果分析
• 3.6.1 同步周期
• 3.6.2 同步精度
• 3.6.3 同步比率
• 3.6.4 同步开销
• 3.7 本章小结
• 第4章 能量有效的无线传感器网络时间同步算法（EETS）
• 4.1 引言
• 4.2 分布式系统的时间同步
• 4.3 问题的提出与相关工作
• 4.4 EETS算法
• 4.4.1 两点改进
• 4.4.2 算法同步过程
• 4.5 仿真结果分析
• 4.5.1 平均同步周期随节点数目的变化
• 4.5.2 平均同步误差随节点数目的变化
• 4.5.3 能量有效性比较
• 4.5.4 安全性
• 4.6 本章小结
• 第5章 无线传感器网络时间同步试验硬件平台
• 5.1 项目背景
• 5.2 项目的总体需求
• 5.3 无线传感器网络试验的硬件平台
• 5.3.1 传感器节点
• 5.3.2 网络适配器
• 5.3.3 编程器
• 5.4 时间同步算法试验
• 5.4.1 试验条件
• 5.4.2 试验过程
• 5.5 其他试验
• 5.6 本章小结
• 第6章 结束语
• 6.1 论文的工作总结
• 6.1.1 时间同步算法的分析比较
• 6.1.2 安全时间同步算法DSCS
• 6.1.3 能量高效的时间同步算法EETS
• 6.1.4 无线传感器网络时间同步算法试验
• 6.2 进一步工作
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的研究成果与科研项目
• 致谢