无线传感器网络中的同步算法及能耗研究

论文摘要

无线传感器网络是一个典型的分布式无线通信网络系统。组成无线传感器网络的各节点因各种固有原因都有自己的时钟，有必要制定适用于无线传感器网络的时钟同步算法保证传感器节点达到一定精度的时钟同步，才能够保证传感器节点之间相互稳定、协调的工作。另外，时钟同步算法一般是由传感器节点间相互通信，交换大量包含时间信息的数据包来达成传感器节点间高精度的时钟同步，因此传感器节点会在时间同步过程中消耗大量的能量。由于传感器节点是由有限能量的电池供电，因此，必须制定一个优化策略兼顾较高的时钟同步精度和低能耗。本文根据以上两点作了如下几方面工作：(1)介绍用于无线传感器网络的同步算法的相关理论知识以及能耗知识，为下文的时钟同步算法设计及节能策略研究做好理论基础。(2)研究一种新型的应用于无线传感器网络的概率参考广播同步算法。由于算法本身的限制以及延迟测量误差的不确定性，参考广播同步算法要达到某一确定的较高时钟同步精度，只能采用重复同步过程这个办法来减少误差。重复同步需要节点进行大量的同步信息包传输以及同步计算，这将使节点消耗大量的能量，不符合无线传感器网络低能耗的要求。应用于传统分布式系统的概率时钟同步算法主要适用于在不能确切知道传输延迟分布的网络中。该算法充分考虑存在通信故障，如通信冲突、信息包丢失情况下，确保节点时钟在一定概率下的同步精度。本文考虑根据无线传感器网络的特点，将概率时钟同步的方法应用在参考广播同步算法中，使之能在无线传感器网络中使节点以较低的失效概率得到较高的同步精度。经过理论推导验证了该算法的可靠性和可行性，最后，在改进的MICA节点实验平台上了，验证了概率参考广播同步算法的同步精度高于参考广播同步算法的同步精度。(3)研究一种新型时间序列同步算法。由于一般的时钟同步算法的同步精确度受传输延迟影响，有可能不符合某些实际应用的高精度要求，如用于结构健康监测的无线传感器网络，因此研究一种时间序列同步算法。该算法的基本实现方法是，首先利用传统的时钟同步算法使网络中传感器节点进行初步时钟同步，然后传感器节点记录无损信号序列并存在本地，接着根据比较传感器记录的有损信号序列和无损信号序列的“序列能量”差异，用自排列的方法使时间序列达到较高的同步精度，从而得到更精确的损伤散射模型。经实验证明时间序列同步算法精确度与采样精度相当，精确度明显高于传统的时间同步算法。(4)时钟同步算法的能耗优化研究。本文分析了在时钟同步算法中影响能耗的几个因素：无线通信质量、同步对象、时钟偏移率、时钟同步精度、同步范围等，并根据这几个方面研究节能策略。另外，对于节省节点能耗，最有效的方法就是通过切换传感器节点上器件的工作方式，使器件进入休眠状态，减少不必要的工作时间来达到节能的目的。但由于传感器节点间时钟偏移率不同，节点进入休眠期后，时钟同步的精确度会降低。同时保证高精度的时钟同步和低功耗在实际应用中是很难实现的。因此，必须制定一个优化策略兼顾较高的时钟同步精度和低能耗。文中针对一种时钟概率同步算法研究一种能耗优化策略，分析显示，优化策略能以尽量小的能量达到所需的同步精度要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 无线传感器网络简介
• 1.2 无线传感器网络的应用与发展现状
• 1.3 当前研究热点
• 1.4 本文研究领域及其发展现状
• 1.5 论文的组织结构和主要创新点
• 2 时钟同步与能耗基础知识介绍
• 2.1 引言
• 2.2 无线传感器网络中的同步知识研究
• 2.3 无线传感器网络能耗知识研究
• 2.4 小结
• 3 应用于无线传感器网络的概率时钟同步算法
• 3.1 引言
• 3.2 确定时钟同步与概率时钟同步
• 3.3 应用于无线传感器网络的概率参考广播同步
• 3.4 实验
• 3.5 小结
• 4 高精度时间序列同步算法研究
• 4.1 引言
• 4.2 建立损伤检测的数学模型
• 4.3 高精度时间序列同步算法设计及分析
• 4.4 实验
• 4.5 小结
• 5 时钟同步算法能耗优化研究
• 5.1 引言
• 5.2 时钟同步算法中影响能耗的因素
• 5.3 时钟同步精度与能耗优化
• 5.4 小结
• 6 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录1 攻读博士学位期间发表/接收的论文