无线传感器网络中时间同步和定位技术研究

论文摘要

进入21世纪以来,无线通信技术、微电子技术和计算机网络技术等科技领域都得到快速地发展。而综合了传感器技术、嵌入式技术、分布式信息处理技术和无线通信技术,能够实时地监测和采集环境或监测对象的信息并进行处理的无线传感器网络技术则被认为是本世纪最重要的技术之一,具有十分广阔的发展前景。时间同步和定位技术是无线传感器网络的两项关键技术,因此,对这两项技术的研究具有重大的理论意义和实际价值。本文的主要内容是对无线传感器网络的时间同步和定位技术进行研究。在简单介绍了相关概念之后,对这两种无线传感器网络应用中的关键技术进行详细的阐述。在对时间同步的研究中,借鉴Internet上广泛使用的NTP同步协议和RBS、BTS等已有的同步协议,结合无线传感器网络的特点,提出了TSA同步算法。该算法采用单应答节点,以捎带技术减小所需传递信息的个数；建立数据缓冲区,对数据进行线性拟合以平滑误差抖动,在精度上有一定提高,算法复杂度也能满足传感器节点低能耗的要求。在对定位算法的研究中,使用Cricket2.0系统作为实验设备。先是分析了该系统采用的三边测量定位算法,然后用实验证明了信标节点之间的位置和距离都对定位算法有很大影响。结合对实验结果的总结和对设备程序的研究,判断出该系统的有效区域。为了提高精度和稳定性,依据实验设备的特点,采用TDOA算法中的Fang算法作为三边测量法的改进,对其算法过程进行阐述。最后,将两种算法编制程序并通过实验设备分别实现。将实验采集的数据进行比较,可以看出改进后的系统在精度和稳定性上都有提高。。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 发展与现状
• 1.3 研究内容和论文结构
• 第二章 无线传感器网络概述
• 2.1 无线传感器网络构成
• 2.1.1 无线传感器网络结构
• 2.1.2 无线传感器网络节点构成
• 2.1.3 无线传感器网络协议栈
• 2.2 无线传感器网络特点
• 2.3 无线传感器网络关键技术
• 2.4 无线传感器网络的应用
• 2.5 TinyOS操作系统
• 2.5.1 TinyOS操作系统
• 2.5.2 TinyOS操作系统的特点
• 2.6 Cricket系统
• 2.7 总结
• 第三章 TSA算法
• 3.1 时间同步技术介绍
• 3.1.1 物理时间的分类分析
• 3.2 时间同步技术的标准
• 3.3 NTP协议
• 3.3.1 简介
• 3.3.2 NTP协议的工作模式
• 3.3.3 时间戳概念
• 3.4 NTP协议分析
• 3.5 无线传感器网络的时间同步技术
• 3.5.1 分类
• 3.5.2 RBS协议
• 3.5.3 Time-Sync和Mini-Sync
• 3.5.4 LTS协议
• 3.5.5 TPSN协议
• 3.5.6 FTSP协议
• 3.5.7 总结
• 3.6 TSA算法
• 3.6.1 简介
• 3.6.2 不确定时延的组成
• 3.6.3 TSA算法
• 3.7 评价分析
• 3.7.1 精度分析
• 3.7.2 时间误差分析
• 3.7.3 其它性能分析
• 3.8 本章小结
• 第四章 节点定位算法
• 4.1 简介
• 4.2 测距技术
• 4.2.1 锚节点/信标节点
• 4.2.2 信号强度指示
• 4.2.3 跳数
• 4.2.4 信号时间差
• 4.2.5 到达角
• 4.2.6 TOA/TDOA
• 4.3 距离无关定位算法
• 4.3.1 质心算法
• 4.3.2 近似三角形内点测试法
• 4.3.3 DV-Hop算法
• 4.3.4 极大似然估计法
• 4.4 Cricket2.0系统定位技术分析与改进
• 4.4.1 三边测量法
• 4.4.2 信标位置对算法的影响
• 4.5 仿真结果和分析
• 4.6 Cricket2.0系统算法的改进
• 4.6.1 存在的问题
• 4.6.2 定位原理
• 4.6.3 双曲线方程组的线性化
• 4.6.4 Fang算法
• 4.6.5 模糊和无解分析
• 4.6.6 算法实验
• 4.7 小结
• 第五章 回顾与展望
• 5.1 本文研究工作回顾
• 5.2 对今后研究的展望
• 参考文献
• 致谢