无线传感网不同拓扑结构的时间同步算法研究

论文摘要

集成了传感器、嵌入式计算、网络和无线通信四大技术的无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN）是当前备受关注的研究热点。时间同步作为无线传感器网络的一项关键支撑技术,不仅是无线传感器网络各种应用正常运行的必要条件,并且同步精度直接决定了其他服务的质量。然而,无线传感器网络自身的特性给时间同步算法的设计带来了挑战,因此研究适合传感器网络的时间同步算法受到广泛关注。本文针对现有的传感器网络时间同步算法进行了深入研究,做了如下主要工作:首先,本文简要介绍了无线传感器网络,阐述了时间同步的基本原理,然后对传感器网络中现有的一些时间同步算法进行了分类和深入分析比较。其次,传感器网络中不同的应用采用不同的拓扑模型。在综合考虑时间同步算法对能量消耗和同步精度的要求及现有同步算法的不足的基础上,针对树型拓扑结构,提出了一种基于生成树的能量高效WSN时间同步算法（TETS）,该算法结合了TPSN、RBS和tiny-sync/mini-sync算法的优点,充分利用基于CSMA的无线信道的广播特性和节点时钟漂移的线性变化规律,在树状结构的基础上结合发送者-接收者和接收者-接收者机制实现全网同步,同时对节点时钟漂移进行估计和补偿,通过逻辑时钟的构造避免节点本地时钟的突变。仿真实验表明TETS算法具有通信开销小,同步精度高、同步收敛快等优势;另外,针对传感器网络中簇状拓扑结构的特点,提出了一种基于分簇的能量高效WSN时间同步算法（CETS）,该算法建立在LEACH分簇的基础上,通过簇间同步阶段和簇内同步阶段来完成整个传感器网络的同步。在簇间同步阶段,动态构建汇聚节点和簇头节点之间的层次结构,采用成对双向消息交换的方式使簇头节点同步到汇聚节点;在簇内同步阶段,采用结合发送者-接收者和接收者-接收者机制的方式,使簇内节点与簇头节点同步。同时,对簇内节点构造逻辑时钟,对时钟漂移进行估计和补偿来提高同步精度和维持时钟的连续性。仿真结果表明该算法具有同步能耗低、同步精度高等优势。最后,对全文进行了总结,指出下一步工作的方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 图表目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究的目的和意义
• 1.3 本文的主要工作
• 1.4 本文的组织结构
• 第2章 无线传感器网络及时间同步概述
• 2.1 无线传感器网络的体系结构
• 2.1.1 网络结构
• 2.1.2 节点组成
• 2.2 无线传感器网络的特征
• 2.2.1 传感器节点的特点
• 2.2.2 无线传感器网络的特点
• 2.3 无线传感器网络时间同步基本原理
• 2.3.1 节点时钟模型
• 2.3.2 同步消息在传输中的延迟分解
• 2.4 无线传感器网络时间同步的设计要求
• 2.5 无线传感器网络时间同步算法
• 2.5.1 基于接收者-接收者的时间同步机制
• 2.5.2 基于发送者-接收者的双向时间同步机制
• 2.5.3 基于发送者-接收者的单向时间同步机制
• 2.6 传感器网络时间同步算法的分析和比较
• 2.7 本章小结
• 第3章 基于生成树的能量高效无线传感网时间同步算法
• 3.1 TETS 算法描述
• 3.1.1 TETS 算法的网络模型
• 3.1.2 算法基本思想
• 3.2 算法的实现过程
• 3.2.1 树型拓扑结构的建立
• 3.2.2 同步阶段
• 3.3 算法分析
• 3.4 仿真实验
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于分簇的能量高效无线传感器网络时间同步算法
• 4.1 CETS 算法描述
• 4.1.1 算法网络模型
• 4.1.2 算法的基本思想
• 4.2 簇的形成
• 4.3 CETS 算法实现过程
• 4.3.1 簇间同步阶段
• 4.3.2 簇内同步阶段
• 4.3.3 簇内节点逻辑时钟
• 4.4 算法分析
• 4.5 仿真实验
• 4.6 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 进一步工作的方向
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文及参加科研情况