基于簇型的无线传感器网络多跳时间同步算法的研究

论文摘要

随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟,无线传感器网络在军事、环境监测、医疗护理、空间探索等方面都显示了广阔的应用前景,被认为是21世纪最有发展前景的技术之一。时间同步是传感器网络的一项重要技术,在实际应用中扮演重要的角色。现有的单跳时间同步算法的研究趋于成熟,多跳时间同步算法相对薄弱,但是鉴于传感器网络自身特点的限制,这些已有的算法并不能很好的满足其实际应用的需求。因此本文针对大规模、高密度随机部署的传感器网络应用环境融入分簇的思想,提出一种新型的时间同步算法。本文首先介绍了时间同步的基本原理、算法的性能指标以及设计要素,然后分析和比较了几种典型的传感器网络时间同步算法,在此基础上提出了一种基于簇型的多跳时间同步算法—CBTS。首先,利用Leach算法将网络划分成不同的簇,每个簇由一个簇头和若干个簇成员节点组成。然后在分簇的基础上进行节点间的时间同步,时间同步算法分为水平同步和垂直同步两个阶段来完成。在水平同步阶段,通过构建基站与簇头节点的层次拓扑结构,采用双向消息交换同步机制来完成簇头节点与基站的时间同步。在垂直同步阶段,采用双向消息交换和参考广播相结合的同步机制,来完成簇头节点和簇成员之间的时间同步,并利用最小方差线性拟合的方法估计了节点的时钟偏差,提高了时钟同步的精度,最终实现整个网络节点的时间同步。最后,在NS2平台上对CBTS算法进行了仿真测试,仿真结果表明该算法具有较低的消息交换开销和较好的同步精度。因此,CBTS算法更适合于大型规模的传感器网络应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 无线传感器网络的体系结构与协议栈
• 1.1.2 无线传感器网络的特点
• 1.1.3 无线传感器网络的应用前景
• 1.1.4 传感器网络分簇技术的特点
• 1.2 传感器网络时间同步的意义
• 1.3 传感器时间同步国内外研究现状
• 1.4 本文研究内容与论文结构
• 第二章 传感器时间同步原理
• 2.1 传感器节点的时间模型
• 2.1.1 节点的本地时钟
• 2.1.2 节点的逻辑时钟
• 2.2 影响时间同步的关键因素
• 2.3 传感器网络时间同步的设计要素
• 2.4 本章小结
• 第三章 时间同步算法的分析与研究
• 3.1 节点间的同步技术
• 3.2 典型的时间同步算法
• 3.2.1 RBS算法
• 3.2.2 TPSN算法
• 3.2.3 Tiny-Sync/Mini-Sync同步算法
• 3.2.4 DMTS算法
• 3.2.5 ESTS算法
• 3.2.6 FTSP算法
• 3.3 传感器网络时间同步算法的分析比较
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于簇型的多跳时间同步算法
• 4.1 CBTS时间同步算法的网络模型
• 4.2 数学理论
• 4.3 Leach分簇算法
• 4.4 CBTS时间同步算法的描述
• 4.5 典型的报文设计
• 4.6 CBTS算法的实现
• 4.7 误差分析
• 4.8 本章小结
• 第五章 CBTS算法的仿真测试
• 5.1 仿真工具NS2介绍
• 5.2 算法的仿真实验以及结果分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间发表论文