無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低復(fù)雜度同步技術(shù)研究

2.14萬字
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摘 要
時(shí)間同步是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)重要支撐技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的許多應(yīng)用和關(guān)鍵技術(shù)都是以網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)保持時(shí)間同步為基礎(chǔ)的。
本文在前人研究的基礎(chǔ)上對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步技術(shù)進(jìn)行具體的研究、討論研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步算法的必要性、系統(tǒng)的時(shí)鐘同步模型、同步技術(shù)及分類，分析各種同步機(jī)制并進(jìn)行比較。重點(diǎn)研究的是LTS（Lightweight tree - based synchronization）同步算法，這是針對低精確度要求的應(yīng)用環(huán)境而研究的一種算法。 LTS同步機(jī)制主要目的是降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)在同步過程中的復(fù)雜度和成本。本文闡述LTS算法設(shè)計(jì)思想、原理并對能耗、精度、魯棒性等問題進(jìn)行分析，針對此算法中潛在的不夠節(jié)能的方面進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)算法的優(yōu)化。
本文在NS-2網(wǎng)絡(luò)環(huán)境仿真平臺(tái)下，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) LTS 算法和改進(jìn)的LTS算法，并對結(jié)果進(jìn)行對比分析。從進(jìn)行同步的數(shù)目、樹狀拓?fù)涞纳疃?、精度這三個(gè)指標(biāo)來分析對比算法在節(jié)能方面的效果，有效地驗(yàn)證改進(jìn)算法的優(yōu)越性，同時(shí)驗(yàn)證算法中樹狀拓?fù)涞纳疃扰c同步精度滿足線性關(guān)系。


關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，時(shí)間同步算法，LTS算法，NS-2


Study of Low-complexity Synchronization in Wireless Sensor Network
Abstract
Time synchronization is an importantly supportive technology in wireless sensor network. Many applications and other key technologies are all based on the presupposition that all nods in the network have the same time.
Based on the existing theories and Productions, this dissertation is to further research on time synchronization of WSNs, analyze the need to time synchronization algorithm of WSNs, clock model, synchronization classification, and discuss several time synchronization mechanisms and make comparison.Then the lightweight tree-based synchronization (LTS), which is used for the environment where The demand of accuracy is low, is especially analyzed.The main purpose of LTS synchronization mechanism is to reduce the complexity and cost in the process of synchronizing for the wireless sensor network sensor node.In this paper the LTS algorithm design ideas, principle are introduced and the energy consumption, precision and robustness are analyzed detailedly.In order to reduce energy communication, LTS is improved in this paper.
By using NS-2 emulator,the LTS and improved algorithm are executed.By comparing the simulation results in terms of the number of the synchronization,the depth of the spanning tree, accuracy,we can see the improved algorithm reduces the energy consumption of synchronization,and at the same time, the accuracy of synchronization deteriorates linearly asthe depth of the spanning tree increases.

Key words: wireless sensor network，Time synchronization，LTS,NS-2


目錄
第一章 緒 論 1
1.1 研究背景 1
1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 1
1.2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成 1
1.2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧 2
1.2.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及面臨挑戰(zhàn) 3
1.2.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 3
1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步 4
1.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 4
1.5 論文的主要工作和組織結(jié)構(gòu) 5
第二章 傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步綜述 6
2.1 時(shí)間同步的必要性和要求 6
2.2 時(shí)間同步的基本原理 7
2.3 典型的時(shí)間同步算法 8
2.3.1 參考廣播時(shí)間同步協(xié)議—RBS 8
2.3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議—TPSN 9
2.3.3 洪泛廣播時(shí)間同步協(xié)議—FTSP 10
2.4 傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議分析比較 10
2.5 小結(jié) 11
第三章 低復(fù)雜度時(shí)間同步（LTS）算法的研究和改進(jìn) 12
3.1 LTS 算法設(shè)計(jì)目標(biāo) 12
3.2 集中式多跳同步算法 13
3.2.1 算法描述和流程 13
3.2.2 算法分析 14
3.3 分布式多跳同步算法 17
3.3.1 算法描述和流程 17
3.3.2 避免循環(huán)問題分析 17
3.3.3 分布式多跳同步算法改進(jìn) 18
3.4 小結(jié) 18
4.1 NS2仿真平臺(tái) 19
4.1.1 NS-2 原理概述 19
4.1.2 使用NS-2進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真的一般過程 19
4.2 時(shí)間同步算法的仿真實(shí)驗(yàn) 20
4.2.1 擴(kuò)展NS-2構(gòu)件庫添加WSN時(shí)間同步協(xié)議 20
4.2.2 仿真參數(shù)配置 22
4.3 仿真結(jié)果與分析 24
4.4 小結(jié) 28
致謝 30
參考文獻(xiàn) 31