無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作時(shí)間同步機(jī)制研究.pdf

1、隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)、無(wú)線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展，具有低成本、低功耗和多功能的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN:Wireless Sensor Network)得到了快速發(fā)展，并在國(guó)防軍事、災(zāi)害預(yù)測(cè)、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境科學(xué)和日常生活等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。然而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用卻面臨著諸多挑戰(zhàn)，如時(shí)間同步問(wèn)題。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，大量的應(yīng)用都要求傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)間保持一致。因此，如何在能量有限且惡劣的無(wú)線信道條件和時(shí)變的拓?fù)洵h(huán)

2、境中，為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供滿(mǎn)足應(yīng)用需求的時(shí)間同步算法具有重要的意義。現(xiàn)有的時(shí)間同步算法一般只是針對(duì)普通無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步精度和同步能耗的需求，無(wú)法適用于數(shù)據(jù)量大、對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能要求較高的大規(guī)模無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。因此為了解決大規(guī)模無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步精度低、可擴(kuò)展性差的問(wèn)題，必須制定一個(gè)兼顧高同步精度和良好擴(kuò)展性的時(shí)間同步算法。
　　本文摒棄了典型時(shí)間同步算法的思想，采用新型的時(shí)間同步機(jī)制，設(shè)計(jì)一種基于脈沖耦合和分布式擴(kuò)散相結(jié)合的時(shí)間同步協(xié)

3、議。首先介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)和相關(guān)理論知識(shí)，全面分析和總結(jié)了現(xiàn)有時(shí)間同步協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)，為下文的同步算法設(shè)計(jì)做好理論基礎(chǔ)。其次借鑒生物學(xué)中的螢火蟲(chóng)同步思想，研究應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的螢火蟲(chóng)同步算法，重點(diǎn)闡述了M&S模型和 RFA算法，在此基礎(chǔ)上通過(guò)引入后相應(yīng)窗口和分布式序列對(duì)RFA算法進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，并且進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。最后設(shè)計(jì)一種基于脈沖耦合和分布式擴(kuò)散相結(jié)合的協(xié)作時(shí)間同步協(xié)議PCODD，將同步分為時(shí)鐘節(jié)拍同

4、步和時(shí)間同步兩個(gè)階段。時(shí)鐘節(jié)拍同步階段，通過(guò)脈沖信號(hào)耦合來(lái)改變節(jié)點(diǎn)相位實(shí)現(xiàn)節(jié)拍同步；時(shí)間同步階段，基于雙向信息交換模式，把主節(jié)點(diǎn)域的平均時(shí)間擴(kuò)散有限的跳數(shù)，采用互擴(kuò)散使節(jié)點(diǎn)時(shí)間近似同步到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的平均時(shí)間上實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。優(yōu)化設(shè)計(jì)完成后，將 N-RFA算法和 PCODD算法在 Matlab仿真平臺(tái)上進(jìn)行了仿真實(shí)現(xiàn)。仿真結(jié)果表明，PCODD算法在不同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模中均能獲得接近百微秒的同步精度，并且具有較短的收斂時(shí)間、低同步誤差、低數(shù)據(jù)包交換的