無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中時間同步和時隙分配算法研究.pdf

1、隨著無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks, WSN）成為無線通信網(wǎng)絡(luò)的一個重要研究方向，并且在實(shí)際生活中得到廣泛的應(yīng)用。媒介訪問控制(Medium Access Control, MAC)協(xié)議為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供無線信道的分配策略，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)部分和關(guān)鍵技術(shù).
　　 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，基于時分多址(Time Division Mult

2、iple Access, TDMA)的MAC協(xié)議與基于競爭的MAC協(xié)議相比，具有實(shí)時性好、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，信道利用率高，良好的睡眠／喚醒機(jī)制等特點(diǎn)，更適用于實(shí)時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用。在帶來諸多好處的同時，基于TDMA的MAC協(xié)議同樣帶來了兩個關(guān)鍵挑戰(zhàn)：時間同步協(xié)議和時隙分配算法。
　　 本文以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用為背景，研究了基于TDMA的MAC協(xié)議中時間同步協(xié)議和時隙分配算法的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)，并取得了有意義的結(jié)果

3、。
　　 對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的時間同步協(xié)議，本文從同步精度和安全性兩個方面入手，分析了時間同步協(xié)議的精度需求和所面臨的安全威脅，并提出了一種基于虛擬時間戳的多源時間同步協(xié)議(Virtual Time-stamp Synchronization Protocol with Multi-references， MVTSP)。與當(dāng)前多數(shù)基于交換時間信息的同步方式不同，MVTSP的基本思想是利用本地記錄的多個鄰居節(jié)點(diǎn)同步報文的到達(dá)時間

4、來作為同步基準(zhǔn)，而非報文中所包含的時間戳，能夠有效地防御篡改報文攻擊。而對于MVTSP所面臨的內(nèi)部冒充節(jié)點(diǎn)攻擊威脅，本文在MVTSP的基礎(chǔ)上提出了一種基于虛擬時間戳的安全時間同步協(xié)議（Secure Virtual Time-stamp Synchronization Protocol with Multi-references, SMVTSP）。SMVTSP的基本思想是本地節(jié)點(diǎn)通過對鄰居節(jié)點(diǎn)周期發(fā)送的同步報文的時間進(jìn)行觀測，并根據(jù)這些觀

5、測結(jié)果為節(jié)點(diǎn)建立相應(yīng)的信譽(yù)檔案，再通過本地驗(yàn)證和時鐘校正兩個步驟，消除大多數(shù)延時攻擊引入的誤差。仿真結(jié)果表明，當(dāng)冒充參考源的個數(shù)占總時間參考源的比例小于30％時，SMVTSP可將同步誤差限定在15us以內(nèi)。
　　 對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的中心式時隙分配問題，即廣播式調(diào)度問題(Broadcast Schedule Problem, BSP)，本文提出了一種基于蟻群著色的時隙調(diào)度算法(Ant-based Vertex Coloring

6、， AVC)。為了解決BSP問題，AVC將分成兩個步驟來完成時隙分配。第一個階段，利用蟻群著色算法獲得滿足兩跳無沖突條件下的，最小幀長度M以及初始解集合。在第二階段以信道利用率為優(yōu)化目標(biāo)，AVC將利用前一階段所獲得的結(jié)果，在初始解的基礎(chǔ)上執(zhí)行貪婪算法，嘗試為節(jié)點(diǎn)分配空閑的時隙。從仿真結(jié)果來看，AVC能很好的解決BSP問題，尤其在拓?fù)鋸?fù)雜，節(jié)點(diǎn)的密度較大的情況下，AVC能帶來明顯的提升。
　　 最后，本文介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在無線