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1、南京邮电大学 硕士学位论文 无线传感器网络中时间同步技术研究 姓名：高森 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：叶玲 20090301 南京邮电大学硕七研究生学位论文摘要 摘要 随着现代电子、通信和计算机技术的飞速发展，军事应用领域的无线传感器网络逐渐 进入到工业控制、医疗救护和环境监测等诸多领域，它把逻辑上的信息世界和真实的物理 世界联系在一起，实现对客观世界无处不在的监测和控制，具有非常广阔的应用前景。无 线传感器网络技术研究成为信息领域的热点。 无线传感器网络由大量的传感器节点通过网络来协作实现其强大功能，而时间同步是 需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制。由于单个节
2、点功能较弱、资源有限，节 约能量就成为设计一个有效的时间同步协议要考虑的重要因素。论文分析比较了无线传感 器网络中几种典型的时间同步协议，并通过对T P S N 协议的分析和研究，在借鉴R B S 的广 播机制的基础上提出一种T P S N 的改进算法，即B - T P S N 算法。该算法有效利用了网络中节 点的双向同步机制和广播机制，在一定的精度内达到了减少消息开销和节约能量的目的， 从而降低了能量消耗，延长了网络寿命。 本文通过时间同步专用仿真工具S i m s y n c 仿真比较了T P S N 协议和改进算法B - T P S N 在 无线传感器网络中的性能。仿真结果表明，改进算法
3、B - T P S N 相对于T P S N 算法来说确实在 能量节省上存在优势。 南京邮电丈学硕士研究生学位论文A b s t r a c t A b s t r a c t T h a n k st og r e a ta d v a n c e si ns u c hs c i e n t i f i cf i e l d s 舔m o d e me l e c t r o n i c s c o m m u n i c a t i o n s a n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , m i l i t a r ya p p l i c a t
4、 i o n so fW S N ( W i r e l e s sS e n s o rN e t w o r k s ) g r a d u a l l y c o m ei n t oi n d u s t r i a lc o n t r o l ，m e d i c a lc a r ea n de n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n ga n d m a n y o t h e ra r e a s I t ， 嘶t I lv e r yb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s ，l
5、 i n k st h ei n f o r m a t i o nw o r l da n dt h er e a lp h y s i c a lw o r l d t o g e t h e rt oa c h i e v eu b i q u i t o u sm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n go ft h eo b j e c t i v ew o r l d R e s e a r c ho n w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt e c h n o l o g yh a sb e
6、 c o m eah o tf i e l do fi n f o r m a t i o n W i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sr e a l i z ei t sp o w e r f u lc a p a b i l i t i e st h r o u g ht h ec o l l a b o r a t i o no fa l a r g en u m b e ro fs e n s o rn o d e s ，a n dt i m es y n c h r o n i z a t i o ni sr e q u i r e dt o
7、w o r kt o g e t h e rw i t l ls e n s o r n e t w o r ks y s t e ma sak e ym e c h a n i s m As i n g l en o d ef u n c t i o ni sw e a k , b e c a u s eo ft h el i m i t e d r e s o u r c e ，s a v i n ge n e r g yh a sb e c o m ea i li m p o r t a n tf a c t o ri nd e s i g n i n ga ne f f e c t i
8、 v et i m e s y n c h r o n i z a t i o np r o t o c 0 1 T h i sp a p e ra n a l y z e da n dc o m p a r e ds e v e r a lt y p i c a lw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r kt i m es y n c h r o n i z a t i o np r o t o c o l s A n dt h r o u g ht h ea n a l y s i sr e s e a r c h ，w h i c hi si nr
9、e f e r e n c e R B Sb r o a d c a s tm e c h a n i s m ，a l li m p r o v e da l g o r i t h mo fT P S Nc a m eu p ，n a m e dB T P S Na l g o r i t h m T h i sa l g o r i t h mm a k e se f f i c i e n tu s eo fn e t w o r kn o d e si nt h et w o - w a ys y n c h r o n i z a t i o nm e c h a n i s m
10、a n db r o a d c a s t i n gm e c h a n i s m s ，i no r d e rt oa c h i e v eac e r t a i nd e g r e eo fa c c u r a c yt or e d u c et h e m e s s a g eo v e r h e a da n dt h ep u r p o s eo fs a v i n ge n e r g y ，r e d u c i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n , e x t e n dt h e T h i sp a p e
11、rc o m p a r e dT P S Na l g o r i t h ma n dt h ei m p r o v e da l g o r i t h mB - T P S Ni nw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k st h r o u g hap r o f e s s i o n a lt i m es y n c h r o n i z a t i o ns i m u l a t i o nt o o l S i m s y n c S i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt
12、h ei m p r o v e da l g o r i t h mB T P S Nc o m p a r e dt oT P S Na l g o r i t h mi s i n d e e dh a v ea d v a n t a g e si nt h ee n e r g y s a v i n g 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同
13、工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：嗍蝴 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名： 导师签名：玉2 匕壁红日期：旦= ：2 ：2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 1 1 研究背景 第一章引言
14、无线传感器网络的研究最早起源于军事领域，1 9 7 8 年，在美国国防高级研究项目署 ( D A R P A ) 的资助下，卡内基梅隆大学成立了分布式传感器网络工作组( D i s t r i b u t e dS e n s o r N e t sW o r k s h o p ) ，专门研究以无线传感器网络为基础的军事监视系统n 1 。 随着半导体技术、微系统技术、通信技术、计算机技术的飞速发展，2 0 世纪9 0 年代 末在美国发端了现代意义的无线传感器网络技术。随后，各种关于无线传感器网络的研究 工作轰轰烈烈的开展起来。美国科学基金会( N S F ) 制定了W S N 研究计划，支持
15、相关理论研 究。美国国防部在C 4 I S R 计划的基础上提出了C 4 K I S R ，把W S N 作为一个重要研究领域。欧 盟第6 个框架计划将“信息社会技术”作为优先发展领域之一，其中多处涉及到对W S N 的 研究。日本总务省在2 0 0 4 年3 月成立了“泛在传感器网络 调查研究会，主要目的是对 其研究开发课题、标准化课题、社会的认知性、推进政策等进行探讨。韩国信息通信部制 定了信息技术“8 3 9 战略，其中“3 ”是指I T 产业的三大基础设施，即宽带融合网络、 泛在传感器网络、下一代互联网协议。中国2 0 1 0 年远景规划和“十五”计划中将传感器 列为重点发展的产业之一
16、。与此同时，中国下一代互联网项目、国家自然基金项目都十分 支持W S N 研究。国内外很多科研所、大学及公司都已经开展了W S N 研究，像C r o s s b o w ，I n t e l ， T e l e c o m ，N E C ，F r e e s c a l e 等公司都己经开发出了相关的产品，并且在相关的应用领域为 用户提供W S N 的解决方案。美国商业周刊和麻省理工学院的技术评论在预测未来技术发展 的报告中，分别将无线传感器网络列为2 1 世纪最有影响的2 1 项技术和改变世界的1 0 大 技术之一。无线传感器网络、塑料电子和仿生人体器官又被称为全球未来的三大高科技产 业。 无线传感器网络( W G N ：W i r e l e s sS e n s o rN e t w o r k ) 是由部署在监测区域内大量的廉 价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织的网络系统，其目的是 协作感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者n 1 。传感器、感 知对象和
