無線傳感器網(wǎng)絡中的同步算法及能耗研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡是一個典型的分布式無線通信網(wǎng)絡系統(tǒng)。組成無線傳感器網(wǎng)絡的各節(jié)點因各種固有原因都有自己的時鐘，有必要制定適用于無線傳感器網(wǎng)絡的同步算法保證傳感器節(jié)點達到一定精度的時鐘同步，才能夠保證傳感器節(jié)點之間相互穩(wěn)定、協(xié)調(diào)的工作。
　　 另外，同步算法一般是由傳感器節(jié)點間相互通信，交換大量包含時間信息的數(shù)據(jù)包來達成傳感器節(jié)點間高精度的時鐘同步，因此傳感器節(jié)點會在時間同步過程中消耗大量的能量。由于傳感器節(jié)點是由有限能量的電池供電，

2、因此，必須制定一個優(yōu)化策略兼顧較高的時鐘同步精度和低能耗。
　　 本文根據(jù)以上兩點作了如下幾方面工作：
　　 (1)介紹用于無線傳感器網(wǎng)絡的同步算法的相關理論知識以及能耗知識，為下文的同步算法設計及節(jié)能策略研究做好理論基礎。
　　 (2)研究一種新型的應用于無線傳感器網(wǎng)絡的概率參考廣播同步算法。
　　 由于算法本身的限制以及延遲測量誤差的不確定性，參考廣播同步算法要達到某一確定的較高時鐘同步精度，只能采用

3、重復同步過程這個辦法來減少誤差。重復同步需要節(jié)點進行大量的同步信息包傳輸以及同步計算，這將使節(jié)點消耗大量的能量，不符合無線傳感器網(wǎng)絡低能耗的要求。
　　 應用于傳統(tǒng)分布式系統(tǒng)的概率時鐘同步算法主要適用于在不能確切知道傳輸延遲分布的網(wǎng)絡中。該算法充分考慮存在通信故障，如通信沖突、信息包丟失情況下，確保節(jié)點時鐘在一定概率下的同步精度。本文根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡的特點，將概率時鐘同步的方法應用在參考廣播同步算法中，使之能在無線傳感器網(wǎng)絡中

4、使節(jié)點以較低的失效概率得到較高的同步精度。經(jīng)過理論推導驗證了該算法的可靠性和可行性，最后，在改進的MICA節(jié)點實驗平臺上了，驗證了概率參考廣播同步算法的同步精度高于參考廣播同步算法的同步精度。
　　 (3)研究一種新型時間序列同步算法。
　　 由于一般的同步算法的同步精確度受傳輸延遲影響，有可能不符合某些實際應用的高精度要求，如用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡，因此研究一種時間序列同步算法。該算法的基本實現(xiàn)方法是，首先利

5、用傳統(tǒng)的時鐘同步算法使網(wǎng)絡中傳感器節(jié)點進行初步時鐘同步，然后傳感器節(jié)點記錄無損信號序列并存在本地，接著根據(jù)比較傳感器記錄的有損信號序列和無損信號序列的“序列能量”差異，用自排列的方法使時間序列達到較高的同步精度，從而得到更精確的損傷散射模型。經(jīng)實驗證明時間序列同步算法精確度與采樣精度相當，精確度明顯高于傳統(tǒng)的時間同步算法。
　　 (4)同步算法的能耗優(yōu)化研究。
　　 本文分析了在同步算法中影響能耗的幾個因素：無線通信質(zhì)量

6、、同步對象、時鐘偏移率、時鐘同步精度、同步范圍等，并根據(jù)這幾個方面研究節(jié)能策略。另外，對于節(jié)省節(jié)點能耗，最有效的方法就是通過切換傳感器節(jié)點上器件的工作方式，使器件進入休眠狀態(tài)，減少不必要的工作時間來達到節(jié)能的目的。但由于傳感器節(jié)點間時鐘偏移率不同，節(jié)點進入休眠期后，時鐘同步的精確度會降低。同時保證高精度的時鐘同步和低功耗在實際應用中是很難實現(xiàn)的。因此，必須制定一個優(yōu)化策略兼顧較高的時鐘同步精度和低能耗。文中針對一種時鐘概率同步算法研究一