無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的同步算法及能耗研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)典型的分布式無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點(diǎn)因各種固有原因都有自己的時(shí)鐘，有必要制定適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同步算法保證傳感器節(jié)點(diǎn)達(dá)到一定精度的時(shí)鐘同步，才能夠保證傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)間相互通信，交換大量包含時(shí)間信息的數(shù)據(jù)包來達(dá)成傳感器節(jié)點(diǎn)間高精度的時(shí)鐘同步，因此傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)在時(shí)間同步過程中消耗大量的能量。由于傳感器節(jié)點(diǎn)是由有限能量的電池供電，

2、因此，必須制定一個(gè)優(yōu)化策略兼顧較高的時(shí)鐘同步精度和低能耗。
　　 本文根據(jù)以上兩點(diǎn)作了如下幾方面工作：
　　 (1)介紹用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同步算法的相關(guān)理論知識(shí)以及能耗知識(shí)，為下文的同步算法設(shè)計(jì)及節(jié)能策略研究做好理論基礎(chǔ)。
　　 (2)研究一種新型的應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(cè)量誤差的不確定性，參考廣播同步算法要達(dá)到某一確定的較高時(shí)鐘同步精度，只能采用

3、重復(fù)同步過程這個(gè)辦法來減少誤差。重復(fù)同步需要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行大量的同步信息包傳輸以及同步計(jì)算，這將使節(jié)點(diǎn)消耗大量的能量，不符合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低能耗的要求。
　　 應(yīng)用于傳統(tǒng)分布式系統(tǒng)的概率時(shí)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(luò)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(diǎn)時(shí)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(luò)的特點(diǎn)，將概率時(shí)鐘同步的方法應(yīng)用在參考廣播同步算法中，使之能在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中

4、使節(jié)點(diǎn)以較低的失效概率得到較高的同步精度。經(jīng)過理論推導(dǎo)驗(yàn)證了該算法的可靠性和可行性，最后，在改進(jìn)的MICA節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上了，驗(yàn)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(shí)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(shí)際應(yīng)用的高精度要求，如用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，因此研究一種時(shí)間序列同步算法。該算法的基本實(shí)現(xiàn)方法是，首先利

5、用傳統(tǒng)的時(shí)鐘同步算法使網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初步時(shí)鐘同步，然后傳感器節(jié)點(diǎn)記錄無損信號(hào)序列并存在本地，接著根據(jù)比較傳感器記錄的有損信號(hào)序列和無損信號(hào)序列的“序列能量”差異，用自排列的方法使時(shí)間序列達(dá)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(shí)驗(yàn)證明時(shí)間序列同步算法精確度與采樣精度相當(dāng)，精確度明顯高于傳統(tǒng)的時(shí)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(gè)因素：無線通信質(zhì)量

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