无线传感网络中时钟同步的研究-毕业论文.docx
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毕业设计说明书
中北大学
学生姓名：
学号：
学院、系：
专业：
通信工程
论文题目：
无线传感网络中时钟同步的研究
指导教师:
2012年6月4日
目录
第一章引言 6
1.1研究背景 6
1.2研究的目的和意义 8
1.3论文的主要工作 9
1.4本章小结 10
第二章无线传感器网络概述 10
2.1无线传感器网络节点 10
2.2无线传感器网络概念 12
2.3无线传感器网络结构 13
2.3.1网络体系结构 13
2.3.2分层结构 14
2.4无线传感器网络的关键技术 15
2.4.1网络拓扑技术 15
2.4.2路由控制技术 15
2.4.3数据融合技术 16
2.4.4时间同步技术 17
2.4.5定位技术 18
2.4.6网络安全技术 18
2.5无线传感器网络的应用 19
2.5.1军事领域 19
2.5.2民用领域 20
2.6无线传感器网络的能源策略问题 21
2.6.1能量消耗 22
2.6.2几种主要的节能策略 22
2.7本章小结 25
第三章典型无线传感器网络时间同步算法分析 26
3.1无线传感器网络时间同步机制的性能指标 26
3.2无线传感器网络时间同步算法分类 28
3.3传统无线传感器网络时间同步机制 29
3.3.1RBS时间同步机制 29
3.2RBS多跳时间同步的简单拓扑结构 30
3.3.2AdaptiveRBS时间同步机制 32
3.3AdaptiveRBS多跳时间同步 32
3.3.3TPSN时间同步机制 33
3．5每个子节点各自与上层节点同步 34
3.3.4LTS时间同步机制 34
3.3.5Mini-Sync和Tiny-Sync时间同步机制 35
3.3.6DMTS时间同步机制 36
3.3.7FTSP时间同步机制 37
3.4典型时间同步算法分析 38
3.4.1时间同步消息传输延迟的分解 40
3.4.2典型时间同步算法分析 42
3.5本章小结 46
第四章TPSN的改进算法——TPSN+ 47
4.1TPSN+算法描述 47
4.2TPSN+算法实现 49
4.3TPSN+算法分析 51
4.4本章小结 53
第五章算法仿真以及结果分析 56
5.1仿真工具介绍一NS2 56
5.1.1NS2平台简介 56
5.2NS2仿真模拟 57
5.3本章小结 62
第六章结束语 63
致谢 64
参考文献 65
附录 68
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TPSN协议的分析和研究，在借鉴RBS的广播机制的基础上提出一种TPSN的改进算法，即TPSN+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NS2仿真比较了TPSN协议和改进算法TPSN+在无线传感器网络中的性能。
仿真结果表明，改进算法TPSN+相对于TPSN算法来说确实在能量节省上存在优势。
Abstract
Withmodernelectronics,communicationandtherapiddevelopmentofcomputertechnology,militaryoftheapplicationofwirelesssensornetworkgraduallyintotheindustrialcontrol,medicalcareandenvironmentalmonitoringandmanyotherfields,itlogicofinformationontherealworldandthephysicalworldrelatesintogether,toachievetheobjectiveworldtheubiquityofmonitoringandcontrol,hastheverybroadapplicationprospects.Wirelesssensornetworktechnologyresearchbecomeahotspotinthefieldofinformation.
Wirelesssensornetworksrealizeitspowerfulcapabilitiesthroughthecollaborationofalargenumberofsensornodes，andtimesynchronizationisrequiredtoworktogetherwithsensornetworksystemasakeymechanism.Asinglenodefunctionisweak，becauseofthelimitedresource，savingenergyhasbecomeanimportantfactorindesigninganeffectivetimesynchronizationprotocol.Thispaperanalyzedandcomparedseveraltypicalwirelesssensornetworktimesynchronizationprotocols.Andthroughtheanalysisresearch，whichisinreferenceRBSbroadcastmechanism，animproveda1gorithmofTPSNcameup，namedTPSN+algorithm.Thisalgorithmmakesefficientuseofnetworknodesinthetwo-waysynchronizationmechanismandbroadcastingmechanisms，inordertoachieveacertaindegreeofaccuracytoreducethemessageoverheadandthepurposeofsavingenergy，reducingenergyconsumption，extendthenetworklifetime.
ThispapercomparedTPSNalgorithmandtheimproveda1gorithmTPSN+inwirelesssensornetworksthroughaprofessionaltimesynchronizationsimulationtool‘NS2’.SimulationresultsshowthattheimprovedalgorithmTPSN+comparedtoTPSNa1gorithmisindeedhaveadvantagesintheenergy-saving
第一章引言
1.1研究背景
无线传感器网络的研究最早起源于军事领域，1978年，在美国国防高级研究项目署（DARPA）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（DistributedSensorNetsWorkshop），专门研究以无线传感器网络为基础的军事监视系统【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，20世纪90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（NSF）制定了WSN研究计划，支持相关理论研究。
美国国防部在C4ISR计划的基础上提出了C4KISR，把WSN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WSN的研究。
日本总务省在2004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“839”战略，其中“3”是指口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2010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。
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WSN研究。
国内外很多科研所、大学及公司都已经开展了WSN研究，像Crossbow，Intel，Telecom，NEC，Freescale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WSN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21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10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【1】。
无线传感器网络（WSN:
WirelessSensorNetwork）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。
传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。
微电子、网络和无线通信等技术的进步，推动了低功率、多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。
传感器网络具有广阔的应用前景，传统应用有军事、监控、应急、环境、防空等领域，新兴的应用将涉及家用、企业管理、保健、交通等领域。
可以预计，将来无线传感器网络将无处不在。
比如家庭采用无线传感器网络负责安全、调控、节电、保健等；企业和社区采用无线传感器网络负责保安与安全、供应监测、人员流动与车辆进出等；服务业采用无线传感器网络负责商品流通、服务环境秩序、金融流通安全等。
各种社会活动中，无线传感器网络的应用更是举不胜举。
传感器网络自诞生以来经历了四代的发展历程，如图1.1所示:
第一代传感器网络出现在20世纪七十年代。
使用具有简单信息信号获取能力的传统传感器，采用点对点传输，连接传感控制器构成传感器网络。
第二代传感器网络具有获取多种信息信号的综合能力，采用串、并（RS232，RS485）接口连接传感控制器，形成综合多种信息的传感器网络。
第三代传感器网络出现在20世纪九十年代后期和本世纪初，采用具有智能获取多种信息信号的传感器，采用现场总线连接传感控制器，构成局域网，成为智能化传感器网络。
第四代传感器网络，采用大量多功能多信息信号获取能力的传感器，采用自组织无线接入方式，与传感控制器连接形成无线传感器网络。
网络覆盖
域覆盖
总线覆盖
面覆盖
接口覆盖
线覆盖
直线覆盖
点覆盖
1965第一代1980第二代1995第三代2005第四代（年）
图1.1传感器网络发展历程
1.2研究的目的和意义
无线传感器网络处于新技术的最前沿，目前尚存在着许多值得探讨的热点课题。
主要包括硬件设计平台[2][3]、器件能耗模型[2][4][5]、节能技术[6][7]、资源定位[8][9]等等多方面的研究。
国际上从2000年开始出现一些有关传感器网络研究结果的报道，我国在无线传感器网络方面的研究工作相对来说还是比较少，但是由于无线传感器网络是一门新兴技术，国外的水平差距并不是很大，及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究，对整个国家的社会、经济将有重大的战略意义。
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。
传感器网络自身协议的运行及基于其上的应用，如：
时间同步能够用于形成分布式波束系统、构成TDMA调度机制和多传感器节点的数据融合，在节点间实现同步的基础上，用时间序列的目标位置检测可以估计目标的运行速度和方向，通过测量声音的传播时间能够确定节点到声源的距离或者声源的位置。
无线传感器网络中不同应用对同步精度、同步保持时间的长短、同步区域的大小需求各不相同，如协同休眠等需要全网时间同步精度一直保持毫秒级:
而对于目标跟踪类应用只需要目标临近的局部节点保持微秒级同步精度，同步持续时间与目标的驻留时间成正比。
传感器网络的多样性导致了对时间同步机制需求的多样性，不可能用一种时间同步机制满足所有的应用要求。
在传统网络中提出了多种网络时间同步机制，如网络时间协议[10]（NTP:
NetworkTimeProtocol），它被Internet用作网络时间同步协议，GPS[11]、无线测距等技术也用来提供网络的全局时间同步。
但深入的研究表明[15]，这些时间同步技术都不适用于无线传感器网络中。
NTP协议是针对静态网络的，而传感器网络是一种动态网络;NTP协议需要通过频繁地交换消息来不断校准时钟频率偏差带来的误差，并通过复杂的修正算法消除时间同步消息在传输和处理过程中的非确定性因素干扰，CPU使用、信道监听和占用都不受能耗的约束，而传感器网络中多数节点是无人值守的，仅携带少量有限的能量，属于低能耗的网络;NTP协议对于精度的要求不是很敏感，只需达到毫秒级即可，而传感器网络的有些应用中要求时间同步的精度能达到微秒级，甚至纳秒级;NTP协议需要基础设施的支持，而传感器网络是无需基础设施支持的。
虽然采用GPS接收器进行时间同步是一种常用的同步手段，而且GPS系统能够以纳秒级精度与世界标准时间UTC保持同步，但是GPS对环境要求苛刻，在有遮挡的情况下，如树林中、建筑物内不能正常工作，而且价格比较昂贵，功耗较大，只可能为极少数节点配备GPS接收机。
这些节点为传感器网络提供基准时间，并不适合在传感器网络的每一个节点上配备。
由于无线传感器网络的特点，以及能量、价格和体积等方面的约束存在，设计满足无线传感器网络时间同步精度的时间同步协议，并进行仿真分析和验证，具有重要的理论研究意义和实践价值。
S.Ganeriwal在文献[12]中指出目前传感器网络的时间同步研究集中于三种不同的同步模型:
第一种可能是最简单的模型，仅仅用来确定事件发生的正确的顺序，重点是维护两个传感器节点感知事件之间的时间关联，而不是节点之间的事件同步。
第二种模型相对复杂，用来维持节点之间的相对时间。
第三种是最复杂的“always-on”模型，每个节点都维持一个时钟，整个网络内所有节点都同步一个参考节点，目的是维护整个网络格局唯一的时间量程。
但传感器网络是应用相关的，对时间同步要求多种多样的，没有到处都适用的万能方法，因此，应结合特定的应用领域研究时间同步机制。
1.3论文的主要工作
第一章主要介绍本文时间同步研究的背景和意义；
第二章介绍了无线传感器网络的发展、关键技术和应用:
第三章着重介绍了现在应用较广泛的传统无线传感器网络时间同步的协议，并进行了分析:
第四章在TPSN的基础上结合RBS广播机制提出了一种改进算法TPSN+，并进行了分析:
第五章对TPSN+算法进行了仿真，并给出了分析结果:
第六章对本论文总结。
1.4本章小结
本章介绍了本论文的研究背景，无线传感器网络中的时间同步技术在国内外的研究现状，并简要介绍了几种常用的时间同步技术，分析了它们的优点与不足之处。
给出了论文主要研究的内容，并指出论文的意义所在。
最后是论文内容的组织结构。
第二章无线传感器网络概述
2.1无线传感器网络节点
传感器节点-般都有数据采集、数据处理、数据传输和电源系统这四个部分组成。
如图2.1所示。
移动系统
节点定位系统
处理单元通信模块
处理器
存储器
传感单元
无线通信模块
传感器
模数转换
电源自供电系统
电源
图2.1无线传感器节点结构
数据采集部分包括各种传感器和模数转换器，传感器用于感知并获取需要的各种外界信息，并通过模数转换将信息转换成处理器能处理的数字信号，被检测信号的形式决定了所需要的传感器的类型。
数据处理部分包括嵌入式处理器和存储器，主要用来协调传感器节点各部分的协同工作，比如对传感器获得的信息进行处理，对电源工作模式的自动选择等，一些复杂的应用可能还需要嵌入式数字信号处理COSP）芯片的支持。
通常选用的微处理器如Motorola的68HC16、Atmel公司的Atmelga128L和ARM等。
数据传输部分负责与其它传感器节点或者数据中心通信。
所使用芯片的特点是低功耗、距离短，比如Chipcon公司的CC2500等。
电源部分为节点上各个部分提供正常工作所必要的能源，通常是采用银锌纽扣电池或者碱性电池。
目前，产品化的传感器节点主要有Crossbow公司MIC/MIC2/MICA200T/MICAz系列，市场占有率比较高，很多的研究都是基于这些平台的。
以MIC2系列为例，MIC2属于第三代微型无线传感器平台，采用Atmel公司的Atmelga128L处理芯片以及Chipcon公司的CCI000元线通信芯片，有868/916MHz和433/315MHz通信频段。
采用了TinyOS操作系统，支持片上调试。
节点上有光强、温度、压力、加速度等多种传感器，电源方面采用了两节AA碱性电池供电，工作时间可达1年。
无线传感器网络节点需要操作系统和应用软件为传感器提供必要的软件支持。
在嵌入式操作系统中，TinyOS是无线传感器网络领域最常用的操作系统。
TinyOS是由加州大学伯克利分校开发的一个开源的嵌入式操作系统，它采用）组基于组件（Component-Based）的架构方式，优点是在其上能够快速实现各种应用。
TinyOS的程序采用的是模块化设计，所以它的程序核心往往都很小，非常适合资源少的传感器节点处理芯片。
TinyOS本身可以提供一系列的组件，可以方便编制应用程序。
TinyOS的主要特点是：
1.TinyOS是一个开源的系统，方便研究学习和使用:
2.TinyOS是基于组件的架构，并且自身可以提供一系列的重要组件，方便用户编程:
3.TinyOS是基于时间驱动模式，采用时间触发方式唤醒节点工作:
4.TinyOS没有内核、虚拟内存管理和进程管理等复杂的模式，支持传感器网络的自主配置。
在程序的编制方面，采用nesC语言，是基于能够体现TinyOS的结构化组件化概念和执行模型而设计的。
TinyOS中的各组件和库文件都是采用nesC语言编写的。
在nesC语言中，程序由组件构成，把这些组件装配在一起构成完整的程序。
TinyOS有自己的查询处理系统一一TinyDB，它能够实现从无线传感器网络中的各传感器节点上提取感兴趣的数据信息。
TinyDB使用分布式查询语言（DistributedAQP），提供了一个简单的类似SQL的接口，能够通过设置参数，对数据进行过滤和聚集。
2.2无线传感器网络概念
通常人们认为短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络使用，所以一般称作无线传感器网络。
传感器网络的基本要素传感器节点是由电源、感知部件、嵌入式处理器、存储器、通信部件和软件部分构成。
电源提供正常工作所需要的能源。
感知部件感知、获取外界信息，并将其转化成数字信号。
处理部件协调节点各部分的工作，如对感知部件获取的信息进行必要的处理、保存，控制感知部件和电源的工作模式等。
通信部件负责与其它传感器或者观察者的通信。
软件则为传感器提供必要的支持，如嵌入式操作系统、嵌入式数据库系统等。
2.3无线传感器网络结构
2.3.1网络体系结构
大量微小的无线传感器节点被随机地播撒在特定的不易布设固定网络设施的探测区域内。
这些节点以自组织的方式动态地构建网络，协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内任何时候和任何地点的特定信息，嵌入式系统对这些数据进行网内计算和一定规则的数据融合，并通过随机自组织无线通信网络以多中继方式借助临时或长期无线链路将整个监测区域内的数据发送到远程终端进行集中处理。
WSN网络一般包括:
传感器节点，Sink节点，互联网络和用户终端，如图2.2所示。
一般来说，普通的传感器节点计算处理能力有限，发射功率较低，而Sink节点具有较多能量，发射功率较大，计算处理能力也比普通节点强大，能把采集到的数据发送到远程控制节点。
Sensor Sensorfield nodes
User
图2.2典型的WSN体系结构
常用的一些实体结构模型如图2.3[16]所示，网络节点通过网关节点连接到Internet上，管理者和数据处理机都通过Internet与无线传感器网络相连。
图2．3WNS网络应用图例
2.3.2分层结构
无线器传感网络一般布设在难以接近，不易构建固定网络基础设施和不易更换节点的区域内，不同应用场合对硬件和协议的要求不同网络分层设计的主要考虑因素将是能耗的降低、网络生存期的延长以及在不可靠的环境下网络稳定性的提高.在参考开放系统互联（OS1:
OpenSystem1nternetWork）七层分层模型传输控制/网际协议簇（TCP/1P:
TransferControlProtocol/1nternetProtocol）的基础上，为无线传感器网络量身定制了如图2.4所示的分层结构，自底向上分为:
物理层、数据链路层、网络层和高层的应用。
另外，为确保与其它外部网络的连接，还可在网络层之上设置传输层。
这是一种功能精简的、针对无线传感器网络特点的、具有信息融合功能的专用分层体系.该体系结构够感知并适应动态的网络拓扑。
图2．4WSN分层结构
2.4无线传感器网络的关键技术
无线传感器网络作为当今信息领域的研究热点，涉及多学科交叉的研究领域，有很多关键技术有待发现和研究，以下介绍部分关键技术。
2.
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