一种具备监听机制的时间同步算法研究与设计

摘要

近年来，随着无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）的快速发展，其相关技术也得到进一步研究。作为WSN的重要技术之一，时间同步技术是维持WSN组成节点时间一致性，保证节点协同工作的前提，在信息采集、狙击定位和数据融合等相关技术中都发挥着至关重要的作用。因此，研究时间同步技术具有重要的理论意义和宝贵的工程实现价值。然而，可靠的同步精度通常需要大量的信息交互，从而导致较大的同步开销。针对同步精度和同步开销的相互制约关系，本文以典型的双向成对时间同步算法（Timing-syncProtocolforSensorNetwork，TPSN）为基础完成了相关算法的设计，并基于CC2530硬件平台完成了实验验证和分析。　　为保证同步精度，在TPSN算法的基础上，本文设计了基于帧首定界符（StartofFrameDelimiter，SFD）的改进TPSN算法（S-TPSN）。S-TPSN算法采用SFD硬件捕获时间戳的方式消除部分延迟，保留TPSN算法即时补偿时钟偏差的同时，利用最小二乘法估计、补偿时钟漂移。星状、链状和树状结构下的实验结果表明，S-TPSN算法将星状单跳误差控制在0.968μs，将4跳链状误差控制在4.576μs，将4跳树状误差控制在3μs左右（最大为3.061μs，最小为2.868μs）。S-TPSN算法将同步精度控制在微秒级，保证了同步精度。　　在保证同步精度的基础上，针对同步开销大的问题，本文在S-TPSN算法的基础上引入广播机制，充分结合接收方-接收方、发送方-接收方的同步方式，设计了一种具备监听机制的时间同步算法（OS-TPSN）。在保留S-TPSN算法硬件捕获时间戳和同步误差补偿方式的同时，OS-TPSN算法利用通信范围内节点监听双向同步包的方式实现全网同步。星状、树状结构下的实验结果表明，OS-TPSN算法将单跳同步误差控制在2.047μs；在多跳同步时，4跳监听误差中两个监听节点的同步精度分别为8.193μs和5.241μs。相比S-TPSN算法单跳同步精度0.968μs，OS-TPSN算法虽然损失了一定的同步精度，但是采用节点监听同步的方式，减少了大量的信息交互，使同步开销得到明显降低，实现了精度和能耗的相对均衡。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 WSN研究

1.3 WSN时间同步技术研究

1.3.1 WSN时间同步国内外研究现状

1.3.2 WSN时间同步主要研究难点

1.4 论文主要研究内容和组织结构

1.4.1 本文主要研究内容

1.4.2 论文组织结构

2 WSN时间同步算法研究与实验平台分析

2.1 WSN时间同步基本知识

2.1.1 时间同步必要性分析

2.1.2 节点时钟模型

2.1.3 时间同步基本原理

2.2 影响WSN时间同步的关键因素

2.2.1 时钟误差

2.2.2 消息延迟分析

2.3 WSN时间同步算法分类

2.3.1 接收方-接收方时间同步算法（R-R）

2.3.2发送方-接收方时间同步算法（S-R）

2.4 典型时间同步算法研究

2.4.1 参考广播时间同步算法

2.4.2 双向成对时间同步算法

2.4.3 泛洪时间同步算法

2.4.4 典型时间同步算法的比较与分析

2.5 平台分析

2.5.1 CC2530芯片分析

2.5.2 IAREW8051分析

2.6 本章小结

3 基于SFD捕获的改进TPSN算法S-TPSN

3.1 典型TPSN算法分析

3.2 S-TPSN算法研究与设计

3.2.1 SFD捕获

3.2.2 S-TPSN算法设计

3.3 S-TPSN算法实现

3.4 实验结果及分析

3.4.1 星状结构实验及分析

3.4.2 链状结构实验及分析

3.4.3 树状结构实验及分析

3.5 本章小结

4 一种具备监听机制的时间同步算法OS-TPSN

4.1 研究背景

4.2 OS-TPSN算法研究与设计

4.2.1 监听思想

4.2.2 OS-TPSN算法设计

4.3 OS-TPSN算法实现

4.4 实验结果及分析

4.4.1 星状结构实验及分析

4.4.2 树状结构实验及分析

4.5 三种算法研究与分析

4.5.1 精度研究与分析

4.5.2 能耗对比及分析

4.6 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果