无线传感器网络结课论文

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目录

一.无线传感器网时间同步技术综述 (1)

<一>引言 (1)

<二>同步技术研究现状 (1)

<三>时间同步算法 (2)

3.1泛洪时间同步协议 (2)

3.2 RBS 协议 (2)

3.3LTS协议 (3)

<四>小结 (3)

二.基于无线传感器网络的环境监测系统 (3)

<一>网络系统简介 (3)

<二>网络系统结构 (3)

2.1总体结构 (3)

2.2传感器节点结构 (4)

2.3汇聚节点结构 (5)

<三>应用无线传感器网络的意义 (6)

三．学习心得 (7)

四. 参考文献 (8)

一.无线传感器网时间同步技术综述

<一>引言

无线传感器网络 ( Wireless Sensors Network，WSN) 是一种在一定区域内投放大量的传感器节点，通过无线通信形成的一个单跳或多跳的自组织式的网络系统，它通常采集和处理监测区域中被感知目标的信息，并通过网络发送给主机端以提高人类对物理环境的远端监视和控制能力。无线传感网络技术在交通、国防、医学、农业等方面有着重要的运用。无线传感器网络由大量的节点构成，通常包括传感器节点、汇聚节点和任务管理节点。大量体积小、精度高的传感器节点随机部署在监测区域内，通过自组织的方式构成网络。传感器节点将监测到的数据传输给其它传感器节点，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达任务管理节点。用户则通过任务管理节点发布监测任务以及收集监测数据，对无线传感器网络进行管理。

无线传感器网络是许多领域里的关键技术之一，而时间同步则是无线传感器网络中的关键技术之一。简而言之，在检测与监视某对象的过程中，目标定位和追踪、协同数据处理、能量管理等都对物理时间的精确度都有着敏感的需求。因此，无线传感器网络的应用通常需要一个适应性比较好的时间同步服务，以保证数据的一致性和协调性。此外，数据融合、通信信道复用等也都需要时间同步的保障。所以，如何根据无线传感器网络的特点对物理时间进行同步是一个重要的问题。

目前，学术界和业界对无线传感器网络的时间同步技术进行了一定的研究，本章节描述了无线传感器网络时间同步技术的研究现状，对3种不同时间同步机制的经典算法进行分析和比较。

<二>同步技术研究现状

时间同步技术相对于计算机网络的相关技术而言尚为年轻，自从2002年学术会议Hot Nets上首次提出了时间同步这一研究课题后，到目前为止，无线传感器网络的时间同步技术也取得了一定进展，同时也开发出了多种极其有价值时间同步的算法。

目前，对于单跳网络的同步研究已趋于成熟，但由于同步误差的累积，导致单跳网络的同步技术难以扩展到多跳网络，使得多跳网络的同步技术研究较为薄弱。若再考虑节点的移动性，则会极大增加同步技术的研究难度。因此，无线传感器网络的时间同步技术还有很大的研究空间。

<三>时间同步算法

3.1泛洪时间同步协议

泛洪时间同步协议( Flooding Time Synchronization，FTSP)的目标是实现整个网络的时间同步并且误差控制在μs 级，可以灵活的适应大量的传感器节对网络拓扑结构的变化或节点的失效有容错性。该算法通过采用 MAC 层标记时间戳和线性回归偏差补偿弥补了相关的错误源。

FTSP通过发送节点广播同步信息，在广播范围内的接收节点根据同步信息中的全局时间，计算自身与发送节点间的时钟偏差，实现在广播范围内的接收节点与发送节点的时间同步。如下图1所示。

根节点第一层节点第二层节点

图1 FTSP时间同步

FTSP 可以应用在已有的多跳时间同步协议上，以增加它们的精确度。它和先前的时间戳算法不同，因为它除了传播时间外，排除大部分同步错误源，并利用单一的广播信息确定发送和接受者间的同步点。FTSP在动态leader-election 算法中结合时钟偏差补偿算法显示出突出的性能。

3.2 RBS协议

RBS ( Reference Broadcast Synchronization)是无线传感器时间同步技术领域的开创性成果。该算法通过指定的“时标”节点周期广播时间信息分组，位于广播域内的节点用各自的时钟记录接收到该分组的时间，随即接收节点再两两互换消息以确定节点之间的时钟偏移量，最终达到各节点的时钟同步。

在RBS中，节点周期性地无线广播beacon消息给它的邻居节点，邻居节点利用广播 beacon到达地时间作为参照以比较时钟。邻居节点间互相交换本地时间戳计算偏差，并以此同步各个时钟。

该协议的一个优点就是缩短了关键路径。对于传统的时钟同步协议关键路径是指从发送端读取时钟到接收端读取时钟所经过的时间，其中包含了信息包在进

入信道之前在网络适配器(内的停留时间，如图2所示。而 RBS 的关键路径指从信息包进入信道到最后一个接收端读取时钟所经过的时间，消除了发送和访问时间，从而提高了精度，这也是 RBS 的优点所在，从图2可以看出RBS 协议和传统的基于发送接收方式的时钟同步协议在影响非决定性误差上有明显的差异。

（a）传统的时间同步协议（b）RBS协议

图2关键路径对比

RBS算法的缺点是需要用于广播交换以得到成对节点同步的开销。随之网络密度的增加，这种开销也随之增加。已有人提出一种对RBS改进的同步算法，可以在多跳网络间实现同步。为了达到处于不同区域的节点实现同步，需要建立一条用于交换时间戳的时间同步的网关多跳链。

3.3LTS协议

LTS协议( Lightweight Time Synchronization)同步算法实用于低成本、低复杂度、对时间同步精度要求并不是很高的传感器节点时间同步。通过减少时间同步的频率和参与同步的节点数目，在满足同步精度要求的同时降低节点的通信和计算开销，减少网络能量的消耗。

LTS协议主要分为集中式和分布式两类 LTS多跳时间同步算法。集中式 LTS 多跳同步算法是单跳同步的简单线性扩展，其基本思想是构造低深度的生成树，然后以树根为参考点，依次向叶节点进行逐级同步，最终达到全网同步。

在分布式 LTS 多跳同步算法中，任何节点 j 在需要同步时都可以发起同步请求，从参考节点到节点 j 路径上的所有节点采用节点对的同步方式，逐跳实现与参考节点的时间同步。当所有节点需要同时进行时间同步时，集中式多跳同步算法更加高效; 当部分节点需要频繁进行同步时，分布式机制需要相对较少的成对同步。

<四>小结

通过上述分析与介绍，可以看到现有的时间同步协议算法都有着自身的缺