WSN低能耗时间同步技术研究

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无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)广泛应用于当今社会诸多领域。在实际应用中要求网络内节点保持时间同步,而传感器节点晶振器的细小差异会导致节点时间不同步。因此,WSN时间同步算法是目前研究的热点之一。经典时间同步算法TPSN(Timing-sync Protocol For Sensor Networks)在时间同步前,先对全网节点进行层次划分,然后采用双向报文交换的方式逐层进行时间同步。算法的时间同步精度较高,但是在整个过程中要不断地交换大量数据包,算法通信能量消耗较高。针对经典TPSN算法能量消耗大的问题,提出低能耗时间同步算法L-TPSN(Low-energy Timing-sync Protocol For Sensor Networks)。分别在层次发现阶段和全网时间同步阶段进行研究,在保证算法同步精度的前提下降低算法的能量消耗。主要研究成果如下:(1)根据节点位置及能量在网络中选举一定数目的节点作为簇头,并将网络划分成若干个簇。在网络层次发现阶段,只有簇头节点接收上层节点广播的网络层次建立消息,收到后将自己的层次号加1并重新广播层次建立消息。当节点收到消息中所包含的层次号大于自己的层次号时忽略该条消息,直到所有的簇头节点都拥有自己的网络层次号,形成新的网络拓扑结构。与经典算法中每个节点都要建立层次的情况相比,收发数据包的次数明显降低,能量消耗变少。(2)簇头节点和簇内节点间采用不同的时间同步方法。由于簇头要作为下层节点的时间参考节点,可能导致误差积累,因此簇头节点在原来同步方法的基础上采用贝叶斯估计减少时间同步过程中的误差,提高算法的时间同步精度。当簇内节点进行时间同步时,簇内节点采用信道监听的方式获取簇头节点的时间信息,并同步自己的时间。算法减少了接收和发送数据包的数量,从而降低同步过程中的能量消耗。最后,使用MATLAB对L-TPSN算法和经典TPSN算法进行仿真模拟,并分析实验结果,验证了在其他外界条件都相同的情况下,L-TPSN算法的能量消耗小于经典TPSN算法。
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