随着传感器技术、嵌入式技术、无线通信技术的不断进步,无线传感器网络研究已进入蓬勃发展阶段。然而,由于无线传感器网络应用日益拓宽,其监测环境日趋复杂,监测任务愈加繁重,现有技术已无法满足在复杂环境下高精度监测的需求。其中,无线传感器网络的时间同步是关键技术瓶颈之一。无线传感器网络节点因为其节点能量有限、部署环境恶劣等诸多限制,显然无法使用传统的高成本、高能耗、低适应力的授时机制来实现同步。考虑到无线传感器网络本身的特殊性,亟需设计一种专门针对无线传感器网络自身特点的时间同步协议。本文针对现有无线传感器网络时间同步研究的难点,深入地研究无线传感器网络时间同步技术。创新地提出簇首广播同步模型,并以此为基础,设计基于簇的低开销时间同步协议。本文主要研究内容如下：(1)创新地提出了含信标节点的簇首广播同步模型。从时间同步模型入手,首次提出利用簇划分技术改进单向时间同步模型,并以此替代传统双向时间同步模型。同时,通过引入信标节点,发送信标信息,成功消除簇首节点时钟和簇成员节点时钟间的初始时间偏移。在簇内利用簇首广播同步方式代替传统的点对点同步方式,大幅降低全网时间同步通信开销,显著提高时间同步效率。(2)设计基于簇的低开销无线传感器网络时间同步协议。该协议充分利用簇结构特性和簇首广播同步模型的优点,进一步提高簇首节点,簇成员节点和信标发送节点的信息利用率。在多跳网络中,基于簇的低开销时间同步协议通过优化逻辑树建立和改进HeeD簇划分算法明显提高时间同步效率。同时,该时间同步协议就存在的潜在风险设计了一系列的重要机制,以确保协议的可靠性和稳定性。这些重要机制包括信标重发机制,时间戳数据筛选机制和顺序收包机制等。上述设计使得该时间同步协议在同步精度、通信开销、能耗开销、收敛性和鲁棒性等方面均明显优于传统时间同步协议。(3)在真实无线传感器网络平台上开展一定规模的时间同步实验。通过在实际传感器网络中运行基于簇的低开销时间同步协议,完成对该协议在同步误差、同步开销和节点存活时间等方面的评估。同时,在相同的实验平台上运行经典的FTSP时间同步协议,并与基于簇的低开销时间同步协议进行比较,客观评估基于簇的低开销时间同步协议优势及该协议的适用范围。