无线传感器网络时钟同步算法研究

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集成了传感器、嵌入式计算、网络和无线通信四大技术而形成的无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术,它是一种新型的无基础设施的无线网络,能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息,并对其进行处理,传送到需要这些信息的用户。传感器网络作为一个全新的领域,对国内外的研究学者提出了大量的挑战性课题。时钟同步是任何分布式系统的重要组成部分,也是无线传感器网络的一项重要支撑技术,大多数传感器网络应用比如环境监测系统,导航系统等都需要所搜集的传感数据具有准确时间信息,否则采集的信息就是不完整的。此外,传感器节点的数据融合、TDMA定时、休眠周期的同步等都要求传感器节点具有统一的时钟信号。由于对传感器网络的大部分应用而言,时钟同步的精确性要求并不是特别高,而传感器网络节点能量极其有限,因此在满足时间精确度的要求下,设计高效节能的传感器网络时钟同步算法是本文的研究重点。本文概括了时钟同步机制的应用背景,对当前国内外已经提出的传感器网络时钟同步算法进行分析比较,针对节点能源有限的特点,提出了一种事件触发型传感器网络时钟同步算法。该算法由频率偏差计算和时钟同步两个阶段组成,通常状态下各节点以自己时钟频率运转,当基站监测事件发生时,相关传感器节点通过线性回归计算时钟晶振频率偏差,并通过同步信令的交互,估算往返时延和时间差值。仿真结果表明,和传统的周期型时钟同步算法相比,该算法在事件发生频率较低的情况下,能够较好的节约节点能量,延长网络生存期。此外,针对数据包冲突所带来的延迟误差问题,本文采用多信道无线电正交频分复用技术,提出一种基于簇形结构的多信道时钟同步算法。该算法在簇形拓扑结构基础之上,利用了频分复用技术,使得相邻簇之间、簇内部成员之间在不同的信道上进行数据包传输,仿真结果表明该算法减少了由于信道竞争引起的数据包冲突以及同步过程中所传输的数据包数量,从而减少传输延迟,实现整个网络的时钟同步,并且达到良好的同步精度。
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