基于无线传感器网络时钟同步算法的分析及改进

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1、学校代码：10135论文分类号：TP31学号：20154019010研究生类别：全日制硕士学位论文基于无线传感器网络时钟同步算法的分析及改进AnalysisandimprovementofclocksynchronizationalgorithmbasedonWirelessSensorNetwork学科门类：工学一级学科：计算机科学与技术学科专业：计算机系统结构研究方向：嵌入式技术应用申请人姓名：刘学超指导教师姓名：郭改枝二〇一八年五月二十日内蒙古师范大学硕士学位论文中文摘要近年来，随着物联网（IOT）及人工智

2、能（AI）的快速发展，无线传感器网络（WSN）的使用范围变得越来越广泛。由于无线传感器节点具有感知、计算、通信、分布式处理信息的能力，目前WSN在工业控制、农业技术、电子医疗、智能家居、快递物流等领域都得到迅速的发展。虽然WSN的相关技术具有很不错的应用前景，应用领域也很广泛，但是由于节点本身多方面受限的特点，比如：节点的晶振易受环境及器件老化的影响，节点能量受限、存储能力有限、通信安全性、网络拓扑动态变化等。因此，关于WSN的研究仍然需要多方面的突破。本文提出的时钟同步是WSN得以广泛应用的基础前提，是国内外专

3、家学者一直关注的热点问题。在WSN中时钟同步是非常重要的技术之一，节点间达到时钟同步才能保证各个节点协同工作，时钟同步是统一网络中各节点的本地时间，从而实现节点之间的协同感知、通信、能量管理等网络功能。如果WSN中各个节点的时钟不能同步，则数据采集的实时性和准确性无法保障，在发送以及接收数据的过程中就会产生任务冲突，最终导致汇聚节点接收到有误数据，无线传感器网络就没有任何实用价值。该设计在查阅了大量文献的基础上对已有的时钟同步协议进行总结及分析，提出时钟同步存在的问题：第一，同步过程中所需发送的同步数据包数量过多

4、使整个网络中节点能量消耗太大，导致网络生存时间短；第二，在同步过程中仅考虑了时钟偏差而没有考虑时钟漂移且同步精度有待进一步提高；第三，所有的时钟同步协议只停留在理论研究的阶段，没有在实际的无线传感器网络节点中对算法进行验证。本文针对时钟同步中存在的问题进行改进，首先，对传统协议的发包模式进行改进，结合传统时钟同步算法中的TPSN与RBS，减少了所需发送的时钟同步消息包，有效的节省了节点能量。同时对时钟同步模型进行改进，考虑影响时钟同步的时钟偏差和时钟漂移两个因素，将时钟构建成为一元线性模型，使用最小二乘法对时钟偏

5、差以及时钟漂移进行估计，得到本设计内蒙古师范大学硕士学位论文中研究重点的时钟同步算法-双节点成对广播时钟同步协议（TwoNodePairwiseBroadcastSynchronization），简记为TN-PBS。其次，利用MATLAB仿真软件对改进时钟同步算法的时钟偏差及时钟漂移的计算结果与均方误差进行比较，并计算得到克拉美罗界，验证该算法具有较高的精度。在硬件节点GAINS3中利用改进时钟同步算法TN-PBS实现同步，并与未改进的算法TPSN进行纵向的对比分析，得出改进算法TN-PBS较TPSN而言降低了误

6、差，具有较好的同步效果。最后，对改进时钟同步算法TN-PBS在OMNET++平台进行仿真，建立路由后发送时钟同步消息包进行同步，验证了改进的同步算法在大规模的节点组网中同步是可行性的，并针对能量消耗这一指标与TPSN进行了对比，证明了改进同步算法在提高算法精度的同时有效节约了能量。改进时钟同步算法TN-PBS解决WSN中的时钟同步问题是无线传感器网络得以广泛应用的基础，研究无线传感器网络中的时钟同步算法具有极其重要的理论意义和应用价值。关键词：无线传感器网络，时钟同步，时钟偏差，时钟漂移，精度，GAINS3内蒙古

7、师范大学硕士学位论文ABSTRACTInrecentyears,withtherapiddevelopmentofInternetofThings(IOT)andartificialintelligence(AI),theuseofwirelesssensornetworks(WSN)hasbecomemoreandmoreextensive.Wirelesssensornodeshavetheabilitytoperceive,calculate,communicate,anddisposeofdistribu

8、tedinformation,soWSNhasbeenrapidlydevelopinginsuchfieldsasindustrialcontrol,agriculturaltechnology,electronicmedicalcare,smarthome,andexpresslogistics.AlthoughtherelatedtechnologiesofWSNh