无线传感器网络时间同步算法的研究

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1、摘要无线传感器网络是一种特殊的Ad-hoc网络，通常包含大量的低功耗的微型传感器节点，依靠传感器节点之间的相互协作，以无线多跳方式完成通信，网络不依赖任何的固定设施，具有自组织和自管理的特性。这种特殊的组网方式使得无线传感器网络广泛的应用于目标跟踪、关键区域检测、危险环境中的科研开发等领域。然而，无线传感器网络的一些特性，比如能量受限、体积受限等，给网络的时间同步算法设计提出了严峻的考验。本文分别围绕与时间同步相关的安全问题、能量有效问题展开深入研究，提出了适用于动态无线传感器网络的安全时间同步算法和能量有效的无线传感器时间同步算法。本文的主要工作和创

2、新点归纳如下：>适用于动态无线传感器网络的安全时间同步算法时间同步技术是无线传感器网络中非常重要的一项基础服务，是实现定位、数据融合、移动目标跟踪等技术的基础。然而由于无线传感器网络自身的特性，使得它的时间同步过程容易遭受恶意节点的攻击。为此，本文提出一种适用于动态无线传感器网络的安全时间同步算法，此算法可以阻止来自网络内外的恶意节点的攻击，并且在一些时间同步的性能参数上都有着比其他时间同步算法更优越的表现。>能量有效的无线传感器网络时间同步算法与一般的计算网络不同，在无线传感器网络中，能量的有限性是一个尤为突出的问题。同时无线传感器网络是一个面向应用

3、的，需要通过节点之间的协作完成某一特定任务的网络，因此保持全网能耗的均衡来维持网络的连通性是十分重要的。如何节省节点的能量消耗以及如何均衡网络中节点的能量消耗，从而延长整个网络的生命周期，是无线传感器网络研究中面临的首要挑战，也是该领域一个持久的研究热点。本文提出一种能量有效的无线传感器网络时间同步算法，该算法可以节省无线传感器网络时间同步的能量消耗，同时又不影响其他的性能参数。>无线传感器网络硬件试验平台本文设计和实现了无线传感器网络试验的硬件平台，包括传感器节点、网络适配器以及编程器。并且在此平台基础上，进行了时间同步算法的试验，验摘要证了上述无线

4、传感器网络安全时间同步算法的可行性：另外进行了有关IPv6的～系列试验，验证了该试验平台可以稳定运行于CNGl网络中，成为CNGI网络的一个组成部分。论文阐述的这些方法和思想都经过了理论分析和仿真实验的验证，证明了其可行性。这些结论可以应用到未来相关产品的开发中，以提高网络的灵活性、有效性和扩展性。关键词：无线传感器网络，时间同步，安全，攻击，本地广播认证，冗余，自适应，能量有效。II图表索引图3—7平均同步比率随节点数目的变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．47图3—8平均同步丌销随节点数目的变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．48图4一l传感器节点能量消耗分布图⋯⋯⋯

5、⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．52图4～2EETS算法原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．55图4—3EETS算法的执行过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．61图4—4平均同步周期的比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．63图4—5平均的时间误差的比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64图4—6能量有效性的比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．65图4—7平均的同步比率的比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66图5一l物理组网图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7l图5～2传感器节点结构框图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．73图5—3CC2420状态机⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．

6、．75图5—4传感器节点的实物图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．。⋯⋯⋯⋯⋯77图5—5无线传感器网络适配器实物图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯78图5—6编程器的软件结构框图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯80图5—7编程器的实物图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯81图5—8WSN与CNGI的互通试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．83图5—9WSN自组织组网试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．84X第l章绪论第1章绪论无线传感器网络(WSN：WirelessSenS0rN咖orl(S)是目前移动通信领域研究的热点之一。时间同步技术是无线传感器网络中的重要研究内容，是许多WSN应

7、用中的支撑技术。本章首先概述了无线传感器网络的发展、特性、主要的应用前景和技术现状，详细介绍了时间同步以及相关的问题，此后给出了论文的研究背景和意义，最后简要预览了论文结构和主要创新点。1．1无线传感器网络概述集成了微机电系统(MEMS，Micr0．Elec仃争-Mech锄ismSystem)、片上系统(SoC，System伽Chip)和无线通信三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模式Il～8】。其典型工作方式如下：使用飞行器将大量传感器节点抛撤到待观测的区域，节点通过自组织形式快速形成一个无线网络。随机分布的集成有传感器模块、数据

8、处理模块和通信模块的微小节点首先测量所在环境中的温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动