基于萤火虫同步的无线传感器网络分布式时间同步技术研究.pdf

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1、基于“萤火虫同步”的无线传感器网络分布式时间同步技术研究赵海磊2015年1月中图分类号：TP212.9UDC分类号：621基于“萤火虫同步”的无线传感器网络分布式时间同步技术研究作者姓名赵海磊学院名称机电学院指导教师宋萍教授答辩委员会主席黄强教授申请学位工学硕士学科专业机械工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月ResearchonDistributedTimeSynchronizationMethodofWirelessSensorNetworksBasedonFireflySynchronizationCandidateName:ZhaoHaileiSchoo

2、lorDepartment:ElectromechanicalEngineeringFacultyMentor:Prof.PingSongChair,ThesisCommittee:Prof.HuangQiangDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：MechanicalEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January，2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标

3、注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要尽管无线传感器测试网络的集中式时间同步技术已经日臻完善，但是其扩展性、抗毁性差以及同步误差随跳数增加而积累的问题一直存在，限制了其应用范围和应用的灵活性。而分布式时间同步方法的出现给解决上述问题提供了可能，它们不需要建立全网路由来分发同步消息，而采用分布式的思想，新加入的节点仅与其相邻节点交换信息，进而通过

4、多点协同的方式实现全网的时间同步。其中最具启发意义的研究是将针对“萤火虫同步”现象的理论研究应用到无线传感器网络时间同步中，而该过程所要面对的难点是无线传感器网络复杂多变的拓扑结构以及随机耦合延迟的存在。本文在阅读大量有关萤火虫同步现象研究以及无线传感器网络时间同步技术等方面的文献基础上，结合著名的M&S模型以及RFA同步机制，提出了改善网络同步性能的WRFA机制、可变耦合强度机制以及应对传输延迟突变的措施。并在硬件验证阶段提出了依靠GPS芯片提供高精度时间基准的同步验证方法，区别于以往串口-数据采集卡-工控机的同步验证方式。本文主要论述如下：1、描述同步仿真模型的建立过程。首

5、先根据网络节点的随机分布位置以及节点间通讯延迟情况建立网络模型；然后建立节点同步算法的基本数学模型，并针对硬件情况进行模型的离散化、线性化并去除浮点运算；最后在模型中加入测试终端模块，显示网络所有节点的实时相位信息以及节点间的最大相位差随仿真时间的变化规律。2、针对存在耦合延迟以及网络拓扑变化的情况提出了减小系统同步状态波动的WRFA机制、同时提高同步精度和同步速度的可变耦合强度机制以及应对报文传输延迟突变的机制。然后结合前边建立的仿真模型，对引入的新的机制进行仿真验证，均能达到期望的结果。3、最后建立硬件验证平台和验证技术。首先提出利用GPS的高授时精度，为同步方法提供统一的

6、精确的时间基准，一方面避免繁杂的线路连接，另一方面也不会引入过大的不确定性误差。然后介绍硬件的各个功能模块组成。最后利用建立的硬件进行同步方法的初步验证。关键词：无线传感器网路，时间同步，萤火虫同步，耦合强度，RFAI北京理工大学硕士学位论文AbstractThoughcentralizedtimesynchronizationmethodsforwirelesssensornetworkshavebeenfurtherdevelopedthosedays,itsadvantagesinexpandabilityandinvulnerabilityandtheproblemth

7、atsynchronizationerrorsaccumulatewiththehopsincreasingcannotbeavoidedhowever,whichhavelimitedtheirappliedrangeandflexibility.Fortunately,theappearanceofdistributedtimesynchronizationmethodsofwirelesssensornetworksprovidespossibilityfortheseissuesab