本科生毕业论文（设计）
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题目： 无线传感器网络时间同步的研究与设计 系 部 计算机科学与技术系 学科门类 计算机科学与技术 专 业 计算机科学与技术 学 号 姓 名 牟安 指导教师
无线传感器网络时间同步的研究与设计
摘 要
I
电系统(Micro-Electro-Mechanism System, MEMS)、片上系统（SOC， System on Chip）、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展,孕育出无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。时间同步技术是无线传感器网络中的一项重要支撑技术。
本文对一系列无线传感器网络的关键技术做了简单介绍，分析了传统网络和无线传感器网络中的时延，然后叙述了无线传感器网络时间同步领域三种经典的算法协议。对TPSN（Timing—Sync Protocol for Sensor Networks）算法的计算步骤做了详细分析注解，通过比较RBS（Reference Broadcast Synchronization）、TPSN、DMTS(Delay Measurement Time Synchronization)三种经典时间同步算法协议，得出了不同时间同步协议的主要参数例如精度、能耗等的变化规则，最后提出了改进的new算法。
在仿真模拟实验部分，主要采用NS2网络仿真模拟软件。通过对无线网络脚本的编写和对无线Trace文件的分析，采用data格式记录数据然后通过NS2中的Gnuplot绘图软件得出结论。
关键字：无线传感器网络 时间同步 NS2
ABSTRACT
II
With the Micro-Electro-Mechanism System、System on Chip、Wireless communications and low-power embedded technology rapid development ，Wireless Sensor Networks brings a perception of information revolution with its low power consumption, low cost, distributed and self-organized characteristic. Time synchronization technology is an important support technology of the wireless sensor network (WSN).
For the key technology of wireless sensor network, we have some space to introduce. Also, we analyze the delay of traditional network and wireless sensor network, then describe the field of WSN time synchronization three classical algorithm agreement ，and analysis the calculation steps of TPSN. Through comparing the RBS 、TPSN、DMTS，we get the main parameters of different time synchronization protocols. For example: precision and energy consumption. Finally, we put forward the new algorithm and do some simulation exploration with the new algorithm.
In simulation experiment part, we mainly adopt NS2 network simulation software. Based on the wireless network script to write and the analysis of Trace files, we use data format to record data and then through the NS2 Gnuplot drawing software conclusions.
Key words: wireless sensor network time synchronization NS2
目 录
III
1 无线传感器网络概述 ..................................... 1
1.1无线传感器网络的来源与意义 .......................................................................................... 1 1.2无线传感器网络国内外研究现状 ...................................................................................... 1
1.3无线传感器网络支撑技术简介 .......................................................................................... 2
2 时间同步算法协议分析 ................................... 3
2.1时钟模型和时延 ............................................................................................................... 3
2.1.1 时钟模型 .............................................................................................................. 3
2.1.2 无线传感器网络中的时延...................................................................................... 3 2.1.3 消息传递过程分解 ................................................................................................ 4 2.2过去三种时间同步算法协议 ............................................................................................. 4
2.2.1 Reference Broadcast Synchronization ............................................................... 4 2.2.2 Delay Measurement Time Synchronization.......................................................... 5 2.2.3 Timing—Sync Protocol for Sensor Networks..................................................... 5 2.2.4 过去三种算法协议的比较总结............................................................................... 7
3 NS2网络仿真模拟 ....................................... 10
3.1 NS2网络仿真模拟简介 .................................................................................................. 10 3.2 NS2 仿真模拟................................................................................................................ 10 3.3总结和展望 .................................................................................................................... 14
参考文献 ................................................. 15 附 录 ................................................... 16 致谢 ..................................................... 20
IV
1 无线传感器网络概述
1.1无线传感器网络的来源与意义
无线传感器网络的研究起步于90年代末期，从2000年起，传感器节点以及由其构成的无线传感器网络引起军事界、学术界、工业界的极大关注和普遍重视。 无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广阔的应用前景。
无线传感器网络的时间同步涉及物理时间和逻辑时间两个方面。物理时间用来表示人类社会的绝对时间，逻辑时间表示事件发生的顺序关系，是一个相对概念。传感器所获得的数据必须具有准确的时间和位置信息，否则采集的信息就是不完整的。
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1.2无线传感器网络国内外研究现状
在国外，自20世纪90年代起，美国的很多大学和科研机构就开始了无线传感器网络的研究。加州大学伯克利分校研制的用于无线传感器网络研究的演示平台现已成为研究无线传感器网络最主要的试验平台之一、罗克韦尔技术研究中心与加州大学洛杉矶分校合作开发的无线传感器网络原型与系统已在美国一些政府机构和工程项目上进行了相关实验、麻省理工学院致力于极低功耗无线传感器网络技术的研究等。无线传感器网络的研究首先在军方应用和推广，美国陆军近年来连续启动了一系列研究计划，探索无线传感器网络在未来战争中的应用。2002年5月，美国Sandia国家实验室与美国能源部合作，共同研究能够预警以地铁、车站等公共场所目标的生化武器，并及时采取防范对策的系统，系统集有毒气体检测传感器和网络于一体，该系统的研制有效增强了公共场所抵御生化武器袭击的能力。
在国内，无线传感器网络领域的研究也在很多科研机构展开。中科院上海微系统与信息技术研究所从1998年开始就对无线传感网络进行了跟踪和研究，并完成了一些终端节点和基础的研发，中科院电子所和沈阳所也分别从传感器技术和控制技术角度入手开展研究，2004年国家自然科学基金资助浙江大学和中科院合作开展了无线传感器网络通信协议、定位、部署和覆盖等方面的研究，中科院宁波所计算技术研究所也较早开展了无线传感器网络的研究，并于05年12月开发出了基于IEEE802.15.4协议的GAINS节点和SNAMP平台。传感器网络是目前国内外的最新研究热点，具有广阔的应用前景，将是未来社会应用最广的网络，需要各种技术支撑。通过近几年的研究，人们对传感器网络固有特点的认识已经逐渐明确，并在相关技术方面取得了一些进展。但是，传感器网络要真正实用化，在基础层、网络层等方面还有许多基础性问题和关键技术需要解决。
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