超低功耗无线传感器网络路由和时间同步协议研究

发布时间：2017-09-04 22:10

  本文关键词：超低功耗无线传感器网络路由和时间同步协议研究

  更多相关文章： 剩余能量 前向角度 路由算法 时钟漂移 超低占空比 周期休眠

【摘要】：路由技术和时间同步技术是无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)的两项关键技术。路由技术的优劣关系着无线传感器网络能耗均衡的程度；而时间同步技术的优劣是无线传感器网络协调工作的基础。因此,本文围绕着无线传感器网络的路由技术和时间同步技术展开研究。首先,介绍了无线传感器网络路由技术和时间同步技术的相关概念以及研究现状,发现了路由技术中Sink节点周围关键节点因能耗过重而过早死亡的现象；以及时间同步技术中超低占空比休眠机制下的时钟漂移问题。其次,本文针对无线传感器网络的路由技术和时间同步技术分别提出了一种基于剩余能量动态调整前向角度的蚁群路由算法(Ant Colony Routing Algorithm on the Dynamic Adjustment of Forward Angle based on Residual Energy, DAFARE),和一种基于类根节点协同的时间同步协议(Time-synchronization Protocol with Collaboration from Root-node Class, TPCRC)。DAFARE算法根据节点当前前向角度内下一跳节点剩余能量和距离的情况,采取动态调整节点前向角度大小的方式来解决Sink节点周围关键节点因能耗过重而过早死亡的现象,较好地平衡了网络能耗,庇护了Sink节点周围的关键节点。通过MATLAB仿真表明：与FMEPNF算法相比,DAFARE算法能将网络有效寿命提高约50%；实验结果表明：DAFARE算法能有效均衡网络能耗,延长网络寿命,较好地维持感知信息传输成功率,较好地维持无线传感器网络的有效覆盖率。TPCRC协议提出利用类根节点协同时间同步的方式解决超低占空比无线传感器网络时间同步中的时钟漂移问题。传感器节点首先完成与同步子层类根节点的时间同步,而后完成相对于根节点的时间同步。如此,最终解决时钟漂移问题,实现无线传感器网络所有传感器节点的时间同步。通过MATLAB仿真结果表明：TPCRC协议能较好解决超低占空比无线传感器网络时间同步中的时钟漂移问题,快速实现将尽100%的时间同步率,面对高达20%的丢包率也能展现出强健的适应能力。
【关键词】：剩余能量 前向角度 路由算法 时钟漂移 超低占空比 周期休眠
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212.9;TN915.04
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 课题研究的目的及意义11-13
• 1.2 国内外研究现状13-16
• 1.3 论文研究内容16-17
• 1.4 论文组织结构17-19
• 第二章 无线传感器网络概述19-31
• 2.1 无线传感器网络结构19-21
• 2.1.1 无线传感器网络体系结构19-20
• 2.1.2 无线传感器网络节点结构20-21
• 2.2 无线传感器网络的特点与优势21-23
• 2.2.1 无线传感器网络的特点21-22
• 2.2.2 无线传感器网络的优势22-23
• 2.3 无线传感器网络的应用23-25
• 2.4 无线传感器网络关键技术25-27
• 2.5 超低功耗无线传感器网络27-28
• 2.6 本章小结28-31
• 第三章 无线传感器网络蚁群路由研究31-37
• 3.1 无线传感器网络路由协议概述31-32
• 3.1.1 无线传感器网络路由协议特点31-32
• 3.1.2 无线传感器网络路由协议设计目标32
• 3.2 蚁群路由算法32-34
• 3.2.1 蚁群算法32-33
• 3.2.2 蚁群路由算法33-34
• 3.3 蚁群路由算法的优化34-35
• 3.4 本章小节35-37
• 第四章 基于剩余能量动态调整前向角度的路由算法37-47
• 4.1 能量消耗模型37-38
• 4.2 算法思想38
• 4.3 前向角度和偏移角度38-39
• 4.4 DAFARE蚁群路由算法39-42
• 4.4.1 前向角度动态调整39-40
• 4.4.2 概率转移函数40-41
• 4.4.3 局部信息素更新41
• 4.4.4 全局信息素更新41-42
• 4.5 DAFARE算法性能仿真42-46
• 4.5.1 仿真实验参数42
• 4.5.2 网络剩余能量方差42-43
• 4.5.3 信息传输成功率43-44
• 4.5.4 网络覆盖率44-46
• 4.6 DAFARE算法性能分析46
• 4.7 本章小结46-47
• 第五章 无线传感器网络时间同步协议研究47-53
• 5.1 无线传感器网络时间同步协议概述47-49
• 5.1.1 时钟模型47-48
• 5.1.2 时钟偏差和时钟漂移48
• 5.1.3 时间同步目标48-49
• 5.2 时间同步算法49-50
• 5.3 休眠机制的时间同步协议50-51
• 5.4 超低功耗无线传感器网络时间同步51-52
• 5.5 本章小结52-53
• 第六章 超低功耗无线传感器网络时间同步协议53-69
• 6.1 超低占空比时间同步协议53-54
• 6.2 类根节点协同时间同步协议54-59
• 6.2.1 偏移量和漂移率的计算54-57
• 6.2.2 时间同步包的传递57-59
• 6.3 同步子层的划分59-62
• 6.3.1 网络的基本条件59-61
• 6.3.2 线性规律61-62
• 6.4 丢包率下同步子层的划分62-63
• 6.5 TPCRC时间同步协议性能分析63-66
• 6.5.1 仿真环境63-64
• 6.5.2 时间同步率64-65
• 6.5.3 性能实验结果65-66
• 6.5.4 性能分析66
• 6.6 本章小节66-69
• 第七章 总结与展望69-73
• 7.1 论文工作总结69-70
• 7.2 研究工作展望70-73
• 致谢73-75
• 参考文献75-83
• 附录83-85
• A 攻读硕士学位期间发表的论文83
• B 攻读硕士学位期间发表的专利83
• C 攻读硕士学位期间发表的软件著作权83-85
• D 攻读硕士学位期间参与的科研项目85

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本文编号：794120