無線傳感器網絡中時間同步和時隙分配算法研究.pdf

1、隨著無線通信技術、傳感器技術和嵌入式技術的飛速發(fā)展，無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks, WSN）成為無線通信網絡的一個重要研究方向，并且在實際生活中得到廣泛的應用。媒介訪問控制(Medium Access Control, MAC)協議為無線傳感器網絡提供無線信道的分配策略，是無線傳感器網絡系統的核心基礎部分和關鍵技術.
　　 在無線傳感器網絡中，基于時分多址(Time Division Mult

2、iple Access, TDMA)的MAC協議與基于競爭的MAC協議相比，具有實時性好、數據傳輸可靠性高，信道利用率高，良好的睡眠／喚醒機制等特點，更適用于實時數據采集系統中的應用。在帶來諸多好處的同時，基于TDMA的MAC協議同樣帶來了兩個關鍵挑戰(zhàn)：時間同步協議和時隙分配算法。
　　 本文以無線傳感器網絡在數據采集系統中的應用為背景，研究了基于TDMA的MAC協議中時間同步協議和時隙分配算法的設計和實現，并取得了有意義的結果

3、。
　　 對于無線傳感器網絡中的時間同步協議，本文從同步精度和安全性兩個方面入手，分析了時間同步協議的精度需求和所面臨的安全威脅，并提出了一種基于虛擬時間戳的多源時間同步協議(Virtual Time-stamp Synchronization Protocol with Multi-references， MVTSP)。與當前多數基于交換時間信息的同步方式不同，MVTSP的基本思想是利用本地記錄的多個鄰居節(jié)點同步報文的到達時間

4、來作為同步基準，而非報文中所包含的時間戳，能夠有效地防御篡改報文攻擊。而對于MVTSP所面臨的內部冒充節(jié)點攻擊威脅，本文在MVTSP的基礎上提出了一種基于虛擬時間戳的安全時間同步協議（Secure Virtual Time-stamp Synchronization Protocol with Multi-references, SMVTSP）。SMVTSP的基本思想是本地節(jié)點通過對鄰居節(jié)點周期發(fā)送的同步報文的時間進行觀測，并根據這些觀

5、測結果為節(jié)點建立相應的信譽檔案，再通過本地驗證和時鐘校正兩個步驟，消除大多數延時攻擊引入的誤差。仿真結果表明，當冒充參考源的個數占總時間參考源的比例小于30％時，SMVTSP可將同步誤差限定在15us以內。
　　 對于無線傳感器網絡中的中心式時隙分配問題，即廣播式調度問題(Broadcast Schedule Problem, BSP)，本文提出了一種基于蟻群著色的時隙調度算法(Ant-based Vertex Coloring

6、， AVC)。為了解決BSP問題，AVC將分成兩個步驟來完成時隙分配。第一個階段，利用蟻群著色算法獲得滿足兩跳無沖突條件下的，最小幀長度M以及初始解集合。在第二階段以信道利用率為優(yōu)化目標，AVC將利用前一階段所獲得的結果，在初始解的基礎上執(zhí)行貪婪算法，嘗試為節(jié)點分配空閑的時隙。從仿真結果來看，AVC能很好的解決BSP問題，尤其在拓撲復雜，節(jié)點的密度較大的情況下，AVC能帶來明顯的提升。
　　 最后，本文介紹了無線傳感器網絡在無線