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无线传感器网络中时间同步和时隙分配算法研究

李源源

  随着无线通信技术、传感器技术和嵌入式技术的飞速发展,无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)成为无线通信网络的一个重要研究方向,并且在实际生活中得到广泛的应用。媒介访问控制(Medium Access Control, MAC)协议为无线传感器网络提供无线信道的分配策略,是无线传感器网络系统的核心基础部分和关键技术。 在无线传感器网络中,基于时分多址(Time Division Multiple Access, TDMA)的MAC协议与基于竞争的MAC协议相比,具有实时性好、数据传输可靠性高,信道利用率高,良好的睡眠/唤醒机制等特点,更适用于实时数据采集系统中的应用。在带来诸多好处的同时,基于TDMA的MAC协议同样带来了两个关键挑战:时间同步协议和时隙分配算法。 本文以无线传感器网络在数据采集系统中的应用为背景,研究了基于TDMA的MAC协议中时间同步协议和时隙分配算法的设计和实现,并取得了有意义的结果。 对于无线传感器网络中的时间同步协议,本文从同步精度和安全性两个方面入手,分析了时间同步协议的精度需求和所面临的安全威胁,并提出了一种基于虚拟时间戳的多源时间同步协议(Virtual Time-stamp Synchronization Protocol with Multi-references, MVTSP).与当前多数基于交换时间信息的同步方式不同,MVTSP的基本思想是利用本地记录的多个邻居节点同步报文的到达时间来作为同步基准,而非报文中所包含的时间戳,能够有效地防御篡改报文攻击。而对于MVTSP所面临的内部冒充节点攻击威胁,本文在MVTSP的基础上提出了一种基于虚拟时间戳的安全时间同步协议(Secure Virtual Time-stamp Synchronization Protocol with Multi-references, SMVTSP). SMVTSP的基本思想是本地节点通过对邻居节点周期发送的同步报文的时间进行观测,并根据这些观测结果为节点建立相应的信誉档案,再通过本地验证和时钟校正两个步骤,消除大多数延时攻击引入的误差。仿真结果表明,当冒充参考源的个数占总时间参考源的比例小于30%时,SMVTSP可将同步误差限定在15us以内。 对于无线传感器网络中的中心式时隙分配问题,即广播式调度问题(Broadcast Schedule Problem, BSP),本文提出了一种基于蚁群着色的时隙调度算法(Ant-based Vertex Coloring, AVC).为了解决BSP问题,AVC将分成两个步骤来完成时隙分配。第一个阶段,利用蚁群着色算法获得满足两跳无冲突条件下的,最小帧长度M以及初始解集合。在第二阶段以信道利用率为优化目标,AVC将利用前一阶段所获得的结果,在初始解的基础上执行贪婪算法,尝试为节点分配空闲的时隙。从仿真结果来看,AVC能很好的解决BSP问题,尤其在拓扑复杂,节点的密度较大的情况下,AVC能带来明显的提升。 最后,本文介绍了无线传感器网络在无线自动电力抄表(Automatic Meter Reading, AMR)系统的应用,给出了传感器节点的实物图,设计细节以及系统实际运行结果。……   
[关键词]:无线传感器网络;时间同步;安全;时分多址;蚁群优化算法;广播式调度问题;无线电力抄表
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:浙江大学2011年
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