無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中時(shí)間同步和時(shí)隙分配算法研究.pdf

1、隨著無(wú)線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks, WSN）成為無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要研究方向，并且在實(shí)際生活中得到廣泛的應(yīng)用。媒介訪問控制(Medium Access Control, MAC)協(xié)議為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供無(wú)線信道的分配策略，是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)部分和關(guān)鍵技術(shù).
　　 在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，基于時(shí)分多址(Time Division Mult

2、iple Access, TDMA)的MAC協(xié)議與基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議相比，具有實(shí)時(shí)性好、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，信道利用率高，良好的睡眠／喚醒機(jī)制等特點(diǎn)，更適用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用。在帶來諸多好處的同時(shí)，基于TDMA的MAC協(xié)議同樣帶來了兩個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：時(shí)間同步協(xié)議和時(shí)隙分配算法。
　　 本文以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用為背景，研究了基于TDMA的MAC協(xié)議中時(shí)間同步協(xié)議和時(shí)隙分配算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，并取得了有意義的結(jié)果

3、。
　　 對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間同步協(xié)議，本文從同步精度和安全性兩個(gè)方面入手，分析了時(shí)間同步協(xié)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(shí)間戳的多源時(shí)間同步協(xié)議(Virtual Time-stamp Synchronization Protocol with Multi-references， MVTSP)。與當(dāng)前多數(shù)基于交換時(shí)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(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)同步報(bào)文的到達(dá)時(shí)間

4、來作為同步基準(zhǔn)，而非報(bào)文中所包含的時(shí)間戳，能夠有效地防御篡改報(bào)文攻擊。而對(duì)于MVTSP所面臨的內(nèi)部冒充節(jié)點(diǎn)攻擊威脅，本文在MVTSP的基礎(chǔ)上提出了一種基于虛擬時(shí)間戳的安全時(shí)間同步協(xié)議（Secure Virtual Time-stamp Synchronization Protocol with Multi-references, SMVTSP）。SMVTSP的基本思想是本地節(jié)點(diǎn)通過對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)周期發(fā)送的同步報(bào)文的時(shí)間進(jìn)行觀測(cè)，并根據(jù)這些觀

5、測(cè)結(jié)果為節(jié)點(diǎn)建立相應(yīng)的信譽(yù)檔案，再通過本地驗(yàn)證和時(shí)鐘校正兩個(gè)步驟，消除大多數(shù)延時(shí)攻擊引入的誤差。仿真結(jié)果表明，當(dāng)冒充參考源的個(gè)數(shù)占總時(shí)間參考源的比例小于30％時(shí)，SMVTSP可將同步誤差限定在15us以內(nèi)。
　　 對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的中心式時(shí)隙分配問題，即廣播式調(diào)度問題(Broadcast Schedule Problem, BSP)，本文提出了一種基于蟻群著色的時(shí)隙調(diào)度算法(Ant-based Vertex Coloring

6、， AVC)。為了解決BSP問題，AVC將分成兩個(gè)步驟來完成時(shí)隙分配。第一個(gè)階段，利用蟻群著色算法獲得滿足兩跳無(wú)沖突條件下的，最小幀長(zhǎng)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(biāo)，AVC將利用前一階段所獲得的結(jié)果，在初始解的基礎(chǔ)上執(zhí)行貪婪算法，嘗試為節(jié)點(diǎn)分配空閑的時(shí)隙。從仿真結(jié)果來看，AVC能很好的解決BSP問題，尤其在拓?fù)鋸?fù)雜，節(jié)點(diǎn)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在無(wú)線