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無線軀體傳感器網(wǎng)絡(luò)中低能耗的時間同步算法

作者: 時間:2011-07-20 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要:(WBSN)的一項支撐技術(shù)。文章針對WBSN能源有限的問題,提出了一種改進(jìn)的。該結(jié)合基準(zhǔn)節(jié)點單向廣播機制和成對雙向消息傳遞機制,在保證一定精度的前提下,減少消息傳遞次數(shù),降低通信開銷,達(dá)到了低的要求。最后進(jìn)行仿真驗證了性能。
關(guān)鍵詞:;同步算法;能量效率

0 引言
近年來,隨著生物、可穿戴式技術(shù)和傳感器的逐步發(fā)展,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念(wireless body sensor network, WBSN或BSN)被研究人員所提出,它主要由各種采集人體生命體征的傳感器節(jié)點、中央處理節(jié)點及監(jiān)護(hù)中心的接收裝置組成。無線軀體傳感器網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于醫(yī)療監(jiān)護(hù)、疾病監(jiān)控和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域,是形成人聯(lián)網(wǎng)(Internet of persons)的重要感知及組成部分。時間同步是WBSN的一個重要支撐技術(shù),采集的各種生理信息的融合,生理傳感器節(jié)點的休眠和喚醒,各節(jié)點之間的協(xié)同工作都需要時間同步。由于WBSN應(yīng)用的需求,傳感器節(jié)點逐步向可穿戴式發(fā)展,節(jié)點體積小、重量輕、便于攜帶,導(dǎo)致節(jié)點能量非常有限,因此設(shè)計一種滿足WBSN低要求的時間同步算法是一個值得探索的問題。

1 算法設(shè)計
本文通過對WBSN特點的分析,結(jié)合已有典型的時間同步算法TPSN和DMTS,提出了一種滿足WBSN低要求的時間同步算法,在保證一定同步精度的前提下,減少信息交換次數(shù)來達(dá)到低能耗的要求。
基于基準(zhǔn)節(jié)點單向廣播消息的時間同步機制通過減少消息交換量換取低能耗,但同步精度有所下降?;诔蓪﹄p向消息傳遞的時間同步機制采用往返消息測量成對節(jié)點間的時間偏移和傳播時延,同步精度較高但協(xié)議復(fù)雜同步開銷大。結(jié)合這兩種機制,設(shè)計算法。

2 算法描述
第一階段為層次建立階段。首先確定根節(jié)點及分層,此節(jié)點是全網(wǎng)的時鐘參考節(jié)點,賦予層次號0,根節(jié)點廣播包含有自身層次號的數(shù)據(jù)包,相鄰節(jié)點收到該數(shù)據(jù)包后,確定自身層次號為1,然后1層節(jié)點繼續(xù)廣播帶有自身層次號的數(shù)據(jù)包,以此類推,i層節(jié)點廣播帶有自身等級信息的數(shù)據(jù)包,其相鄰節(jié)點收到后確定自身等級為i+1,直到網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點都有自身的等級。已確定層次的節(jié)點拒收其他數(shù)據(jù)包。至此,全網(wǎng)建立起一個層次結(jié)構(gòu)。
第二階段為同步階段。同步階段又分為層間同步和層內(nèi)同步。層間同步采用成對雙向消息傳遞機制,層內(nèi)同步采用基準(zhǔn)節(jié)點單向廣播機制,每層節(jié)點中選出一個基準(zhǔn)節(jié)點,層內(nèi)結(jié)構(gòu)形成主從關(guān)系。如圖1所示。
除根節(jié)點外,每層基準(zhǔn)節(jié)點按層次序號依次向上層發(fā)送同步請求。1層基準(zhǔn)節(jié)點向根節(jié)點發(fā)送同步請求,兩節(jié)點間采用成對雙向消息同步機制進(jìn)行同步,1層基準(zhǔn)節(jié)點計算出節(jié)點間時間偏移和傳播時延,調(diào)整本地時鐘,與根節(jié)點達(dá)到同步。然后1層基準(zhǔn)節(jié)點在層內(nèi)廣播一個同步消息,層內(nèi)其他節(jié)點收到消息后估計消息時延,調(diào)整本地時鐘。至此實現(xiàn)了一層節(jié)點的同步。同步過程中設(shè)立一個同步計時器,用于記錄層間同步時間T。間隔t(T≤t≤2T),2層基準(zhǔn)節(jié)點向1層基準(zhǔn)節(jié)點請求同步,按照層間和層內(nèi)方法實現(xiàn)同步。間隔時間t的選取保證上層節(jié)點已與根節(jié)點達(dá)到同步。以下各層重復(fù)上述同步過程實現(xiàn)全網(wǎng)同步。此算法結(jié)合單向廣播和成對雙向消息傳遞進(jìn)行橫向和縱向時間同步,橫向指層內(nèi)廣播,縱向指層間成對,橫縱交錯,實現(xiàn)了所有節(jié)點的同步。

3 算法仿真
為了評估和分析算法的性能,本文采用網(wǎng)絡(luò)仿真工具NS-2進(jìn)行實驗仿真。NS-2(Network Simulator version 2)是一種針對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的源代碼公開的、免費的軟件模擬平臺,研究人員使用它可以很容易地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開發(fā)。
設(shè)計仿真環(huán)境為50×50m2的正方形區(qū)域,隨機分布50個節(jié)點,節(jié)點間無線通信距離為10m。


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