（通信与信息系统专业论文）基于zigbee的无线传感器网络时钟同步算法研究与改进.pdf

论文题目：基于z i g b e e 的无线传感器网络时钟同步算法研究与改进 学科专业：通信与信息系统 学位申请人：陈超 指导教师：王耀明 基于zig b e e 的无线传感器网络时钟同步算法研究与改进 摘要 随着无线网络技术的快速发展，无线传感器网络是一种以数据为中心的自组织无线网 络。网络中的节点密集，数量巨大且部署在十分广泛的区域；网络拓扑结构动态变化，网 络具有自组织和自调整的特点。 时钟同步技术作为无线传感器网络的一项支撑技术，对无线传感器网络的应用是至关 重要的应用。由于传感器节点( 本文采用z i g b e e 节点) 受到能量，成本等因素的限制，传 统网络中的时钟同步算法显然不能满足无线传感器网络的要求。因此，在满足一定的时钟 同步精度的要求下，设计一种高效节能的传感器网络时钟同步算法是本文研究的重点。 在z i g b e e 这个新技术中，对于需要通过休眠机制来降低功耗，同时又要保证各设备协 同工作的z i g b e e 网络来说，时钟同步显得更为重要，它为系统中的每个设备提供正确的时 钟信息，提高系统的传输质量和效率。 本论文对i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 的协议栈做了分析，全面深入地对现存的几种主要的 无线传感器时钟同步算法做了研究分析，总结了这些算法的优缺点。本文重点针对z i 邸e e 技术特点，利用z i g b e e 技术中判定两个节点之间的距离的r s s i ( r e c e i v e ds i 印a ls t r e n g t h h l d i c a t o r ，接收信号强度指示) 参数选取出z i g b e e 节点单跳通信距离范围内边缘地带的节 点作为与下层节点联系的路由节点。在单跳通信距离范围内其它节点仅作为普通节点( 即 在同步过程中不起路由功能的节点，仅与其上层的路由节点达到同步) 。在此基础上，本 文提出了一种减少同步过程中的路由节点数量算法，路由节点之间相对于路由节点与普通 节点之间同步过程所需的消息交换次数要多，从而节省了时钟同步时所需的信息交换次 数，大大降低了同步所需的通信开销，延长了z i g b e e 节点在同步应用中的工作寿命。 本文在l i n u x 环境下，基于开放源代码的n e t w o r ks i m u l a t i o n2 软件，构建了一个网 络仿真平台，对本文所采用的改进算法、t p s n 算法和s t s p 算法进行了仿真，给出了三种算 t 法的仿真结果对比，改进算法的性能得到了成功验证。 基于j e n n i c 公司的j n 5 1 2 卜z i g b e e 控制器和b o s ( b a s i co p e r a t i o ns y s t e m ) 的基本操 作系统搭建了实验开发平台，在平台上实现了本文提出的改进无线传感器网络时钟同步算 法，并在自己组建的简易无线传感器网络上实现了时钟同步应用。在准备实验过程中作者 还设计和制作了一个z i g b e e 设备的u a r t 口与普通p c 机的串口r s 一2 3 2 通信模块和一个串口 输入八个串口输出的转换器。在文中介绍了该平台的设计方法，实验过程和测试结果。 关键词：时钟同步；无线传感器网络；e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 标准；j 小巧1 2 1 ； n t l e ：r e s e a r c h 孤di m p r o v e m e n to ft h es y n c h r o n i z a t i o no fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ko n z i g b e e m a j o r ：t e l e c o m m u n i c a t i o na n di l l f 0 姗a t i o ns y s t e m a p p l i c a n t ：c 加三nc h a 0 t u t o r ：w a n gy a o m i n g r e s e a c ha n dl m p l e m e n t a i o no ft h es y n c h r o n i z a t i o no f w l r e l e s ss e n s o rn e t w o r ko nz i g b e e a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki sal 【i n do fs e l f - o r g a n i z a t i o nw i r e l e s sn e t 、) i ，o r kw h i c ht a k e st h e d a t aa sc e n t e r ，n l en o d ei nn e 咐o r ki si n t e n s i v e ，h u g eq u a n t i t ya i l dc 0 v e m gal a r g ea r e a ，t h e n e 时o r kt o p o l o g yi sd y n a m i c ，觚dt h en e t 、) i r o r kw a ss e l f o r g a l l i z a t i o n 卸ds e l f - m o d u l a t i o n a s0 n e0 ft h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ss u p p o nt e c l u l o l o g y ，t i m es y n c h r o n i z a t i o n t e c h n o l o g yi sac r i t i c a la p p l i c a t i o n b yt h ee n e r g ya n dc o s tc o n s t r a i n t s ，t h et r a d i t i o n a ln e t w o r k t i i i l es y n c h r o n i z a t i a l g o r i t l l l i lo b v i o u s l yc a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so fw i r e l e s ss e n s o r ( t h i s p 印e ri sz i g b e en o d e s ) n e 佃o r k s 1 h e r e f o r et h ef o c u so ft h i sp a p e ri st 0d e s 咖觚e n e r g y - e f ! f i c i e n tt i m es y n c h r o n i z a t i o na l g o f i t 吼 i l lt h i sn e wt e c h n o l o g yo fz i g b e e ，t h es l e e pm e c h a n i s mi si no r d e rt or e d u c ep o w e r c o n s u m p t i o n ，觚da l s o 、o r kt o g e t h e rt oe n s u f ct h a tt h ee q u i p m e n to ft h ez i g b e en e 咐o r k c l o c k s y n c h r o n i z a t i o ni sv e r yi m p o n a i l t ，i tc 觚p m v i d ep r o p e re q u i p m e n tf o re a c hd o c kh l f b 姗a t i o n ， i m p r o v e t h eq u a l i t ya i l de f 右c i e n c yo ft r a n s m i s s i o ni nt h es y s t e m i l lt h ep a p e r t h ea u t h o r 柚a l y z e st h em e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e ep r o t o c o ls t a c k 觚dt h ee x i s t e n t w i r e l e s ss e n s o rs y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m s ，s u m m e du pt h ea d v a n t a g e s 柚dd i s a d v a n t a g e so f t h e s ea l g o r i t h m s n i sa n i c l ef o c l l s e d0 nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fz i g b e et e c h n o l o g y ，u s eo f z i g b e et e c l l l l o l o g yi nt h e 撕on o d e sd e t e 册i n et h ed i s t a n c eb e t 、) i r e e nt h er s s i ( r e c e i v e ds i 韶a l s t r e n 舀hi n d i c a t o r ，r e c c i v e rs i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t i o n ) t os e l e c tt h ep a r a m e t e r so fz i g b e e n o d e - j u m pd i s t a n c ec o m m u n i c a t i o n sw i t h i nt h em a r 酉n sa n dl o w e rd e c ka st h en o d en o d e s l i n k e dt or o u t i n gn o d e sa n do t h e rn o d e so n l ya sa no r d i n a r yn o d e ，i i lt h ep r o c e s so f s y n c h r o n i z a t i o nc a nn o ta f 硒r dr o u t i n gc a p a b i l i t i e s ，a n di t su p p e rr e a c ho fr o u t i n gn o d e s i s i m u l t a i l e o u s l y t h i sp a p e rp r e s e n t sag e n e m l r e d u c t i o ni nt h ep r 0 c e s so fr o u t i n g s i m u l t a n e o u s l yt h en u m b e r0 fn o d e s ，t h u si m p r 0 v i n gt h er o u t i n gn o d e b e t w e e nt h er e l a t i v e r o u t i n gn o d ec l o c ks y n c h r o n i z a t i o nw i t ht h eo r d i n a r yn o d e sr e q u i r e df o rt h ec x c h 锄g eo f i n f 0 姗a t i o no nt h en u m b e ro fn u m b e ro fs h o n c o m i n g sa i l d 孕e a t l yr e d u c et h ef c q u i r e d s y n c h r o n i z a t i o nc 0 m m u n i c a t i o ne x p e n s e s ，t oe x t e n dt h ea p p l i c a t i o no fz i g b e en o d e si ns y n ci n w o r l 【i n gl i f e b a s e do nt h el i n u xe n v i r o n m e n t ，b a s e do nt h en e 时o r ks i m u l a t i o n2 o p e n - s o u r c es o f 细a r e ， b u i l d i n gan e t 、舳r ks i m u l a t i o np l a t f o 加，t h ep a p e ru s e db yt h ei m p r 0 v e da l g o r i t l u n ，t p s n a 1 9 0 r i t h m 锄ds t s pa l g o r i t h ms i m u l a t i o n ，t h ea l g o r i t l 皿i s 西v e nt l l r e es i m u l a t i o nr e s u l t s c o n t r a s t ，a l g o r i t l m lt oi m p r o v et h ep e 南曲a n c eo ft h es u c c e s s f u l l yv e r i f i e d j e n n i cb a s e do nt h ec o m p a n y sj n 5 1 2 1 一z i g b e ec o n t r o l l e r 孤dt h eb o s ( b a s i co p e r a t i o n s y s t e m ) t h eb a s i co p e r a t i n gs y s t e mb u i l te x p e r i m e n t a ld e v e l o p m e n tp l a t f o 珊，t h ep l a t f o mt o a c h i e v et h i sb yi m p r o v i n gt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t 、) l ，o r kd o c ks y n c h r o n i z a t i o na 1 9 0 r i t l l i i l ，a n di n t h e i ro w nf o 姗o fs i m p l ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k st 0a c h i e v eac l o c ks ) ，i l c h r o n i z a t i o n a p p l i c a t i o n i i lp r 印a f a t i o nf o rt h ee x p e r i m e n ta l s 0p r o d u c e daz i g b e e - b a s e de q u i p m e n tu a r t w i t ht h eg e n e r a lp o p u l a t i o no fp cs e r i a lr s - 2 3 2s e r i a lp o nc o n n e c t o ra n das e r i a lo u t p u t0 ft h e i m p o r t a t i o n0 ff o u rc o m m u n i c a t i o nm o d u l e f i n a l l y t h ea n i c l el i s t st h er e a l i z a t i o n0 ft h e p l a t f o 肌d e s i 印，e x p e r i m e n t ，t e s tr e s u l t sa n d 舀v et h ei m p r o v e dp r o p o s a lo ft h ep r o c e s s k e yw o r d s ：t i m es y n c h r o n i z a t i o n ，；w i r e l e 鹞n s 0 rn e 咖r k ，；i 髓e 8 0 2 1 5 4 亿i g b e e ；j n 5 1 2 1 ： i v 上海师范大学硕士学位论文攻读学位期间参加的科研项目 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加 以标注和致谢的地方外，不包含其他人或机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对 本研究的启发和所做的贡献均已在论文中做了明确的声明并表示了谢意。 作者签名：7 车乏茧日期：2 问器s 巧 论文使用授权声明 本人完全了解上海师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用 影印、缩印或其它手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 日期： 5 3 上海师范大学硕士学位论文第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 无线传感器网络是一种独立出现的网络，它的基本组成单位是无线传感器节点，这些 节点集成了传感器、微处理器、无线接口和电源管理四个主要模块。传感器、微机电系统 ( m e m s ) 、集成电路、以及低功耗无线通信等技术的飞速发展，使得低成本、低功耗、多功 能的微型无线传感器网络的大规模应用成为可能，这些微型无线传感器是集成的光机电一 体化系统，具有无线通信、数据收集和处理、协同工作等功能。它们共同组成了无线传感 器网络，导致了一种全新的信息获取和处理模式，微型传感器节点可以随机或者特定地布 置在工作环境中，通过无线通信实现自组织，获取周围环境的信息，形成分布自治系统， 相互协同完成特定的任务f l 】【2 】。 长期以来，低价、低传输率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。自从 b l u e t o o t h 出现以后，曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃不已，但是 b l u e t o o t h 的售价一直居高不下，严重影响了这些厂商的使用意愿。如今i 这些业者都参 加了i e e e 8 0 2 1 5 4 小组，负责制定z i g b e e 的物理层和媒体介入控制层。i e e e 8 0 2 1 5 4 规范 是一种经济、高效、低数据速率( 2 5 0 k b p s ) 、工作在2 4g h z 和8 6 8 9 2 8 删z 的无线技术， 用于个人区域网和对等网状网络。它是z i g b e e 应用层和网络层协议的基础。z i g b e e 是一种 新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于 无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据8 0 2 1 5 4 标准， 在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的 方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。 1 2 无线传感器网络的特点和应用 1 2 1 无线传感器网络的研究态势 无线传感器网络的挑战性也为研究人员提供了广阔的研究空间。虽然美国很早就开始 这方面的研究，但直到近几年，这方面的研究活动才在各大学及研究所蓬勃开展起来美国 政府也斥巨资支持这方面的研究在2 0 0 3 年度的自然科学基金自主的专题中，便有一个是传 感器与传感器系统及网络，拨款额度达到三千四百万美元。美国国防部在这方面的投入更 第一章绪论上海师范大学硕士论文 为巨大。 美国的很多大学都已开展无线传感器网络的研究。加州大学伯克利分校( u n i v e r s i t y o fc a l i f o r n i a ，b e r k e l e y ) 研制的传感器系统m i c a 、m i c a 2 、m i c a 2 d o t 已被广泛地用于低 能无线传感器网络的研究和开发。麻省理工学院( m a s s a c h u s e t si n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y ) 致力于基础知识的信号处理技术，哈佛大学( h a r v a r du n i v e r s i t y ) 研究无线传感器网络中 通讯的理论基础等。在其它国家和地区，如欧洲、日本、澳大利亚也开展了不少关于传感 器及无线传感器网络的研究工作【3 】【4 j 。 国内的一些科研单位和大学，如清华大学、中国科学院沈阳自动化所、哈尔滨工业大 学等已经初步开展了在传感器及无线传感器网络方面的研究工作。从总体来讲，国内关于 无线传感器网络的研究还处于刚刚起步的阶段，但是由于无线传感器网络是一门新兴技 术，国内与国际水平的差距并不很大，及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技 的研究，对整个国家的社会、经济将有重大的战略意义。 1 2 2 无线传感器网络的特点 无线传感器网络与传统网络相比有一些独有的特点，正是由于这些特点使得无线传感 器网络存在很多新问题，提出了很多新的挑战。无线传感器网络的主要特点有【5 】【6 】： ( 1 ) 无线传感器网络的节点数量大、密度高。由于无线传感器网络节点的微型化，每 个节点的通信和传感半径很有限，一般为十几米范围之内，而且为了节能，传感器节点大 部分时间处于睡眠状态，所以往往通过铺设大量的传感器节点来保证网络的质量。无线传 感器网络的节点数量和密度都要比a dh o c 网络高几个数量级，可能达到每平方米上百个节 点的密度，甚至多到无法为单个节点分配统一的物理地址。这会带来一系列问题，如信号 冲突、信息的有效传送路径的选择、大量节点之间如何协同工作等。 ( 2 ) 无线传感器网络的节点有一定的故障率。由于无线传感器网络可能工作在恶劣的 外界环境之中，网络中的节点可能会由于各种不可预料的原因而失效，为了保证网络的正 常工作，要求无线传感器网络必须设计成具有一定的容错能力，允许传感器节点具有一定 的故障率。 ( 3 ) 无线传感器网络节点在电池能量、计算能力和存储容量等方面有限制。由于传感 器节微型化，节点的电池能量有限，而且由于物理限制难以给节点更换电池，所以传感器 节点的电池能量限制是整个无线传感器网络设计最关键的约束之一，它直接决定了网络的 工作寿命【7 】。另一方面，传感器节点的计算和存储能力有限，使得其不能进行复杂的计算， 2 上海师范大学硕士学位论文 第一章绪论 传统i n t e r n e t 网络上成熟的协议和算法对无线传感器网络而言开销太大，难以使用，必须 重新设计简单有效的协议及算法。 ( 4 ) 无线传感器网络的拓扑结构变化很快。由于无线传感器网络自身的特点，传感器 节点在工作和睡眠状态之间切换以及传感器节点随时可能由于各种原因发生故障而失效， 或者有新的传感器节点补充进来以提高网络的质量，这些特点都使得无线传感器网络的拓 扑结构变化很快，这对网络各种算法( 如路由算法和链路质量控制协议等) 的有效性提出了 挑战。此外，如果节点具备移动能力，也有可能带来网络的拓扑变化。 ( 5 ) 以数据为中心( d a t ac e n t r i c ) 。在无线传感器网络中人们只关心某个区域的某个 观测指标的值，而不会去关心具体某个节点的观测数据，比如说人们可能希望知道“检测 区域的东北角上的温度是多少”，而不会关心“节点8 所探测到的温度值是多少”。这就 是无线传感器网络的以数据为中心的特点。而传统网络传送的数据是和节点的物理地址联 系起来的，以数据为中心的特点要求无线传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速 有效的组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。 1 2 3无线传感器网络的应用 无线传感器网络最初主要应用于军事领域，但是随着技术的发展，传感器节点的成本 越来越低，而功能却日益强大，使得以前造价昂贵的无线传感器网络现在已经能够进入民 用领域。现在无线传感器网络已经在民用领域中得到了很多应用，越来越多的可能的应用 领域也不断展现在人们的面前，毫无疑问在无线传感器网络中隐藏着巨大的商机无线传感 器网络在民用方面的应用主要有【8 】： ( 1 ) 工业应用：库存管理、设备故障诊断、恶劣环境生产过程监控；传统布线难以实现的 设备联网等。无线传感器网络应用于工厂自动化生产线的问题，因传统的有线网络， 当设备较多时，设备之间的连线将十分复杂。 ( 2 ) 环境应用：森林火灾的监测、洪水监测、精密农业等。 ( 3 ) 家庭应用：家居自动化、居住环境智能化等。如芬兰技术研究中心的用于家庭健康监测 的传感器网络系统。 ( 4 ) 商务应用：大厦的环境监控、交通监控与车辆跟踪、商店商品管理、智能玩具等。如文 献中谈到了斯坦福大学研究建筑物结构健康的传感器网络系统。 ( 5 ) 军事及反恐：友军兵力、装备、弹药调配监视、战区监控、敌方军力的侦察、目标追踪、 战争损伤评估；核、生物和化学攻击的探测与侦察等。如在地雷上装上w s n 节点，可以 3 第一章绪论上海师范大学硕士论文 与士兵身上的w s n 节点通讯，识别敌我，而有选择性地爆炸。如著名的s m a r td u s t 项目 就是为了给美国军方提供在一立方毫米的体积内自治地完成感知和通信功能的设备原 型系统。 无线传感器网络还有很多其他方面的应用，前景无限，这里就不一一列举了。可以肯 定的是，随着技术的进步和经济的发展，无线传感器网络必将会越来越多的应用到社会生 活的各个方面。 1 3 无线传感器网络的体系结构 一个典型的无线传感器网络的体系构建包括分布式传感器节点( 群) 、接收发送器、互 联网和用户界面等【9 】。 在无线传感器网络中，节点通过飞机布撒，人工布置等方式，大量部署在感知对象内 部或者附近。这些节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感知、采集和处理网 络覆盖区域中特定的信息，可以实现对任意地点信息在任意时间的采集，处理和分析。这 种以自组织形式构成的网络，通过多跳中继方式将数据传回s i n k 节点( 接收发送器) ，最后 借助s i n k 链路将整个区域内的数据传送到远程控制中心进行集中处理。一个典型的无线传 感器网络的体系结构包括分布式传感器节点( 群) 、s i n k 节点、互联网和用户界面等，如图 1 1 所示。在无线传感器网络中绝大多数的节点只有很小的发射范围，而s i n k 节点的发射 能力较强，具有较高的电能，可以把数据发回远程控制节点。 4 图1 1 一个典型的无线传感器网络体系结构 上海师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 1无线传感器节点组成 无线传感器网络节点的基本组成和功能包括如下几个单元：传感单元( 由传感器和模 数转换功能模块组成) 、处理单元( 由嵌入式系统构成，包括c p u 、存储器、嵌入式操作系 统等) 、通信单元( 由无线通信模块组成) 、以及电源部分，如图1 2 所示。此外，可以选 择的其它功能，如单元定位系统、移动系统以及电源自供电系统等【1 0 1 。 图1 2 无线传感器网络节点结构 1 3 2无线传感器网络分层结构 与互联网协议框架类似，无线传感器网络的的协议框架也包括五层，如图1 3 所示， 网络协议各层功能如下： 图1 3 无线传感器网络协议架构 物理层协议：物理层负责数据的调制、发送与接收。该层的设计将直接影响到电路的 复杂度和能耗。研究的目标是设计低成本、低功耗、小体积的传感器节点。 数据链路层协议：数据链路层负责数据成帧、帧检测、差错控制以及无线信道的使用 5 第一章绪论 上海师范大学硕士论文 控制，减少邻居节点广播引起的冲突。 路由层协议：路由层实现数据融合，负责路由生成和路由选择。 传输控制层协议：传输控制层负责数据流的传输控制，协作维护数据流，是保障通信 质量的重要部分。t c p 协议是i n t e r n e t 上通用的传输层协议。但无线传感器网络的资源受 限、高错误率、拓扑结构动态变化的特点将严重影响t c p 协议的性能。 应用层协议：基于检测任务，在应用层上开发和使用不同的应用层软件。 图1 - 3 右侧部分不是独立的模块，它们的功能渗透到各层中，如能量、安全、移动， 在各层设计实现中都要考虑；而拓扑管理主要是为了节约能量，制定节点的休眠策略，保 持网络畅通；网络管理主要是实现在传感器网络环境下对各种资源的管理，为上层应用服 务的执行提供一个集成的网络环境；q o s 支持是指为用户提供高质量的服务。通信协议中 的各层都需要提供q o s 支持。 1 4 基于z i g b e e 的无线传感器网络简介 i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议是由i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 标准的物理层( p h y 层) 和媒介 层( m a c 层) 再加上z i g b e e 的网络和应用支持层所组成的。其突出的特点是网络系统支持 极低成本、易实现、可靠的数据传输、短距离操作、极低功耗、各层次的安全性等。为了 达到极低的设计成本和极低的功率消耗，协议定义了两种相互配合使用的物理设备，全功 能设备和消减功能设备： ( 1 ) 全功能设备( f u l lf u n c t i o nd e v i c e ，f f d ) ，可以支持任何一种拓扑结构，可以作 为网络协商者和普通协商者，并且可以和任何一种设备进行通信。 ( 2 ) 消减功能设备( r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ，r f d ) ，只支持星型结构，不能成为任 何协商者，可以和网络协商者进行通信，实现简单。 与物理节点相对应，在i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 网络需要至少一个全功能设备作为网络 协商者，终端节点一般使用削减功能设备来降低系统成本和功耗，提高电池使用寿命。另 外所有设备必须使用一个6 4 位的i e e e 地址；可以使用1 6 位短地址来减少数据包大小；寻址 模式可以为网络加设备标识符的星型结构，或者源和目标标识符的点到点结构( 包括了簇 树和m e s h 网络) 两种。 基于i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 的无线传感器网络以其突出的特点和应用前景，必将成为 今后无线网络发展的一大方向j 本文正是从i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 标准入手，并在 i e e e 8 0 2 1 5 a m a c 层提供的服务的基础上，实现了满足准z i g b e e 的组网、路由、定位等算法 6 上海师范大学硕士学位论文 第一章绪论 及功能。 1 5 本文的工作和组织结构 本论文全面深入的研究分析和介绍了i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 标准的主要内容，在此基 础上采用j e n n i c 公司的j n 5 1 2 1 平台上实现了适用于z i g b e e 方案的时间同步算法的验证仿 真，实现了节点间的正常数据传输。 文章共分为五章，第二、第三章和第四章为本文的主要工作内容，其中三、四两章为 工作的重点和难点。第三章着重在基于z i g b e e 的组网和路由算法的理论研究和实践突破 上，第四章着重于准z i g b e e 组网方案的设计和实施。 第一章为绪论。简要介绍了无线传感器网络的特点和应用、研究态势、体系结构及部 分关键技术。同时简要介绍了基于i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 的无线传感器网络的概念，并指 出了本文的研究内容。 第二章较为全面的介绍了i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 标准，首先给出了z i g b e e 标准的协议 架构，网络服务接入点、原语等基本概念；然后分别介绍了i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 的p h l f 层 和m a c 层的结构和功能及其主要特点。之后依次重点介绍了z i g b e e 网络层( n w k ) 、应用层 ( a p l ) 的基本结构、网络实体及其功能。 第三章对现存的无线传感器网络的时间同步算法做深入研究。深入研究了无线传感器 网络中的时钟同步问题、时钟同步技术和提高时钟同步精度的方法，给出了传感器节点的 时钟模型和时钟速率同步与时钟偏差同步的关系。研究了无线传感器网络时间同步的种 类、传感器节点之间时钟同步技术和无线传感器网络时钟同步协议及其性能的比较。 第四章在现存的无线传感器网络时钟同步算法的基础上，针对z i g b e e 低功耗的特点和 利用参数r s s i 提出了一种减少同步过程中路由节点数量的改进时钟同步算法，路由节点之 间相对于路由节点与普通节点之间同步过程所需的消息交换次数要多，从而减少了时钟同 步所需的消息交换次数，大大降低了通信开销。对开放源代码n s 2 的网络仿真平台进行了 扩展，对本文提出的改进算法进行了仿真，给出了改进算法与其它相近算法的仿真结果。 第五章介绍了j e n n i c 公司的z i g b e e j n 5 1 2 1 开发平台所提供的软硬件资源，并在此基 础上自己制作了所需的同步测试通信模块。然后，简单利用几个硬件节点，在硬件平台上 实现了改进的时钟同步算法。针对自己所组成的较小的网络，进行了同步测试，给出了测 试结果。 第六章总结了全文并对基于z i g b e e 的无线传感器网络时钟同步的研究工作做出展望。 7 第二章i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 技术标准研究 上海师范大学硕士论文 第二章 i 旺e8 0 2 15 4 zig b e e 技术标准研究 2 1 z i g b e e 协议分析 2 1 1 z i g b e e 协议概述 z i g b e e 协议是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。 在标准规范制订方面，主要是i e e e 8 0 2 1 5 4 小组与z i g b e ea 1 l i a n c e 两个组织，两者分别 制订硬件与软件标准。2 0 0 0 年1 2 月i e e e 成立了8 0 2 1 5 4 小组，负责制订媒体存取控制( m a c ) 与物理层( p h y ) 规范。在z i g b e e 联盟方面，z i g b e e 联盟是在2 0 0 2 年1 0 月由霍尼韦尔，三菱， 摩托罗拉，飞利浦与英维思共同成立。目前z i g b e e 联盟已推出第1 0 版规范，成员已达1 5 0 多个。z i g b e e 协议依据8 0 2 1 5 4 标准，在数干个微小的传感器之间相互协调实现通信。这 些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个 传感器，所以它们的通信效率非常耐1 1 】。 相对于现有的各种无线通信技术，z i g b e e 技术将是最低功耗和成本的技术，同时由于 z i g b e e 技术的低数据速率和通信范围较小的特点，也决定了z i g b e e 技术适合于承载数据流 量较小的业务。所以z i g b e e 联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽 车自动化、农业自动化和医用设备控制等【1 2 】。 2 1 2 z i g b e e 协议的优势 设备省电。z i g b e e 技术采用了多种节电的工作模式，可以确保两节五号电池支持长达 6 个月到2 年左右的使用时间。 通信可靠。z i g b e e 采用了c s m a c a 的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务 预留了专用时隙，避免了发送数据是的竞争和冲突；m a c 层采用了完全确认的数据传输机 制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。 成本低廉。设备的复杂程度低，且z i g b e e 协议是免专利费的，这些可以有效地降低设 备成本；z ig b e e 的工作频段灵活，为免执照频段的2 4 g h z ，就是没有使用费的无线通信。 网络容量大。一个z i g b e e 网络可以容纳最多2 5 4 个从设备和一个主设备，一个区域内 可以同时存在2 0 0 多个z i g b e e 网络。 数据安全。z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用a e s 1 2 8 ，同时 8 上海师范人学硕十学位论文第二章i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 技术标准研究 各个应用可以灵活确定其安全属性。 2 2i e e e 8 0 2 15 4 z i g b e e 标准 2 2 1i e e e 8 0 2 15 4 z i g b e e 协议框架 i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 的协议栈框架是由一些层所构成，如图2 1 所示。每个层都有一 套特定的服务方法和上一层连接，它们由数据实体( d a t ae n t i t y ) 和管理实体 ( m a n a g e n m e n te n t i t y ) 组成。数据实体提供数据的传输服务而管理实体提供所有的别的服 务类型。每个层的服务实体通过服务接入点( s e r v i c ea c c e s sp o i n t ，s a p ) 和上一层相接。 每个s a p 提供了大量的服务方法来完成要求的操作。z i g b e e 协议栈是基于标准的0 s 工七层模 型，但只是在相关的范围来定义一些相应层以完成特定的任务。i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 标准 定义了下面的两个层，物理层( p h y 层) 和媒介层( m a c 层) 。z i g b e e 联盟在此基础上建立了网 络层( n w k 层) 以及应用层( a p l 层) 的框架( f r a m e w o r k ) a p l 层又包括应用支持子层 ( a p p li c a t i o ns u p p o r ts u b l a y e r ，a p s ) z i g b e e 的谚乏备对象( z i g b e ed e v i c eo b j e c t s ， z d 0 ) 以及制造商定义的应用对象【”j 。 f i e e e8 0 2 5 4 ud e n n e d 厂 z g b e e 阳a a n c e u d e 6 n e d 臣i 习e n dm 8 n u f a c f u 圯f ：主三jd e 磊n e d 厂 l a y e r l 舢n c f l o n 口怒 图2 1z 追b e e 协议栈的完整示意图 9 第二章i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 技术标准研究 上海师范大学硕士论文 2 2 2l e e e8 0 2 15 4p h y 层 i e e e8 0 2 1 5 4 工作在工业科学医疗( i s m ) 频段，定义了有两个物理( p h l ) 层，提供 两个独立的频率段：8 6 8 9 1 5 删z 和2 4 g h z 。其中低频段物理层覆盖了8 6 8 删z 欧洲使用频段 和9 1 5 姗z 的美国和澳大利亚等国使用频段。2 4 g h z 频段则使用在全世界范围内。 i e e e8 0 2 1 5 4 的物理层定义了物理信道和m a c 子层间的接口，提供了数据服务和物理 层管理服务。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据，物理层管理服务维护一个物理 层相关数据组成的数据库。图2 1 中物理层各功能实现和s a p 的具体描述如下： p l m e ：p h y 层管理实体，处理与物理层管理相关原语。 p h yp i b ：p h y 层p a n 信息数据库，存储物理层p a n 相关属性。 p d s a p ：p h y 数据服务接入点，接收将要发送的m a c 帧、向m a c 层报告接收到的 m a c 帧，为m a c 层提供p h y 数据服务。 p l 】m e s a p ：p l m e 服务接入点，接收m a c 的管理请求原语，向m a c 层报告管理指 示原语和确认原语，为上层m a c 层提供p h y 管理服务。 物理层服务包括以下五个方面：激活和休眠射频收发器、信道能量检测( e d ) 、检测 接收数据包的链路质量指示( l q i ) 、空闲信道评估( c c a ) 、收发数据。 信道能量检测为网络层提供信道选择依据，主要测量目标信道中接收信号的功率强 度，由于这个检测本身不进行解码操作，所以检测结果是有效功率和噪声信号功率之和。 链路质量指示为网络层或者应用层提供接收数据帧时无线信号的强度和质量信息，与 信道昂检测不同的是，它要对信号进行解码，生成的是一个信噪比指标，这个信噪比指标 和物理层数据单元一道提交给上层处理。 空闲信道评估判断信道是否空闲，i e e e8 0 2 1 5 4 定义了三种空闲信道评估模式：第 一种简单判断信道的信号能量，当信号能量低于某一门限值就认为空闲信道；第二种通过 判断无线信号的特征，这个特征主要包含两个方面，即扩频信号特征和载波频率；第三种 模式是前两种模式的综合，同时检测信号强度和信号特征，给出信道空闲判吲1 4 】。 2 2 3i e e e8 0 2 15 4m a c 层 m a c 子层提供两种服务：m a c 层数据服务和m a c 层管理服务( m a cs u b l a y e rm a n a g e m e n t e n t i t y ，m l m e ) 。前者保证m a c 协议数据单元在物理层数据服务中正确收发，后者维护一 个存储m a c 子层协议状态相关信息的数据库。图2 1 中m a c 各功能实体和s a p 的具体描述如 1 0 上海师范大学硕士学位论文第二章i e e e8 0 2 1 5 4 z i 邸e e 技术标准研究 f ： m a cc o 姗o np a r ts u b l a y e r ：m a c 公共部分