大规模无线传感器网络的时间同步与节点定位技术研究

1、摘要摘要当今能源问题的日益凸显，对石油物探的要求不断提高。物探地震传感器数据采集与分析是当今有效而重要的石油勘探技术，且地震传感器布设覆盖范围和密度不断增加己成为提高石油探明率的必然发展趋势。与此同时，石油物探地震传感器数据采集通信网络技术形成了从有线技术逐步向有，无线混合通信技术、全无线通信技术不断发展的趋势。针对蜂窝式全无线大规模石油物探地震数据传感器采集通信网技术研究的背景，论文重点就大规模无线传感器网络的时间同步与传感器节点定位技术开展了具体研究。论文全面介绍了无线传感器网络基本原理与技术特点，在选择合适的节点时钟数学模型基础上，通过对时钟误差来源的分析，给出了两种时钟同步的基本方案。在对现有多种无线传感器网络时钟同步方法比较后，重点就适合课题背景的成对同步方法作了深入分析研究并提出了漂移补偿改迸方案。在对多种节点定位方法进行原理分析后，给出三种定位途径及影响定位精度的因素。通过对现有定位算法的比较分析，提出基于月E 基于测距相结合的节点定位方式。此外，分析了G P S 定位原理的基础上，探讨了基于脉冲超宽带定位可行性，为课题的进一步深入研究与具体实现奠定了关键技术研究基础关键

2、字：无线传感器网络时间同步节点定位成对非基于距离东南大学硕士学位论文A b s 仃a c tT h ei s s u eo fe n e r g yi sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yp r o m i n e n tt o d a ya n dt h er e q u i r e m e n to fg e o p h y s i c a le x p l o r a t i o nf o rO nc o n t i n u e st oi n c r e s s e S e n s o rn e t w o r kp l a y sa ni n 甲o r t a mr o l ei nl a r g es c a l eg e o p h y s i c a le x p l o r a t i o nf o ro i l T h et e c h n o l o g yo fs e l u o P 3 d a t aa c q u i s i t i o no fs u c hn e t w o r kh a sg r a d a 曲

3、l yc h a n g e df r o mt h em i xo f b o t hw i r e da n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt ow h o l en e t w o r kw i r e l e s s B a s e dO nt h eb a c k g r o u n dr e s e a r c ho f t h ew i r e l e s sc e l l u l a rl a r g e - s c a l eo i lg e o p h y s i c a ls e i s m i cd a ma c q u i s i t i o nn e t w o r kt e c h n o l o g y , t h i sp a p e rf o c u s e s t h et e c h n o l o g yo f t i m es y n c h r o m z a t i o na n dl o c a l i z a t i o no fl a r g es c a l ew i r e l

4、 e s s I S S O rn e t w o r k s Ac o m p r e h a n s i v ei n m x l u c t i o no f b o t ht h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dt h et e c h n i c a lf e a t u r e so fw i r e l e s s n s o rn e t w o r k si sg i v e I la tt h eb e g i n n i n g B a s e d t h ea p p r o p r i a t es e l e c t i o no fm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h en o d e s c l o c k , a n dt h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ec l o c ke r r o rs o l l r c e s ，t w ob a s i cm e t h o d so ft i m es y n c h r o n i

5、z a t i o na r cg i v e n R e s e a r c h i n gt h ec o m p a r i s o na m o n gv a r i e t i e so fe x i s t i n gw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s t i m es y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e s ，t h e p a p e r f o c u s e so n t h ea n a l y s i s o f p a h - - w i s e ds y n c h r o n i z a t i o n m e t h o d ,a n dp u tf o r w a r da ni m p r o v e da l g o r i t h mb yd r i R - c o 岬f i o n A f t e ra n a l y z i n gt h ep r i n c i p l e so fs o m el o c a l i z a t i o ns c h

6、 e m e so fw i r e l e s s T l s o rn e t w o r k s ，t h r e el o c a l i z a t i o nc h a n n e l sa n dt h e i rf a c t o r sa f f e c t i n gl o c a l i z a t i o na c c u r a c ya l eg i v e n T h r o u g ha n a l y s i sa n dc o m p a r i s o na m o n gt h ee x i s t i n gl o c a l i z a t i o na l g o r i t h m s 。am e t h o do fl o c a l i z a t i o nb a s e dO nt h em i xo f b o t hR a n g e - f t e ea n dR a n g e - b a s e dl o c a l i z a t i o ns c h e m e si sg i v e n I na d d i t

7、i o n ,a n a l y z i n gt h ep r i n c i p l ea l g o r i t h mo fG P S ，t h ep a p e ri n v e s t i g a t e st h ef e a s i b i l i t yo fu l t r a - w i d e b a n dp u l s es i 刚p o s i t i o nm e c h a n i s m K e yw o r d s ：W i r e l e s sS e n s o rN e t w o r k ，T i m eS y n c h r o n i z a t i o n L o c a l i z a t i o n , P a i r - w i s e ，R a n g e - F r e en东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料

8、。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：E t 蜘跏8 ；多期：竺：! ：!东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 繇壶己一名：晔日期第一章绪论第一章绪论1 1 课题背景步入2 l 世纪，随着社会经济的发展，能源问题越来越得到关注。我国的能源需求迅速增加，石油进口的比例逐年增长。与此形成鲜明对比的是，当今我国陆上大多数主力油田已经进入中后期开发阶段。而陆上探明资源数量明显不足，未能形成产区的战略接替。海域油田原油产量所占比重逐渐加大，但份额仍较低。因此亟需新的探明储量来支持现阶段国内能源的高需求。同时。信息技术的发展日新月异，极大地改变了我们的生活，也改变了我们的生产方式。结合信息技术的物探数据采集技术在当今能源勘探技术中处于一

9、个很重要的地位。当前矿藏的巨大价值日益凸现。在这种背景下，对物探数据采集网络的研究日趋升温。地震波检测技术是石油勘探技术的一种。传感器网络是地震波检测技术的得力工具。石油物探地震数据采集中，传感器覆盖范围和密度不断增加成为提高探明率的必然趋势。其网络面积超百平方公里，传感器间距密度小于2 0 米这样大规模、高密度的传感器网络如果基于有线传输数据采集，在网络布设、移动、效率、维护、劳动强度等方面有难以克服困难这就对现有有线布网方式的改变提出了要求。无线技术在信息技术领域正扮演着越来越重要的角色，通信网络设备无线化已成为必然趋势。随着无线传感器网络的兴起和相关技术的不断进步，大规模组网下，同传统人工布线、有线组网相比，无线传感器网络的巨大优势是不言而喻的。石油物探传感器网络的覆盖范围可达上百平方公里，在这么大的覆盖范围下人工步网，其材料设备需求量、人工需求量之大是难以想象的，而且网络布设完毕后，不具备任何灵活性维护工作也相当困难采用现有的有无线混合方式步网( 图1 1 ) ，虽然在一定程度上改进了步网方式但仍然难以从根本上解决上述问题。地震石油勘探中，仪器车必须对记录系统和引爆之间的时间同步进行精确控制。一般仪器车距引爆装置几公里至十几公里，需要通过无线通讯进行引爆，并实现同步采样、记录地震石油勘探原理决定了该时间同步精度为数据采集系统的关键技术之一”1 。很多传感器网络应用需知道各节点物理位置的坐标信息，节点定位的重要性在于：l 、须知道传感器感知数据的发生位置才有应用价值。例如。目标跟踪时，传感器探测出所跟踪的目标，需通过传感器的位置来计算目标位置：火灾报警需要准确的起火地点等在地震i i 油勘探中，各处传来的震波必须准确对应到详细的地质地形图上，再加以分析研究才能判断勘探地点的岩层下是否有石油因此各传感器收集的震波信息必须加上自身的位置信息才有意义。2 、W S N 的很多通信协议是在已知节点位置的基础上运行的如地理路由就是在无路由表的情况下实施数据转发，因而具有很好的可扩展性，但条件是要求拥有节点坐标。另外基l东南大学硕士学位论文于节点的已知位置可优化网络运行期间的值守调度机制，使网络中冗余节点不定期地轮休以延长寿命地震石油勘探原理同样决定了传感器节点定位为数据采集系统的关键技

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