无线传感网络时间同步研究进展与分析（一） 无线传感器网络, 无线传感器节点, 时间同步, 时间同步协议标准, 时间同步算法分析

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2，修改自己的时钟就能达到与另一个节点之间的同步。在多跳网络中，RBS算法采用多次广播同步消息，接收节点根据接收到同步消息的平均值，同时采用最小平方线性回归方法进行线性拟合以减小同步误差。




1.2.3  DMTS算法分析

　　DMTS算法[3]是基于发送者—接收者的单向时间同步算法。当发送节点在检测到通道空闲时，给广播分组加上时间戳t0,从而排除了发送节点的处理延迟与MAC层的访问延迟。并假设发送报文的长度为NA个比特（包括前导码与同步字），传送每个比特的时间为t，而接收者在接收完同步字后，记录下此时的本地时间为t1,并在调整自己的本地时间记录之前记录下此时的时刻t2,这时接收节点为了与发送节点达到时间上的同步，可以调整接收节点的时间改为t0+t·NA+(t2-t1)。


从参考文献[1，34]中，可以看出，文章作者在加州大学伯克利分校的Mica节点上测试过，TPSN平均单跳误差为17.61μs,DMTS平均单跳误差为30μs,RBS平均单跳误差为6.29μs, TPSN平均4跳误差为21.43μs,DMTS平均单跳误差为151μs,RBS平均4跳误差为9.97μs。


1.2.4  其他算法分析

　　LTS协议[5]是基于发送—接收同步机制发展而来，提出了集中式和分布式LTS多跳时间同步算法。LTS协议首先把网络组成广度优先生成树拓扑结构，并沿着树的每条边进行单跳成对同步。参考节点的子节点同步完成后，又以该节点为参考节点，采用同样方式继续同步下去，直到同步完成。


单跳成对同步采用TPSN同步方法。成对同步的次数是边数的线性函数。Hui Dui等人提出来的HRTS[9，14] 利用了广播的特性，只需要一次同步过程可以完成一个单跳组网所有节点的同步，进一步降低了LTS协议的功耗。HRTS算法不再采用广度优先生成树的边，采用的是广度优先生成树非叶子节点个数的线性函数。相较于LTS协议，HRTS算法以牺牲一定的精确来降低了整个网络的功耗。


BTS[10，14]同步方法类似于HRTS算法，也是先建立广度优先成生树拓扑结构，只不过BTS采用的是时间转换技术，以达到整个网络的时间同步，而HRTS直接对同步节点的本地时间进行修改，得到全网的同步，同步报文个数降为HRTS协议的2／3。


PBS同步算法[8]的思想是参考节点与簇首节点之间采用双向同步方法，与TPSN相似，其他节点（在两个节点的通信范围内）可以侦听到同步消息，就可以根据接收者—接收者同步方法同步。类似于RBS同步，PBS同步的前提是每个同步节点必须在簇首节点的通信范围之内。


ETSP算法[11]主要采用的是设置门槛值N来选择同步算法，当父节点的子节点小于或等于N时，采用接收—接收（RBS）同步模式，否则采用发送—接收（TPSN）同步模式。N值的选择采用N2-3N-2m=0来计算，式中m=RxTx，Rx为节点的接收次数，Tx为传播次数。


FTSP[2]同步算法精度高的原因是，发送者在发送一个同步请求报文时连续标记了多个时间戳，接收者可以根据这几个中断时间计算出更精确的时间偏差。


1.2.5  协作同步技术


以上同步机制，无论怎样改进都是基于单跳同步基制，最近有人提出了协作同步技术，不再单纯地从单跳同步机制上进行改进，而是通过信号叠加原理，使同步基准节点能够把同步消息直接发送到远方待同步的节点，使远方节点直接与基准节点同步，消除了同步误差单跳累加的结果。Hu A等人针对节点密度较高的网络提出了一种协作同步算法，基本思想是参考节点根据同步周期发出m个同步脉冲，其一跳邻居节点收到这个消息后保存起来，并根据最近的m个脉冲的发送时刻计算出参考节点的第m+1个同步消息发出的时间，并在计算出来的时刻同步与参考节点同时发送第m+1个同步消息。由于信号叠加，因此同步脉冲可以发送到更远的节点，当然前提是网络中节点密度较高的情况[1213]。A.Krohn等人提出了在物理层上面实现协作同步，只需要本地消息，避免了额外的消息同步交换开销[15]。参考文献[16]证实了协作同步误差的方差与节点密度呈反比关系。因此节点密度越高同步误差也会越小。


2  时间同步算法误差分析与比较

　　根据节点消息传输过程可以得到式（1）与式（2）：




在式（1）、（2）中，t1、t2是由标准时钟所确定的，表示UTC时间。T1、T2分别是t1、t2所对应的本地节点所测出的本地时间。SA代表节点A的报文发送时间，AA是发送报文的访问时间，TA→B是A节点按比特传输报文与B节点按比特接收报文所需要的时间，PA→B是节点A传播到节点B的时间。RB是节点B的报文接收处理过程时间。TNA是传输NA个比特的总时间。Terror指传输比特的误差，Rerror打时标过程存在的误差。DA→Bt1代表节点A与节点B在t1时刻的时偏。