无线传感网络时间同步研究进展与分析 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

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来源：网络
引言



保持节点之间时间上的同步在无线传感器网络中非常重要，它是保证数据可靠传输的前提。NTP协议是目前因特网上采用的时间同步协议标准，功耗大，采用有线传输，不适合用于功耗、成本受限制的无线传感器网络中。GPS系统也可以提供高精度的时间同步，但它的信号穿透性差，GPS天线必须安装在空旷的地方，功耗也较大，所以不适合无线传感网络。


Elson等人2002年首次提出无线传感器网络时间同步的研究课题以来,已有相当多的典型时间同步算法，主要可以分为以下几类：基于发送者—接收者的双向同步算法，典型算法如TPSN（TimingSync Protocol for Sensor Networks）算法[1]；基于发送者—接收者的单向时间同步算法，典型算法如FTSP（Flooding Time Synchronization Protocol）算法[2]、DMTS（Delay Measurement Time Synchronization）算法[3]；基于接收者—接收者的同步算法，典型算法有RBS（Reference Broadcast Synchronization）算法[4]。


近年来根据以上几种典型同步算法，还有人提出了分簇式的层次型拓扑结构算法，以及结合生成树等来提高整个网络的性能，如LTS（Lightweight time synchronization）算法[5]、CHTS（Clusterbased Hierarchical Time Synchronization）算法[6]、CRIT（ChainedRipple Time Synchronization）算法[7]、PBS（The Pairwise Broadcast Synchronization）算法[8,17]、 HRTS（Hierarchy Referencing Time Synchronization Protocol）算法[9]、BTS(Broadcast time synchronization)算法[10]、ETSP（Energyefficient Time Synchronization Protocol)算法[11]等。


然而，无论以上同步算法怎样发展，精度如何提高，整个网络功耗怎样降低，都是基于单跳时间同步机制。随着无线传感网络的运用与发展，传感节点体积不断缩小，单跳距离变小，整体网络规模变大，同步误差的累积现象必将越来越严重。目前也有比较新的同步算法，试图尽量避开单跳累加来解决这些问题，如协作同步[12，1516]。


1  时间同步

　　1.1  时间同步不确定性的影响因素

　　时间同步不确定性的主要的影响因素如图1所示。

图1  报文传输延迟

发送时间：发送方用于构造分组并将分组转交给发送方的MAC层的时间。主要取决于时间同步程序的操作系统调用时间和处理器负载等。
访问时间：分组到达MAC层后，获取信道发送权的时间。主要取决于共享信道的竞争、当前的负载等。
传送时间：发送分组的时间，主要取决于报文的长度等。
传播时间：分组离开发送方后，并将分组传输到接收方之间的无线传输时间。主要取决于传输介质、传输距离等。
接收时间:接收端接收到分组，并将分组传送到MAC层所需的时间。
接受时间：处理接收到分组的时间。主要受到操作系统的影响。


1.2  典型时间同步算法分析

　　1.2.1  TPSN算法分析

　　TPSN算法[1]采用的是层次型的网络结构，是基于发送者—接收者的双向同步算法。分成两个阶段，第一阶段为层次发现阶段，第二阶段为同步阶段。T1、T4用来记录同步节点的本地时间，T2、T3用来记录参考节点的本地时间。同步节点A在T1时刻向参考节点B发送一个同步请求报文，报文中包含了同步节点的级别和T1。当参考节点B收到报文后，记录下接收时刻T2，并立即向同步节点A回复一个同步应答报文，该报文中包含了参考节点B的级别和T1、T2及回复时刻T3。同步节点A收到参考节点的回复后，记下时刻T4。假设来回报文的传输延迟相同都为d，且m为同步节点在T1时刻两者之间的时偏，且设来回时偏相同，由T2=T1+m+d，T4=T3-m+d可得到：



　　则在T4时刻，若在同步节点A的本地时间增加修正量m，就能达到同步节点A与参考节点B之间的同步。


1.2.2  RBS算法分析

　　RBS算法[4]是基于接收者—接收者的同步算法。首先参考节点广播一个参考分组，当同步节点A收到这个分组，记下自己的本地时钟为T21，当同步节点B收到这个分组时，也记下自己的本地时钟为T22，然后同步节点A与同步节点B交换本地时钟T21与T22，这时其中一个节点只要根据时间差值m=T21-T2