無線傳感網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步研究進(jìn)展與分析

摘要：簡(jiǎn)要闡述近年來無線傳感網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步算法的發(fā)展情況和影響無線傳感網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的因素后，重點(diǎn)介紹了目前幾種比較典型的時(shí)間同步算法，并對(duì)其精度、功耗以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了較詳細(xì)的分析。在特定的網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)該對(duì)精度與功耗進(jìn)行折中考慮。最后探討了未來可能的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：時(shí)間同步；典型時(shí)間同步算法；誤差分析

引言
保持節(jié)點(diǎn)之間時(shí)間上的同步在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中非常重要，它是保證數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)那疤?。NTP協(xié)議是目前因特網(wǎng)上采用的時(shí)間同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，功耗大，采用有線傳輸，不適合用于功耗、成本受限制的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中。GPS系統(tǒng)也可以提供高精度的時(shí)間同步，但它的信號(hào)穿透性差，GPS天線必須安裝在空曠的地方，功耗也較大，所以不適合無線傳感網(wǎng)絡(luò)。
Elson等人2002年首次提出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的研究課題以來，已有相當(dāng)多的典型時(shí)間同步算法，主要可以分為以下幾類：基于發(fā)送者一接收者的雙向同步算法，典型算法如TPSN(Timing-Sync Protocol for Sensor Networks)算法；基于發(fā)送者一接收者的單向時(shí)間同步算，典型算法如FTSP(Flooding Time Synclaronization Protocol)算法、DMTS(Delay Measurement Time Synchronization)算法；基于接收者一接收者的同步算法，典型算法有RBS(Reference Broadcast Synchronization)算法。
近年來根據(jù)以上幾種典型同步算法，還有人提出了分簇式的層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)算法，以及結(jié)合生成樹等來提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能，如LTS(Li-glatweight time synchronization)算法、CHTS(Cluster-based Hierarehical Time Synchronization)算法、CRIT(Chained-Ripple Time Synchronization)算法、PBS(The Pairwise Broadcast Synchronization)算法、HRTS(Hierarchy ReferencingTime Synchronization Pro-toc01)算法、BTS(Broadcasttime synchronization)算法、ETSP(Energy-efficient Time Synchronization Protocol)算法等。
然而，無論以上同步算法怎樣發(fā)展，精度如何提高，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)功耗怎樣降低，都是基于單跳時(shí)間同步機(jī)制。隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)用與發(fā)展，傳感節(jié)點(diǎn)體積不斷縮小，單跳距離變小，整體網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變大，同步誤差的累積現(xiàn)象必將越來越嚴(yán)重，目前也有比較新的同步算法，試圖盡量避開單跳累加來解決這些問題，如協(xié)作同步。

1 時(shí)間同步
1．1 時(shí)間同步不確定性的影響因素
時(shí)間同步不確定性的主要的影響因素如圖1所示。

發(fā)送時(shí)間：發(fā)送方用于構(gòu)造分組并將分組轉(zhuǎn)交給發(fā)送方的MAC層的時(shí)間。主要取決于時(shí)間同步程序的操作系統(tǒng)調(diào)用時(shí)間和處理器負(fù)載等。
訪問時(shí)間：分組到達(dá)MAC層后，獲取信道發(fā)送權(quán)的時(shí)間。主要取決于共享信道的競(jìng)爭(zhēng)、當(dāng)前的負(fù)載等。
傳送時(shí)間：發(fā)送分組的時(shí)間，主要取決于報(bào)文的長(zhǎng)度等。
傳播時(shí)間：分組離開發(fā)送方后，并將分組傳輸?shù)浇邮辗街g的無線傳輸時(shí)間。主要取決于傳輸介質(zhì)、傳輸距離等。
接收時(shí)間：接收端接收到分組，并將分組傳送到MAC層所需的時(shí)間。接受時(shí)間：處理接收到分組的時(shí)間。主要受到操作系統(tǒng)的影響。
1．2 典型時(shí)間同步算法分析
1．2．1 TPSN算法分析
TPSN算法采用的是層次型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是基于發(fā)送者一接收者的雙向同步算法。分成兩個(gè)階段，第一階段為層次發(fā)現(xiàn)階段，第二階段為同步階段。T1、T4用來記錄同步節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間，T2、T3用來記錄參考節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)問。同步節(jié)點(diǎn)A在T1時(shí)刻向參考節(jié)點(diǎn)B發(fā)送一個(gè)同步請(qǐng)求報(bào)文，報(bào)文中包含了同步節(jié)點(diǎn)的級(jí)別和T1。當(dāng)參考節(jié)點(diǎn)B收到報(bào)文后，記錄下接收時(shí)刻T2，并立即向同步節(jié)點(diǎn)A回復(fù)一個(gè)同步應(yīng)答報(bào)文，該報(bào)文中包含了參考節(jié)點(diǎn)B的級(jí)別和T1、T2及回復(fù)時(shí)刻T3。同步節(jié)點(diǎn)A收到參考節(jié)點(diǎn)的回復(fù)后，記下時(shí)刻T4。假設(shè)來回報(bào)文的傳輸延遲相同都為d，且m為同步節(jié)點(diǎn)在T1時(shí)刻兩者之間的時(shí)偏，且設(shè)來回時(shí)偏相同，由T2=T1+m+d，T4=T3-m+d可得到：

則在T4時(shí)刻，若在同步節(jié)點(diǎn)A的本地時(shí)間增加修正量m，就能達(dá)到同步節(jié)點(diǎn)A與參考節(jié)點(diǎn)B之間的同步。