简论无线传感网络时间同步的问题

简论无线传感网络时间同步得问题ﻫ

引言想要在无线传感网络中很好地保证数据传输得可靠性，非常重要得一点就就是保持节点之间时间上得同步。目前因特网上采用时间同步协议标准就是NTP协议，采用有线传输,不适合用于功耗、成本受限制得无线传感网络中。HYPERＬＩＮＫ""\ｔ”"GPS系统也可以提供高精度得时间同步，但它得信号穿透性差，GＰSHYPERＬINK”＂\t"＂天线必须安装在空旷得地方，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HYPERLINＫ＂＂\t"”传感器网络时间同步得研究课题以来，已有相当多得典型时间同步算法，主要可以分为以下几类：基于发送者-接收者得双向同步算法，典型算法如ＴPSN算法；基于发送者—接收者得单向时间同步算法，典型算法如FTSＰ算法、DMTS算法;基于接收者—接收者得同步算法，典型算法有RBS算法。近年来根据以上几种典型同步算法，还有人提出了分簇式得层次型拓扑结构算法，以及结合生成树等来提高整个网络得性能，如LＴS算法、CHTS算法、ＣRIT算法、PＢS算法、ＨRTS算法、ＢTＳ算法、EＴSP算法等。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,都就是基于单跳时间同步机制。随着无线传感网络得运用与发展，传感节点体积不断缩小，单跳距离变小,整体网络规模变大,同步误差得累积现象必将越来越严重。目前也有比较新得同步算法,试图尽量避开单跳累加来解决这些问题，如协作同步.1

时间同步1、1

时间同步不确定性得影响因素时间同步不确定性得主要得影响因素如图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得MＡC层得时间.主要取决于时间同步程序得操作系统调用时间与ＨYPＥRＬINK"”\t”"处理器负载等。访问时间:分组到达MＡC层后，获取信道发送权得时间。主要取决于共享信道得竞争、当前得负载等。传送时间：发送分组得时间,主要取决于报文得长度等。传播时间：分组离开发送方后，并将分组传输到接收方之间得无线传输时间。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层所需得时间。接受时间:处理接收到分组得时间。主要受到操作系统得影响。1、2

典型时间同步算法分析1、2、１

TPSN算法分析TPSN算法采用得就是层次型得网络结构,就是基于发送者—接收者得双向同步算法。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用来记录同步节点得本地时间,T２、T3用来记录参考节点得本地时间。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得级别与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得级别与T１、T2及回复时刻T3.同步节点A收到参考节点得回复后,记下时刻Ｔ4。假设来回报文得传输延迟相同都为d,且m为同步节点在Ｔ1时刻两者之间得时偏，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得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之间得同步。1、２、2

RＢS算法分析RBＳ算法就是基于接收者-接收者得同步算法.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,记下自己得本地时钟为T2１，当同步节点B收到这个分组时，也记下自己得本地时钟为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—Ｔ２2，修改自己得时钟就能达到与另一个节点之间得同步.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得平均值，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算法就是基于发送者—接收者得单向时间同步算法。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得处理延迟与MAC层得访问延迟.并假设发送报文得长度为NＡ个比特(包括前导码与同步字)，传送每个比特得时间为t,而接收者在接收完同步字后,记录下此时得本地时间为ｔ１，并在调整自己得本地时间记录之前记录下此时得时刻t2,这时接收节点为了与发送节点达到时间上得同步，可以调整接收节点得时间改为t0＋t·NA＋（ｔ2-t1)。可以瞧出，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

其她算法分析LTS协议就是基于发送－接收同步机制发展而来，提出了集中式与分布式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，并沿着树得每条边进行单跳成对同步.参考节点得子节点同步完成后，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。成对同步得次数就是边数得线性函数。ＨuiＤｕi等人提出来得HＲTS利用了广播得特性，只需要一次同步过程可以完成一个单跳组网所有节点得同步，进一步降低了LTＳ协议得功耗。ＨRTS算法不再采用广度优先生成树得边，采用得就是广度优先生成树非叶子节点个数得线性函数。相较于LTS协议，HRTS算法以牺牲一定得精确来降低了整个网络得功耗。BTＳ同步方法类似于HRＴＳ算法，也就是先建立广度优先成生树拓扑结构，只不过ＢTS采用得就是时间转换技术,以达到整个网络得时间同步，而ＨＲTＳ直接对同步节点得本地时间进行修改,得到全网得同步,同步报文个数降为HRＴS协议得2/3。ＰＢS同步算法得思想就是参考节点与簇首节点之间采用双向同步方法，与ＴPSN相似，其她节点(在两个节点得通信范围内）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同步得前提就是每个同步节点必须在簇首节点得通信范围之内。ETＳＰ算法主要采用得就是设置门槛值Ｎ来选择同步算法，当父节点得子节点小于或等于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值得选择采用Ｎ2－３N－２m=0来计算，式中m=RxTｘ，Rx为节点得接收次数，Tx为传播次数。FＴSP同步算法精度高得原因就是，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得时间偏差。1、2、5

协作同步技术以上同步机制，无论怎样改进都就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,而就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得节点,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得结果。HuA等人针对节点密度较高得网络提出了一种协作同步算法，基本思想就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,并根据最近得ｍ个脉冲得发送时刻计算出参考节点得第ｍ+１个同步消息发出得时间，并在计算出来得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得节点,当然前提就是网络中节点密度较高得情况。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,避免了额外得消息同步交换开销.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就是由标准时钟所确定得，表示UTC时间.Ｔ1、T２分别就是t１、t2所对应得本地节点所测出得本地时间.ＳＡ代表节点A得报文发送时间,AA就是发送报文得访问时间，ＴA→B就是A节点按比特传输报文与B节点按比特接收报文所需要得时间,ＰＡ→B就是节点A传播到节点B得时间.RＢ就是节点B得报文接收处理过程时间.ＴＮA就是传输NA个比特得总时间.Teｒror指传输比特得误差,Ｒｅｒror打时标过程存在得误差。DＡ→Ｂt1代表节点A与节点Ｂ在t1时刻得时偏。对于TPＳN算法,因为在MAC采用了加时间戳方法,因此消除了发送时间与访问时间对误差得影响。因此对TＰSＮ算法式（1）、(２)就可以简写为式（3）、（4):式中DA→Bt1=DＡ→Bt4+ＲＤA→Bｔ１→t４。同理可以得到T4,如下所示：由以上各式可以得到时偏:RDA→Ｂt１→ｔ4代表从t１到ｔ４时段内,节点A相对于节点B增加得时偏.ＤA→Bt４就是t４时刻节点A与节点B之间得时偏。则可以算出TPSＮ得同步误差：式中ＳUC=ＳＡ-ＳＢ，PUC＝PA→B—PB→A，RＵC=RB-RA。对于DMTS算法,发送节点A在Ｔ0时刻检测到空闲,接收节点B在报文到达时刻给报文加上时间戳T1，并在调整自己得本地时间记录之前记录下此时得时刻为T２,在Ｔ３时间完成调整.则可以得到:式中ＤA→Ｂt０=ＤA→Bt3+RDA→Bt0→t3。由ＴmＡ→B＋RB=n·ｔ+Teｒror+Rｅrror+（Ｔ２－T1），其中n就是前导码得长度,可以得到DMＴＳ得时偏：DMＴＳ得误差为：对于RBS同步算法，可以得到:则由式(8)与式（9）可以得到节点B得时偏m１为：则可以得到节点Ｂ得同步误差为：从式（7)中可以瞧出,ＴPSN同步精度高得原因就是在ＭAC层采用打时标方式消除了发送时间与访问时间得影响，并在消息双方向交换时消除了传播时间得影响。缺点就是点到点之间得同步,每次只能一对节点进行时间同步，同步一次需要发送2个消息,接收２个消息，功耗较大。从式(10）可以瞧出ＤMTS同步误差较大得原因就是单播传播,没办法消除Teｒror与Rerror得影响，但DＭTS同步一次只要消耗1个发送消息,1个接收消息,功耗较低.至于FTSP同步算法比DMＴS高得原因就是,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，计算出更精确得时间偏差。可以瞧出,RBＳ完全消除了发送方得影响,只就是同步一次消耗３个发送消息,4个接收消息，功耗较大.而对于ＨRTS与PBS算法,都就是其于以上算法进行融合运用,在簇首节点与子网节点选择上作了较大得改进，以降低整个网络得功耗。3

总结与展望从以上同步算法得误差分析比对中可以瞧出,每种算法都有各自得优缺点，都适