简论无线传感网络时间同步的问题.doc

简论无线传感网络时间同步的问题 引言想要在无线传感网络中很好地保证数据传输的可靠性,非常重要的一点就就是保持节点之间时间上的同步。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、成本受限制的无线传感网络中。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算法;基于发送者-接收者的单向时间同步算法,典型算法如FTSP算法、DMTS算法;基于接收者-接收者的同步算法,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。 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与处理器负载等。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算法采用的就是层次型的网络结构,就是基于发送者-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的级别与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算法就是基于接收者-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