无线传感器网络时间同步

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1、第6卷第4期信息技术快报Vol.6No.4InformationTechnologyLetterJul.2008无线传感器网络时间同步概述安竹林朱冠男徐勇军摘要：时间同步服务是无线传感器网络要解决的一项关键问题。本文对时间同步技术进行了介绍，分析了无线传感器网络时间同步所具有的特点。文章还介绍了几种典型的用于无线传感网络的时间同步协议并对其优缺点做了简单比较。最后，本文对时间同步目前的研究现状进行了总结，并对今后的发展进行了展望。关键词：无线传感器网络；时间同步1时间同步问题简述时间同步是所有分布式系统都要解决的一个重要问题。在集中式系统中，由于任何进程或模块都可以从系统唯一的全局

2、时钟中获取时间，因此系统内任何两个事件都有着明确的先后关系。而在分布式系统中，由于物理上的分散性，系统无法为彼此间相互独立的模块提供一个统一的全局时钟，必须由各个进程或模块各自维护它们的本地时钟。由于这些本地时钟的计时速率、运行环境存在不一致性，因此即使所有的本地时钟在某一时刻都被校准，一段时间后，这些本地时钟间也会出现失步。为了让这些本地时钟再次达到相同的时间值，必须进行时间同步操作。时间同步就是通过对本地时钟的某些操作，达到为分布式系统提供一个统一时间标度的过程。无线传感器网络是联系物理世界和计算机系统的桥梁，对物理世界的观测必须建立在统一的时间标度上，因此相对于通常的分布式系

3、统，无线传感器网络对时间同步的需求尤为重要，可以说时间同步是无线传感器网络的一项支撑技术。2无线传感器网络时间同步问题特点时间同步是所有分布式系统都需要解决的问题，因此对其研究已经较为深入，有许多成12熟的方法被成功地应用于解决这一问题，有代表性的解决方法有NTP和GPS。[1]NTP协议是目前互联网上时间同步协议的标准，用于把互联网上计算机的时间同步于3世界标准时间（UTC）。NTP采用层状结构的同步拓扑，每一层均有若干时间服务器，如顶层时间服务器，第二层时间服务器等，其他均为客户机。顶层时间服务器通过广播、卫星等方式与世界标准时间同步；其他层的时间服务器可选择若干个上一层时间服

4、务器及本层时间服务器作为同步源来实现与世界标准时间的间接同步；客户机则可通过指定一个或多个上一层时间服务器来实现与世界标准时间的同步。可以看出：NTP协议的可靠性依赖于时间服务器的冗余性和时间获取路径的多样性。GPS是由美国国防部为满足军事部门对海陆空设施进行高精度导航和定位的需要而建立的。它由三部分构成，分别为空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。空间部分是由若干颗GPS工作卫星所组成的，每颗卫星装置有精密的铷、铯原子钟，并由监控站经常进行校准，达到和世界标准时间的同步。每颗卫星不断发射包含其位置和精确到十亿分之一1Networktimeprotocol，网络时间协议2Glo

5、balPositioningSystem，全球定位系统3CoordinatedUniversalTime，又称协调世界时12无线传感器网络时间同步概述秒的时间的数字无线电信号用于接收设备的时间校准。GPS接收装置接收到来自于四颗或四颗以上卫星的信号，根据伪距测量定位方法不仅可以计算出其在地球上的位置，而且也可计算出GPS接收机时间与世界标准时间之偏差，并进行时间校准，达到与世界标准时间的同步。这种方法的同步精度可达100纳秒。NTP和GPS尽管在技术上已经很成熟，但是却无法直接应用于无线传感器网络的时间同步，这是由于无线传感器网络具有其自身的特点，必须考虑以下因素：(1).传输延迟

6、的不确定性报文传输延迟的不确定性是无线传感器网络时间同步的主要挑战之一。一方面传输延迟比要求的时间同步允许的误差大得多，另一方面它极易受到处理器负载、网络负载等因素的45影响。通常，报文的传输延迟可分为：发送前处理时间（Sendtime）、排队时间（Accesstime）、678发送时间（Transmissiontime）、传播时间（Propagationtime）、接收时间（Receptiontime）、9收到后处理时间（Receivedtime）。传输延迟的不确定性严重影响了同步精度，因此需要对传输延迟仔细地测量、分析和补偿才能设计出高精度的时间同步协议。(2).对低功耗、低成

7、本与小体积的要求低功耗、低成本与小体积的要求对无线传感器网络软硬件设计的各个方面均提出挑战。无线传感器网络强调低功耗，在设计时间同步软硬件时必须遵循该原则。例如：对用于时间同步的硬件来说，类似于GPS接收机这样的高耗能、高成本设备是不合适的。对时间同步软件来说，虽然提高同步操作的频率能够提高同步精度，但必然引起同步功耗的增加，因此完全依靠提高同步操作频率来提高同步精度的方法也是不合适的。低成本和小体积更是加剧了电能供应的紧张趋势。(3).对可扩展性的要求无线传感器网络