无线传感器网络时间同步方法研究

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1、无线传感器网络时间同步方法研究赵玉叶　梁　叶[收稿日期]2011-5-20（广西大学电气工程学院　　广西南宁　　530004）[摘　要]　时间同步技术是研究无线传感器网络（WSN）许多关键技术实现的基础。文章分析了时间同步方法的重要性和设计时间同步机制关注的性能指标，总结了几个具有代表性的时间同步技术方法，描述了各自的工作原理以及优缺点。[关键词]　无线传感器网络；时间同步；算法[中图分类号]O45　　　　[文献标识码]A　　　　[文章编号]1088-7656（2011）03-0038-041时间同步技术的重要性传感器节点的时钟并不完美，会在时间上发生漂移，所以观察到的时间对于网

2、络中的节点来说是不同的。但很多网络协议的应用，都需要一个共同的时间以使得网路中的节点全部或部分在瞬间是同步的。第一，传感器节点需要彼此之间并行操作和协作去完成复杂的传感任务。如果在收集信息过程中，传感器节点缺乏统一的时间戳（即没有同步），估计将是不准确的。第二，许多节能方案是利用时间同步来实现的。例如，传感器可以在适当的时候休眠（通过关闭传感器和收发器进入节能模式），在需要的时候再唤醒。在应用这种节能模式的时候，节点应该在同等的时间休眠和唤醒，也就是说当数据到来时，节点的接收器可以接收，这个需要传感器节点间精确的定时。2时间同步技术所关注的主要性能参数时间同步技术的根本目的是为网

3、络中节点的本地时钟提供共同的时间戳。对无线传感器网络WSN（WirelessSensorNetworks）[1]的时间同步应主要应考虑以下几个方面的问题：(1)能量效率。同步的时间越长，消耗的能量越多，效率就越低。设计WSN的时间同步算法需以考虑传感器节点有效的能量资源为前提。(2)可扩展性和健壮性。时间同步机制应该支持网络中节点的数目或者密度的有效扩展，并保障一旦有节点失效时，余下网络有效且功能健全。(3)精确度。针对不同的应用和目的，精确度的需求有所不用。(4)同步期限。节点需要保持时间同步的时间长度可以是瞬时的，也可以和网络的寿命一样长。(5)有效同步范围。可以给网络内所有

4、节点提供时间，也可以给局部区域的节点提供时间。(6)成本和尺寸。同步可能需要特定的硬件，另外，体积的大小也影响同步机制的实现。(7)最大误差。一组传感器节点之间的最大时间差，或相对外部标准时间的最大差。3现有主要时间同步方法研究时间同步技术是研究WSN的重要问题，许多具体应用都需要传感器节点本地时钟的同步，要求各种程度的同步精度。WSN具有自组织性、多跳性、动态拓扑性和资源受限性，尤其是节点的能量资源、计算能力、通信带宽、存储容量有限等特点，使时间同步方案有其特殊的需求，也使得传统的时间同步算法不适合于这些网络[2]。因此越来越多的研究集中在设计适合WSN的时间同步算法[3]。针

5、对WSN，目前已经从不同角度提出了许多新的时间同步算法[4]。3.1成对(pair-wise)同步的双向同步模式代表算法是传感器网络时间同步协议TPSN（Timing-SyncProtocolforSensorNetworks）[5~6]。目的是提供WSN整个网络范围内节点间的时间同步。该算法分两步：分级和同步。第一步的目的是建立分级的拓扑网络，每个节点有个级别。只有一个节点与外界通信获取外界时间，将其定为零级，叫做根节点，作为整个网络系统的时间源。在第二步，每个i级节点与i-1（上一级）级节点同步，最终所有的节点都与根节点同步，从而达到整个网络的时间同步。详细的时间同步过程如图

6、1所示。图1TPSN同步过程设R为上层节点，S为下层节点，传播时间为d，两节点的时间偏差为θ。同步过程由节点R广播开始同步信息，节点S接收到信息以后，就开始准备时间同步过程。在T1时刻，节点S发送同步信息包，包含信息(T1)，节点R在T2接收到同步信息，并记录下接收时间T2，这里满足关系：节点R在T3时刻发送回复信息包，包含信息(T1,T2,T3)。在T4时刻S接收到同步信息包，满足关系：最后，节点S利用上述2个时间表达式可计算出的值：TPSN由于采用了在MAC层给同步包标记时间戳的方式，降低了发送端的不确定性，消除了访问时间带来的时间同步误差，使得同步效果更加有效。并且，TPS

7、N算法对任意节点的同步误差取决于它距离根节点的跳数，而与网络中节点总数无关，使TPSN同步精度不会随节点数目增加而降级，从而使TPSN具有较好的扩展性。TPSN算法的缺点是一旦根节点失效，就要重新选择根节点，并重新进行分级和同步阶段的处理，增加了计算和能量开销，并随着跳数的增加，同步误差呈线性增长，准确性较低。另外，TPSN算法没有对时钟的频差进行估计，这使得它需要频繁同步，完成一次同步能量消耗较大。3.2接收方-接收方（Receiver-Receiver）模式代表算法是参考广播