无线传感器网络原理及应用第6章时间同步技术

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1、第6章时间同步技术6.1无线传感器网络的时间同步机制6.2现有时间同步技术分析6.3时间同步算法设计6.4小结6.1无线传感器网络的时间同步机制6.1.1影响无线传感器网络时间同步的关键因素准确地估计消息包的传输延迟，通过偏移补偿或漂移补偿的方法对时钟进行修正，是无线传感器网络中实现时间同步的关键。目前绝大多数的时间同步算法都是对时钟偏移进行补偿，由于对漂移进行补偿的精度相对较高且比较难实现，所以对漂移进行补偿的算法相对少一些。　　在无线传感器网络中，为了完成节点间的时间同步，消息包的传输是必须

2、的。为了更好地分析包传输中的误差，可将消息包收发的时延分为以下六个部分。(1)发送时间(SendTime)：发送节点构造一条消息和发布发送请求到MAC层所需的时间，包括内核协议处理、上下文切换时间、中断处理时间和缓冲时间等，它取决于系统调用开销和处理器当前负载，可能高达几百毫秒。(2)访问时间(AccessTime)：消息等待传输信道空闲所需的时间，即从等待信道空闲到消息发送开始时的延迟，它是消息传递中最不确定的部分，与低层MAC协议和网络当前的负载状况密切相关。在基于竞争的MAC协议如以太网中，

3、发送节点必须等到信道空闲时才能传输数据，如果发送过程中产生冲突需要重传。无线局域网IEEE802.11协议的RTS/CTS机制要求发送节点在数据传输之前先交换控制信息，获得对无线传输信道的使用权；TDMA协议要求发送节点必须得到分配给它的时间槽时才能发送数据。(3)传输时间(TransmissionTime)：发送节点在无线链路的物理层按位(bit)发射消息所需的时间，该时间比较确定，取决于消息包的大小和无线发射速率。(4)传播时间(PropagationTime)：消息在发送节点到接收节点的传输

4、介质中的传播时间，该时间仅取决于节点间的距离，与其他时延相比这个时延是可以忽略的。(5)接收时间(ReceptionTime)：接收节点按位(bit)接收信息并传递给MAC层的时间，这个时间和传输时间相对应。(6)接收处理时间(ReceiveTime)：接收节点重新组装信息并传递至上层应用所需的时间，包括系统调用、上下文切换等时间，与发送时间类似。6.1.2无线传感器网络时间同步机制的基本原理无线传感器网络中节点的本地时钟依靠对自身晶振中断计数实现，晶振的频率误差和初始计时时刻不同，使得节点之间的

5、本地时钟不同步。若能估算出本地时钟与物理时钟的关系或者本地时钟之间的关系，就可以构造对应的逻辑时钟以达成同步。节点时钟通常用晶体振荡器脉冲来度量，所以任意一节点在物理时刻的本地时钟读数可表示为(6-1)其中，　　是节点i晶振的实际频率，f0为节点晶振的标准频率，t0代表开始计时的物理时刻，　　　代表节点i在t0时刻的时钟读数，t是真实时间变量。　　　是构造的本地时钟，　　　　间隔被用来作为度量时间的依据。由于节点晶振频率短时间内相对稳定，因此节点时钟又可表示为(6-2)对于理想的时钟，有　　　　　

6、　，也就是说，理想时钟的变化速率为1，但工程实践中，因为温度、压力、电源电压等外界环境的变化往往会导致晶振频率产生波动，因此，构造理想时钟比较困难，但一般情况下，晶振频率的波动幅度并非任意的，而是局限在一定的范围之内：(6-3)其中，为绝对频差上界，由制造厂家标定，一般多在1ppm～100ppm之间，即一秒钟内会偏移1μs～100μs。在无线传感器网络中主要有以下三个原因导致传感器节点间时间的差异：(1)节点开始计时的初始时间不同；(2)每个节点的石英晶体可能以不同的频率跳动，引起时钟值的逐渐偏离

7、，这个误差称为偏差误差；(3)随着时间地推移，时钟老化或随着周围环境如温度的变化而导致时钟频率发生的变化，这个误差称为漂移误差。对任何两个时钟A和B，分别用CA(t)和CB(t)来表示它们在t时刻的时间值，那么，偏移可表示为CA(t) -CB(t)，偏差可表示为　　　　　　　，漂移(drift)或频率(frequency)可表示为　　　　　　　　。　　假定c(t)是一个理想的时钟。如果在t时刻，有　　　则称时钟在t时刻是准确的；如果　　　　　　，则称时钟在时刻是精确的；而如果　　　　　，则称时

8、钟在时刻与时钟　　　是同步的。上面的定义表明：两个同步的时钟不一定是准确或精确的，时间同步与时间的准确性和精度没有必然的联系，只有实现了与理想时钟(即真实的物理时间)的完全同步之后，三者才是统一的。对于大多数的传感器网络应用而言，只需要实现网络内部节点间的时间同步，这就意味着节点上实现同步的时钟可以是不精确甚至是不准确的。本地时钟通常由一个计数器组成，用来记录晶体振荡器产生脉冲的个数。在本地时钟的基础上，可以构造出逻辑时钟，目的是通过对本地时钟进行一定的换算以达成同步。节点的逻辑时