無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間同步技術(shù)的研究

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間同步技術(shù)的研究摘要：本文首先介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中時(shí)間同步技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)和根本理論，然后分析和比擬了現(xiàn)有的幾種典型算法。在此根底上，說明了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步協(xié)議不適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的原因和現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步算法的缺乏之處。關(guān)鍵字：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；時(shí)間同步；多跳；誤差分析一.研究目的及意義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種基于信息監(jiān)測(cè)與獲取的分布式無線網(wǎng)絡(luò)體系，是一門新興的前沿技術(shù)。及時(shí)的開展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及其關(guān)鍵技術(shù)的研究，將極大推動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化研究，為中國(guó)提供具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高科技產(chǎn)品。對(duì)我國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的開展具有重大的戰(zhàn)略意義，也將對(duì)人類未來生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。時(shí)間同步是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要支撐技術(shù)之一，基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，如：目標(biāo)追蹤、協(xié)同休眠、定位、協(xié)同數(shù)據(jù)采集、時(shí)分多址、數(shù)據(jù)整合等都需要網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘保持同步。在目標(biāo)追蹤應(yīng)用中，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)可能只觀測(cè)到目標(biāo)返回的信號(hào)強(qiáng)度，并不能得到目標(biāo)的位置、速度和前進(jìn)方向等信息，需要多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)將傳感到的數(shù)據(jù)發(fā)送給傳感器網(wǎng)絡(luò)中的會(huì)聚節(jié)點(diǎn)，會(huì)聚節(jié)點(diǎn)在對(duì)不同傳感器發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后才能獲得目標(biāo)的移動(dòng)方向、速度等信息，這就要求相關(guān)的傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)在時(shí)間上是相關(guān)的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的多數(shù)節(jié)點(diǎn)是無人職守的，僅攜帶有少量有限的能量，為了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的使用期限，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)大局部時(shí)間都處于定時(shí)休眠狀態(tài)，為了能協(xié)同完成工作任務(wù)，節(jié)點(diǎn)必須進(jìn)行協(xié)同休眠，這也要求節(jié)點(diǎn)具有準(zhǔn)確的時(shí)間同步。波束成型陣列在確定聲源的位置時(shí)，需要計(jì)算多個(gè)傳感器接收到的信號(hào)的相位差，這要深圳市接收到的數(shù)據(jù)是同步的。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，為了減少網(wǎng)絡(luò)的通信量以降低能耗，往往將傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的融合處理，進(jìn)行這些處理的前提是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)具有相同的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的能量、體積、價(jià)格、技術(shù)等方面的約束，研究滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步精度的時(shí)間同步機(jī)制，具有很重要的理論和實(shí)踐價(jià)值。二.時(shí)間同步技術(shù)研究現(xiàn)狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步這一研究課題是2002年由J.Elson和KayRomer在國(guó)際權(quán)威的學(xué)術(shù)會(huì)議HotNets上首次提出的。到目前為止，已經(jīng)提出了近10余種不同的實(shí)現(xiàn)算法，典型的有RBS、DMTS、FTSP、TPSN、TS/MS、LTS等?？v觀這幾種算法可以將其分為以下三類：基于接收者-接收者的時(shí)間同步算法，基于成對(duì)同步的雙向時(shí)間同步算法，基于發(fā)送者-接收者的單向時(shí)間同步算法。這三種機(jī)制都有其典型的代表算法，比方RBS、TPSN和DMTS等三種算法就分別對(duì)應(yīng)上述的三類機(jī)制。它們給出了WSN中節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步問題的不同的解決方案，可以滿足不同的應(yīng)用，同時(shí)在根底設(shè)施、能量需求和時(shí)空復(fù)雜度方面也均有不同。2002年9月由J.Elson等人提出的參考播送RBS同步協(xié)議，是第一種非常系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的方法。RBS算法是通過同步接收節(jié)點(diǎn)而實(shí)現(xiàn)同步的方法，它減小了發(fā)送者的不確定性，縮短了關(guān)鍵路徑，在多跳的環(huán)境中要保證各個(gè)簇之間擁有公共的節(jié)點(diǎn)，誤差隨著跳數(shù)的增加而逐漸增大。RBS的時(shí)間復(fù)雜度為(N')，這無疑增大了網(wǎng)絡(luò)的能量開銷，它僅僅適用于單跳范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)間的同步，其可擴(kuò)展性較差。2003年6月，PingS等學(xué)者提出了DMTS—延遲測(cè)量時(shí)間同步機(jī)制，它主要考慮了分組消息往返時(shí)間的不同，首先選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為時(shí)間基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)，發(fā)送一個(gè)包含自身時(shí)鐘當(dāng)前讀數(shù)的同步分組，其他節(jié)點(diǎn)接收到該分組后，測(cè)量時(shí)間延遲并調(diào)整自身的時(shí)間為分組攜帶的時(shí)間信息加上測(cè)量的時(shí)間延遲，從而實(shí)現(xiàn)和時(shí)間基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)間的同步。此方法的同步精度是由時(shí)間延遲的測(cè)量精度決定的，其特點(diǎn)是精度低，開銷小。TPSN協(xié)議]是由SaurabhGaneriwal等人于2003年11月提出的。它通過將所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行邏輯分級(jí)建立了一種層次結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了全網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步。在TPSN中，考慮了傳播時(shí)間和接收時(shí)間的影響，利用雙向分組交換機(jī)制計(jì)算分組的傳輸延遲，提高了精度。但此算法沒有考慮根節(jié)點(diǎn)失效的問題，導(dǎo)致了其魯棒性較差。由Greunen和Rabaey提出的LTS(LightweightTree-BasedSynchronization)算法主要是以減小同步的復(fù)雜度為主要目的，未過多考慮其精度，該算法是在成對(duì)雙向同步的根底上進(jìn)行線性擴(kuò)展得到的，適用于全局網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步。除了上述的幾種算法外，還有許多非常優(yōu)秀的時(shí)間同步協(xié)議，比方:MarotiM等學(xué)者提出的FTSP(FloodingTimeSynchronizationProtocol)協(xié)議；在多跳的網(wǎng)絡(luò)中，Strogatz和Mirollo提出的利用耦合振蕩器的同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無狀態(tài)自然同步的方法也倍受關(guān)注，這是一種高效的、可無限擴(kuò)展的時(shí)間同步新技術(shù)；由清華大學(xué)提出的ATS協(xié)議對(duì)存儲(chǔ)能力的要求較高，不適用于大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；由浙江大學(xué)提出的基于反應(yīng)的時(shí)間同步協(xié)議，考慮了時(shí)鐘的內(nèi)部擾動(dòng)和外部干擾，其魯棒性比DMTS高，且到達(dá)了和FTSP一樣的精度，但其不適用于動(dòng)態(tài)拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)。目前，針對(duì)單跳同步的研究已經(jīng)趨于成熟，精度可到達(dá)微秒級(jí)，而對(duì)于多跳同步的研究相對(duì)較為薄弱，通常采取的方法是：網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)首先通過通信連接關(guān)系建立一定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后按照協(xié)議的約定，未同步節(jié)點(diǎn)和已同步節(jié)點(diǎn)交換同步分組，從而間接地實(shí)現(xiàn)與時(shí)間基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)間的同步。這樣的同步機(jī)制會(huì)使得同步誤差累積加劇，而且還面臨可擴(kuò)展性問題的挑戰(zhàn)。此外，時(shí)間同步技術(shù)也應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性。因此，作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)極為重要的研究方向，時(shí)間同步技術(shù)有著廣闊的空間需要我們?nèi)ヌ剿?。?典型的時(shí)間同步機(jī)制目前已經(jīng)提出眾多同步算法，較為經(jīng)典的同步算法可以歸結(jié)為以下三類：基于接收者-接收者(Receiver-Receiver)機(jī)制的時(shí)間同步算法，基于成對(duì)(Pair-Wise)同步機(jī)制的雙向時(shí)間同步算法，基于發(fā)送者-接收者(sender-receiver)的單向時(shí)間同步機(jī)制。下面分別以實(shí)例來說明這三種同步機(jī)制的原理。3.1基于接收者-接收者機(jī)制的時(shí)間同步算法圖1是Sender-Receiver和Receiver-Receiver同步機(jī)制原理的示意圖，從圖中容易看出，Receiver-Receiver同步機(jī)制的關(guān)鍵路徑大大縮短，完全排除了SendTime和AccessTime對(duì)同步精度的影響，其典型的代表算法主要是參考播送同步RBS(ReferenceBroadcastSynchronization)算法，它是由J.Elson等人提出的，其主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)接受節(jié)點(diǎn)間的同步。RBS算法充分利用了無線鏈路層播送信道的特點(diǎn)，由一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送播送分組消息，在同一廠播域的其它節(jié)點(diǎn)將同時(shí)接收播送的分組消息，并用各自的本地時(shí)鐘記錄收到播送分組消息的時(shí)一間，之后接收節(jié)點(diǎn)將各自的記錄時(shí)間相互交換，通過比擬和計(jì)算時(shí)鐘的偏移而到達(dá)時(shí)間同步。任意兩節(jié)點(diǎn)i和j之間的時(shí)鐘偏移可以通過下公式得到:其中，n表示接收節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，m表示播送的次數(shù)，Tr,b表示當(dāng)收到播送b時(shí)接收節(jié)點(diǎn)r的時(shí)鐘。通過上述方式，接收節(jié)點(diǎn)容易獲得彼此之間的時(shí)鐘偏移量(offset)，然后利用上述公式形成的偏移量矩陣計(jì)算其相對(duì)其它所有節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘偏移量的平均值，并根據(jù)這個(gè)平均值相應(yīng)地調(diào)整各節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘，當(dāng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)都獲得其他任何節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘偏移量的平均值后，接收到同一播送分組消息接收節(jié)點(diǎn)便獲得了一個(gè)相對(duì)網(wǎng)絡(luò)一致的時(shí)間。圖1Sender-Receive圖1Sender-Receive同步機(jī)制和Receiver-Receiver同步機(jī)制由于RBS算法只同步接收者，從而防止了發(fā)送方對(duì)同步精度的影響，提高了時(shí)間同步的精度。在多跳網(wǎng)絡(luò)中，RBS通過有效分簇劃分播送域并選取公共節(jié)點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)多個(gè)播送域間的同步。下面以圖2中a)的節(jié)點(diǎn)9和節(jié)點(diǎn)1為例說明RBS在多跳網(wǎng)絡(luò)中的同步原理。易知，節(jié)點(diǎn)9和4位于參考節(jié)點(diǎn)C的單跳區(qū)域內(nèi)，根據(jù)單跳RBS協(xié)議，它們之間的本地時(shí)鐘可以相互轉(zhuǎn)換。同理，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)4位于參考節(jié)點(diǎn)A的單跳區(qū)域內(nèi)，它們之間的本地時(shí)鐘也可以轉(zhuǎn)換。從而，將節(jié)點(diǎn)4作為媒介，那么可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)9的本地時(shí)間與節(jié)點(diǎn)1的本地時(shí)間之間的轉(zhuǎn)換。圖2圖2多跳RBS原理圖在規(guī)模較大的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，完全靜態(tài)地指定媒介節(jié)點(diǎn)是不太現(xiàn)實(shí)的，而且也和因通信故障或節(jié)點(diǎn)失效等影響而造成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓幌噙m應(yīng)。故而，在尋找連接目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和同步源節(jié)點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)換路徑時(shí)，RBS采取了“時(shí)間路由”的方法。圖26中，與a)相對(duì)應(yīng)的邏輯拓?fù)鋱D如b)所示。在邏輯拓?fù)鋱D中，每個(gè)單跳范圍內(nèi)可直接進(jìn)行時(shí)間轉(zhuǎn)換的節(jié)點(diǎn)對(duì)必有一條對(duì)應(yīng)邊，由此可知每個(gè)單跳區(qū)域的邏輯拓?fù)鋱D必是一個(gè)完全圖。在此完全圖中，可以選擇一條連接目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和同步源節(jié)點(diǎn)的最短路徑，接下來即可按照該路徑逐跳進(jìn)行時(shí)間轉(zhuǎn)換。此最短路徑確實(shí)定可以采用鏈路狀態(tài)法、Dijkstra等算法。RBS協(xié)議一次同步涉及3方節(jié)點(diǎn)，頻繁的再同步必將給網(wǎng)絡(luò)帶來較大的通信和能量開銷，不適合有限能量供給的應(yīng)用場(chǎng)合。針對(duì)該問題，JElson提出了“后同步”的思想，即當(dāng)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到事件發(fā)生后才用自身的本地時(shí)鐘記錄發(fā)生時(shí)間，然后運(yùn)行RBS協(xié)議，使得監(jiān)測(cè)事件的發(fā)生保持時(shí)間同步。3.2基于成對(duì)同步機(jī)制的雙向時(shí)間同步算法雙向同步機(jī)制的原理是：發(fā)送方發(fā)出同步請(qǐng)求分組，接收方返回應(yīng)答分組，發(fā)送方根據(jù)分組中的時(shí)間標(biāo)記估算同步參量并校準(zhǔn)本地時(shí)鐘或構(gòu)造邏輯時(shí)鐘，完成兩節(jié)點(diǎn)的同步?！?〕TPSN算法加州大學(xué)網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的S.Ganeriwal等提出的傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議TPSN(Timing-SyncProtocolforSensorNetworks)屬于典型的雙向同步機(jī)制，它可以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)范圍內(nèi)的時(shí)鐘同步，在網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)可以裝配如GPS接收機(jī)的復(fù)雜硬件部件的根節(jié)點(diǎn)，將它作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的時(shí)鐘源。協(xié)議實(shí)現(xiàn)分為兩個(gè)階段:層次發(fā)現(xiàn)階段(leveldiscoveryphase)和同步階段(synchronizationphase)。同步階段中的單跳同步采用比對(duì)同步的遠(yuǎn)程時(shí)鐘讀取方法，如圖3所示，同步原理類似NTP的雙向同步模式：待同步節(jié)點(diǎn)B在本地時(shí)刻或發(fā)送同步請(qǐng)求分組，節(jié)點(diǎn)A在本地時(shí)刻T2收到該分組，并在本地時(shí)刻T3回應(yīng)答分組，節(jié)點(diǎn)B在本地時(shí)刻T4收到應(yīng)答分組，dA表示分組從節(jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)B的傳輸延遲，dB表示分組從節(jié)點(diǎn)B到節(jié)點(diǎn)A的傳輸延遲。利用這4個(gè)時(shí)間標(biāo)記，節(jié)點(diǎn)B便可估算出相對(duì)偏移：從而B節(jié)點(diǎn)根據(jù)計(jì)算得到的時(shí)間偏移修正本地時(shí)鐘與節(jié)點(diǎn)A實(shí)現(xiàn)同步。而多跳同步通過層次發(fā)現(xiàn)階段形成的生成樹結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)的逐級(jí)同步，最終使網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)同步到根節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步。TPSN對(duì)任意節(jié)點(diǎn)其同步誤差取決于它距離根節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)，而與網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)總數(shù)無關(guān)，使TPSN同步精度不會(huì)隨節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加而降級(jí)，從而使TPSN具有較好的擴(kuò)展性。TPSN算法的缺點(diǎn)是健壯性差，其根節(jié)點(diǎn)一旦失效，就要重新選擇根節(jié)點(diǎn)，重復(fù)全網(wǎng)同步的兩個(gè)階段，增加了能耗和網(wǎng)絡(luò)開銷。圖3圖3TPSN單跳網(wǎng)絡(luò)雙向分組交換過程〔2〕LTS算法加州大學(xué)伯克利分校JanavanGreunen等提出了通過犧牲一定精度來減少能量開銷的時(shí)間同步算法LTS(LightweightTree-basedSynchronization)。LTS算法主要應(yīng)用于全局的時(shí)鐘同步，它是通過將成對(duì)同步進(jìn)行簡(jiǎn)單的線性擴(kuò)展而得到的一種新的算法，應(yīng)用該算法的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫怯伤泄?jié)點(diǎn)形成的一個(gè)低深度的生成樹T，之后沿著樹T的邊實(shí)施成對(duì)同步機(jī)制即可。同步過程的初始化是由參考節(jié)點(diǎn)和所有它的直接的子節(jié)點(diǎn)執(zhí)行成對(duì)同步實(shí)現(xiàn)的;參考節(jié)點(diǎn)的直接子節(jié)點(diǎn)又和它們自身的子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行雙向成對(duì)同步。整個(gè)同步過程持續(xù)到將T的葉子節(jié)點(diǎn)都被同步后為止，算法的運(yùn)行時(shí)間是與樹的深度成比例的。在LTS算法中，其雙向成對(duì)同步是只沿著生成樹的邊進(jìn)行的，所以容易得到其雙向成對(duì)同步的次數(shù)和生成樹T的邊數(shù)是一種線性關(guān)系，而直接將雙向成對(duì)同步擴(kuò)展應(yīng)用到多跳環(huán)境，需要同步的次數(shù)將高達(dá)擴(kuò)次。相比之下，LTS算法很大程度上減少了同步次數(shù)，極大地減少了成對(duì)同步的網(wǎng)絡(luò)開銷，但其同步精度也在一定程度上打了折扣?！?〕ATS及Adaptive-ATS協(xié)議ATS協(xié)議(averagetimeSynchronization)是國(guó)內(nèi)較新的關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的研究成果，它由清華大學(xué)的幾位學(xué)者提出，其主要思想是：對(duì)于給定的某個(gè)簇，假設(shè)其簇內(nèi)成員之間能相互通信，簇內(nèi)各個(gè)成員節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間由簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集，然后計(jì)算所有簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間的平均值，將次平均值作為全局時(shí)間播送至各成員節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)和各成員節(jié)點(diǎn)依據(jù)此全局時(shí)間調(diào)整本地付鐘即可實(shí)現(xiàn)同步。Adaptive-ATS協(xié)議的主要思想:在ATS的根底上，提高了協(xié)議的可擴(kuò)展性和適應(yīng)性。簇頭節(jié)點(diǎn)維護(hù)一張叫PEtable的表，此表記錄了一些較為常用的同步周期和對(duì)應(yīng)的誤差上限，具體的實(shí)際應(yīng)用時(shí)，用戶可以依據(jù)要求的誤差，查表得到最正確的同步周期，進(jìn)而進(jìn)行調(diào)整，完成同步。但是在具體的實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)要求的誤差不一定都能夠通過查表就能得到，此時(shí)可選取滿足誤差要求的最長(zhǎng)周期，以便節(jié)省能量。該算法提高了同步精度，全局時(shí)間的連續(xù)性不會(huì)因?yàn)榇仡^節(jié)點(diǎn)的輪換而被打斷，并且降低了能耗，其可擴(kuò)展性和適應(yīng)性明顯得到了提高，但對(duì)存儲(chǔ)能力的要求高一些，而且不適用于范圍的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。3.3基于發(fā)送者-接收者的單向時(shí)間同步機(jī)制Sender-Receiver單向同步機(jī)制的根本原理如下所述：首先由發(fā)送節(jié)點(diǎn)(sender)發(fā)送一個(gè)包含自身本地時(shí)間戳的時(shí)間同步分組，接收節(jié)點(diǎn)(receiver)接收到此分組后，用其本地時(shí)鐘記錄接收時(shí)間并提取出同步分組中的時(shí)間戳，然后調(diào)整自身的本地時(shí)鐘與發(fā)送節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘到達(dá)一致，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘間的同步。目前基于此機(jī)制的時(shí)間同步算法主要有以下兩種：〔1〕DMTS算法DMTS算法的實(shí)現(xiàn)策略是為了降低計(jì)算的復(fù)雜度和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的能耗，犧牲了局部的時(shí)間同步精度。其思想是：由接收分組的節(jié)點(diǎn)精確地測(cè)量分組從發(fā)送節(jié)點(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)的單向的時(shí)間延遲，并結(jié)合發(fā)送節(jié)點(diǎn)中的時(shí)間戳計(jì)算出時(shí)間的調(diào)整值。DMTS為了盡可能準(zhǔn)確地測(cè)量出發(fā)送方到接收方的單向時(shí)間延遲，采取了下述措施：發(fā)送方在監(jiān)測(cè)到信道空閑時(shí)才在即將發(fā)送的時(shí)間包上標(biāo)記時(shí)間戳并馬上發(fā)送，從而消除了SendTime和AccessTime對(duì)同步精度產(chǎn)生的影響；接收方在MAC層給時(shí)間同步包標(biāo)記一個(gè)到達(dá)的時(shí)間戳，并在接收處理完畢時(shí)再標(biāo)一記一個(gè)時(shí)間戳，通過計(jì)算這兩個(gè)時(shí)間戳的差值來估計(jì)接收處理的時(shí)間延遲；DTMS通過發(fā)射數(shù)據(jù)的位數(shù)(bits)和數(shù)據(jù)的發(fā)射速率對(duì)發(fā)射延遲進(jìn)行了估計(jì)，發(fā)射延遲包括起始符的時(shí)間、發(fā)射前導(dǎo)碼以及發(fā)射數(shù)據(jù)的時(shí)間。圖4DMTS圖4DMTS算法原理示意圖如圖4所示，接收節(jié)點(diǎn)與發(fā)送節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間延遲td可通過下式得出，其中te為發(fā)射前導(dǎo)碼(Preamble)和起始符(Startsymbols)所需時(shí)間，te=nv，其中n為發(fā)射的位數(shù)((bits)，v為發(fā)射一位所需要的時(shí)間。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)在MAC層監(jiān)測(cè)到信道空閑時(shí)在同步包上標(biāo)記時(shí)間戳t并發(fā)送，接收節(jié)點(diǎn)在接收到此時(shí)間同步包后通過規(guī)劃方調(diào)整自身的本地時(shí)鐘tr，從而實(shí)現(xiàn)兩者的同步。也可以將DMTS算法擴(kuò)展到多跳(Mufti-hop)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，多跳DMTS算法采用分層同步的方式:首先選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為根節(jié)點(diǎn)，并賦予其時(shí)間源層次0，它能直接收到leader的時(shí)間同步消息，賦予其時(shí)間源層次為1，以此類推，賦予能直接收到n-1層節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步消息的節(jié)點(diǎn)的層次為n。leader周期性地播送時(shí)間同步消息，時(shí)間源層次為1的節(jié)點(diǎn)在收到同步消息后，調(diào)整自己的本地時(shí)鐘使之與根節(jié)點(diǎn)同步。類似地，層次為n的節(jié)點(diǎn)與層次為n-1的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的時(shí)間同步，最終所有的節(jié)點(diǎn)都將與根節(jié)點(diǎn)同步，從而實(shí)現(xiàn)了WSN的全局時(shí)間同步?！?〕FTSP協(xié)議FTSP(FloodingTimeSynchronizationProtocol)算法由Vanderbilt大學(xué)BranislavKusy等提出。FTSP算法同步的方式也是通過單個(gè)播送消息來同步發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘，但是算法的具體實(shí)現(xiàn)與DMTS算法具有明顯的不同，F(xiàn)TSP算法的實(shí)現(xiàn)步驟包括以下三步：節(jié)點(diǎn)在發(fā)送完SYNC字節(jié)后在時(shí)間同步消息包上標(biāo)記時(shí)間戳t并發(fā)送出去；SNC字節(jié)與DMTS算法中的Startsymbols相類似；時(shí)間戳t為當(dāng)前的本地時(shí)間減去發(fā)射時(shí)間戳t的消息數(shù)據(jù)局部的時(shí)間，發(fā)送消息數(shù)據(jù)局部的時(shí)間可通過數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度和發(fā)射速率計(jì)算得到；接收節(jié)點(diǎn)記錄SYNC字節(jié)的最后到達(dá)時(shí)間t，并計(jì)算位偏移(bitoffset)。在收到完整的數(shù)據(jù)消息后，接收節(jié)點(diǎn)通過偏移位數(shù)與接收速率計(jì)算出位偏移產(chǎn)生的時(shí)間延遲tb；接收節(jié)點(diǎn)通過offset=tr-tb-t計(jì)算與發(fā)送節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘偏移量；然后調(diào)整本地時(shí)鐘和發(fā)送節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘一致，繼而實(shí)現(xiàn)同步。FTSP算法通過線性回歸分析對(duì)時(shí)鐘漂移((clockdrifts)進(jìn)行了補(bǔ)償。在特定的時(shí)間范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘的晶振頻率可以認(rèn)為是穩(wěn)定的，基于此，F(xiàn)TSP算法認(rèn)定節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘偏移量(offset)與時(shí)間是線性關(guān)系;發(fā)送節(jié)點(diǎn)周期性的播送時(shí)間同步消息，接收節(jié)點(diǎn)將獲得多個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)(time，offset)，進(jìn)而通過線性回歸方法構(gòu)造最正確的擬合直線L(time)。利用回歸直線L(time)，在誤差允許的時(shí)間間隔內(nèi)，節(jié)點(diǎn)可直接計(jì)算出某一時(shí)刻節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘偏移量而不必通過發(fā)送時(shí)間同步消息來進(jìn)行計(jì)算，從而減少了消息的發(fā)送次數(shù)，降低了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的能量開銷。四.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步算法分析和比擬以上介紹的幾種時(shí)間同步算法是目前較為典型的時(shí)間同步算法，它們根據(jù)自身的特點(diǎn)都適用于不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并分別對(duì)它們各自的性能進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析和比擬。分析結(jié)果如表1所示。表1典型時(shí)間同步算法間的比擬同步算法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用環(huán)境RBS縮短了關(guān)鍵路徑，不考慮發(fā)送時(shí)延和訪問時(shí)延，甚至排除了接收時(shí)間的不確定性；時(shí)鐘的調(diào)整不影響時(shí)鐘偏差的計(jì)算。算法復(fù)雜度高，多跳能耗大，不適合有限能量供給的應(yīng)用場(chǎng)合不僅適用于有線網(wǎng)絡(luò)也適用于無線網(wǎng)絡(luò)，可廣泛應(yīng)用于商用硬件設(shè)備和已有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件。TPSN采用雙向分組交換，能精確計(jì)算出分組的傳輸延遲，獲得了RBS兩位的精度；支持外部時(shí)鐘源同步。能量開銷大；不適合拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)。對(duì)時(shí)間同步要求較高的靜