WSN 中的时钟漂移与偏移补偿机制研究

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

WSN 中的时钟漂移与偏移补偿机制研究
徐世武
【摘要】After briefly describing the development situation of time synchronization in wireless sensor network,on the basis of classical sender-receiver bidirectional synchronization principle,this paper proposes a CDCO algorithm based on the clock drift and clock offset. Experimental simulation results show that compared with TPSN algorithm,CDCO algorithm can reduce the synchronization error.%在简要阐述无线传感器网络时间同步的发展情况后,基于经典的发送者接收者双向同步原理,提出一种基于时钟漂移与偏移的同步补偿机制(CDCO 算法)。

实验仿真结果表明,相对于 TPSN 算法,CDCO 算法可以减少同步误差。

【期刊名称】《单片机与嵌入式系统应用》
【年(卷),期】2014(000)011
【总页数】3页(P6-8)
【关键词】无线传感器网络;TPSN;时钟漂移;时钟偏移;误差分析
【作者】徐世武
【作者单位】福建师范大学协和学院信息技术系,福州 350117
【正文语种】中文
【中图分类】TP368
无线传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的节点组成,集成了传感器技术、计算机技术和通信技术,能够协同地实时监测、感知并采集各种环境的数据,适用
于战场通信、抢险救灾和公共集会等突发性、临时性场合[1]。

保持节点之间时间
上的同步在无线传感器网络中非常重要,它是保证可靠的数据传输、精确的节点定位、可靠的数据融合、准确的目标跟踪与检测的前提。

如利用波的到达时间差测距,就需要高精度的时间同步。

无线传感器网络中,由于频率漂移,各个节点之间必然会产生一定的时钟偏移,因此有效的时间同步技术对保证各个节点之间的时钟同步非常重要[2]。

2002年,Elson等人在影响未来网络研究发展方向的国际权威学术会议HotNets 上,首次提出无线传感器网络时间同步的研究课题,至今已有相当多的典型时间同
步算法。

基于发送者-接收者的双向同步算法中,比较典型的如TPSN(Timing-sync Protocol for Sensor Networks)算法[3]。

TPSN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。

在同步阶段采用发送者-接收者的双向
成对同步算法, MAC层采用加入时间戳的技术,进而估算出节点之间的传输延迟与时钟偏移。

该作者在Mica 节点上测试过,TPSN平均单跳误差为17.61 μs。

基于发送者-接收者的单向时间同步算法中,比较典型的如FTSP(Flooding Time Synchronization Protocol)算法[4]、DMTS(Delay Measurement Time Synchronization)算法[5]。

基于接收者-接收者的同步算法,典型的有
RBS(Reference Broadcast Synchronization)算法[6]。

近几年,也有作者提出了协作同步机制[7]。

协作同步的核心思想仍然是属于集中式协议,要求整个网络中
节点密度较高。

参考文献[8]中,作者提出了分步式同步机制,整个网络无需构造
由根节点发起的生成树,只需要每个节点之间使用分布式广播同步机制。

传统的同步机制只是简单地修正节点之间的时钟偏移,传感器节点时钟由晶体振荡器驱动。

晶体振荡器的实际频率通常与它标定的频率之间存在一定的偏移,即存在
时钟频率的漂移。

传统的同步算法为了提高同步精度,节点就必须频繁地重复时间同步算法,以消除时钟偏移的影响。

频繁地交换消息,必然给功耗受限的节点带来额外的负担,因此考虑节点之间的时钟漂移也是非常重要的[9]。

1.1 时钟模型
本同步算法采用的是发送者-接收者的双向同步算法,同时考虑了时钟漂移与偏移
对同步精度的影响。

在无线传感器网络的节点中,如果采用的是时钟速率恒定模型,那么节点的硬件时钟Ci(t)与真实时间Ck(t)的关系可以表示为
Ci(t)=aik·Ck(t)+mik。

式中,aik为节点之间的相对漂移量,mik为节点之间的相对偏移量。

如果两个节点之间完全同步,则相对漂移量aik为1,相对偏移量mik 为0。

1.2 单跳同步原理
如图1所示,hi(t1)、hi(t4)、hi(t5)用来记录参考节点的本地时间, hk(t2)、
hk(t3)、hk(t6)用来记录同步节点的本地时间。

同步过程采用类似TPSN算法的双向同步过程,假设同步节点与参考节点的时钟关系采用时钟恒定模型(这在现实中
也是合理的),则hk(t)=ρki·hi(t)+mki。

式中,hk(t)、hi(t)分别为同步节点与参考节点在本地时刻t的时钟,ρki、mki分别为时钟漂移量与偏移量。

假设传播延迟为dki,因为在极短的时间内来回传播延迟与节点时偏可假设相同。

假设漂移量
则在理想情况下,ρki为1,即线段hi(t1)hk(t2)平行于线段hi(t5)hk(t6),此时不存在时钟漂移[10]。

如图1所示,根据双向同步原理与时钟恒定模型可以得到:
由式(2)与式(3)得到:
则根据得到的ρBA、mBA修改同步节点的本地时钟,就能实现与同步节点的时钟同步。

1.3 多跳同步原理
假设节点A与其下一跳节点B已经实现了时间同步,则可以得到:
由式(5)与式(6)可以得到:
同样,假设节点B与下一跳节点C已经实现了时间同步,同理可以得到:
显然将式(7)带入式(8)可以得到节点A与C之间的同步。

采用同样的方法逐级迭代下去,就可以实现全网的时间同步。

1.4 理论误差来源分析
由1.2节的分析可知,两节点之间的时钟关系为hk(t)=ρki·hi(t)+mki。

如果两个节点不存在时钟频偏的情况,ρki为1,即hi(t1)hk(t2)平行于边hi(t5)hk(t6),则频率偏移误差:
假设不存在频率偏移的情况下,即ρki为1,我们来计算时钟偏移的误差来源。

根据图1所示的发送-接收双向消息同步过程,可以得到:
式中, hk(t3)、hi(t4)分别是t3、t4所对应的同步节点和本地节点所测出的本地时间,Sk代表节点k的报文发送时间,Ak是发送报文的访问时间,Pk→i是节点k 传播到节点i的时间,Ri是节点i的报文接收处理时间,Nkt是传输Nk个比特的总时间,Terror指传输比特的误差,Rerror为打时标过程存在的误差代表节点k 与节点i在hk(t3)时刻的时偏。

因为在实验中采用了MAC层的打时标方法,这样就可以消除发送时间与访问时间对误差的影响。

于是式(11)就可以简写为:
式中同理可以得到hk(t6):
由以上各式可以得到时偏:
式中代表从hk(t3)到hk(t6)时段内,节点k相对于节点i增加的时偏;是hk(t6)时刻节点k与节点i之间的时偏。

可以算出时钟偏差为:
式中,SUC=Sk-Si,PUC=Pk→i-Pi→k,RUC=Ri-Rk。

无线传感器节点采用的是晶体振荡器来计时节点的本地时钟,由于成本的限制,只能采用一些低成本的晶振。

硬件设备厂商一般都会给出晶振频率变化范围,一般时
钟漂移为[10,100]ppm。

同步周期取20 s,在一个周期内采样4次,得到的结果如表1所列。

相同情况下的多跳同步误差如表2所列。

从表1中可以看出,在同一个周期内,相比TPSN算法,CDCO算法误差随采样间隔的增长明显比TPSN慢,在相同的采样间隔,误差也明显低于TPSN算法。

因为相比于TPSN算法,本文考虑了时钟漂移,因此可以在较长的时间内保持同步。

从表2可以看出,随跳数增加,CDCO算法精度较高于TPSN算法。

在相同的跳数内,CDCO算法的误差明显低于TPSN算法,且随着跳数增加,CDCO算法的同步误差增加明显低于TPSN算法。

相对于TPSN算法,CDCO算法可以减小误差多跳累加的影响。

本文基于发送方-接收方双向同步算法的原理,设计了一种同时考虑时钟偏移与漂移的同步补偿机制(CDCO算法)。

实验结果表明,相比传统的发送方-接收方双向同步算法,CDCO算法因为采用了时钟漂移补偿技术,在同一个同步周期内,同步误差随时间增加变化较小;而传统的算法因为存在时钟漂移,在同一个周期内误差随时间增大而变得越来越大。

相对于TPSN算法,CDCO算法可以减小误差多跳累加的影响。

【相关文献】
[1] 徐世武,王平,黄晞,等.无线传感网络时间同步研究进展与分析[J].单片机与嵌入式系统应用,2011,11(5):4-7.
[2] 李哲涛,李仁发,魏叶华.无线传感器网络中时间同步与测距协同算法[J].计算机研究与发
展.2010,47(4):638-644.
[3] Ganeriwal S, Kumar R, Srivastava M.Timing-sync Protocol for Sensor Networks[C]//In Proceedings of the 1st ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems, Los Angeles, ACM press, 2003:138-149.
[4] Maroti M,Kusy B,Simon G,et al. The flooding time synchronization protocol[C]//In proceedings of the 2nd ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems, Baltimore ACM press, 2004:39-49.
[5] Ping S. Delay measurement time synchronization for wireless sensor networks[R].Intel Research.Berkeley Lab,2003.
[6] Elson J, Girod L, Estrin D. Fine-grained Network Time Synchronization using Reference Broadcasts[C]//In Proceedings of the 5th Symposium on Operating Systems Design and Implementation, Boston, ACM press,2002:147-163.
[7] Hu A,Servetto S D. On the scalability of cooperative time synchronization in pulse-connected networks[J].IEEE Transactions on Information Theory,2006,52(6):2725-2748. [8] 李立,刘勇攀,杨华中,等.无线传感器网络分布式一致时间同步协议的收敛分析及加速设计[J]. 电子与信息学报,2010,32(9):2045-2050.
[9] 王世军,徐朝农,安竹林,等.晶振频率偏差补偿的无线传感器网络时间同步算法[J].小型微型计算机系统,2008,29(11):2055-2059.
[10] 刘迪忻.无线传感器网络中基于时钟漂移补偿的时间同步技术[J].时间频率学报,2009,
32(2):120-127.
徐世武(助教),研究方向为无线传感器网络时间同步技术等。

相关文档
最新文档