简论无线传感网络时间同步的问题

简论无线传感网络时间同步的问题

引言

想要在无线传感网络中很好地保证数据传输的可靠性，非常重要的一点就是保持节点之间时间上的同步。目前因特网上采用时间同步协议标准是NTP协议，采用有线传输，不适合用于功耗、成本受限制的无线传感网络中。GPS系统也可以提供高精度的时间同步，但它的信号穿透性差，GPS天线必须安装在空旷的地方，功耗也较大，所以不适合无线传感网络。

Elson等人2002年首次提出无线传感器网络时间同步的研究课题以来，已有相当多的典型时间同步算法，主要可以分为以下几类：基于发送者-接收者的双向同步算法，典型算法如TPSN算法；基于发送者-接收者的单向时间同步算法，典型算法如FTSP算法、DMTS算法；基于接收者-接收者的同步算法，典型算法有RBS算法。

近年来根据以上几种典型同步算法，还有人提出了分簇式的层次型拓扑结构算法，以及结合生成树等来提高整个网络的性能，如LTS算法、CHTS算法、CRIT算法、PBS算法、 HRTS 算法、BTS算法、ETSP算法等。

然而，无论以上同步算法怎样发展，精度如何提高，整个网络功耗怎样降低，都是基于单跳时间同步机制。随着无线传感网络的运用与发展，传感节点体积不断缩小，单跳距离变小，整体网络规模变大，同步误差的累积现象必将越来越严重。目前也有比较新的同步算法，试图尽量避开单跳累加来解决这些问题，如协作同步。

1 时间同步

1.1 时间同步不确定性的影响因素

时间同步不确定性的主要的影响因素如图1所示。

图1 报文传输延迟

发送时间：发送方用于构造分组并将分组转交给发送方的MAC层的时间。主要取决于时间同步程序的操作系统调用时间和处理器负载等。

访问时间：分组到达MAC层后，获取信道发送权的时间。主要取决于共享信道的竞争、当前的负载等。

传送时间：发送分组的时间，主要取决于报文的长度等。

传播时间：分组离开发送方后，并将分组传输到接收方之间的无线传输时间。主要取决于传输介质、传输距离等。

接收时间：接收端接收到分组，并将分组传送到MAC层所需的时间。

接受时间：处理接收到分组的时间。主要受到操作系统的影响。

1.2 典型时间同步算法分析

1.2.1 TPSN算法分析

TPSN算法采用的是层次型的网络结构，是基于发送者-接收者的双向同步算法。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。T1、T4用来记录同步节点的本地时间，T2、T3用来记录参考节点的本地时间。同步节点A在T1时刻向参考节点B发送一个同步请求报文，报文中包含了同步节点的级别和T1。当参考节点B收到报文后，记录下接收时刻T2，并立即向同步节点A回复一个同步应答报文，该报文中包含了参考节点B的级别和T1、T2及回复时刻T3。同步节点A收到参考节点的回复后，记下时刻T4。假设来回报文的传输延迟相同都为d，且m为同步节点在T1时刻两者之间的时偏，且设来回时偏相同，由T2=T1+m+d，T4=T3-m+d可得到：

则在T4时刻，若在同步节点A的本地时间增加修正量m，就能达到同步节点A与参考节点B之间的同步。

1.2.2 RBS算法分析

RBS算法是基于接收者-接收者的同步算法。首先参考节点广播一个参考分组，当同步节点A收到这个分组，记下自己的本地时钟为T21，当同步节点B收到这个分组时，也记下自己的本地时钟为T22，然后同步节点A与同步节点B交换本地时钟T21与T22，这时其中一个节点只要根据时间差值m=T21-T22，修改自己的时钟就能达到与另一个节点之间的同步。在多跳网络中，RBS算法采用多次广播同步消息，接收节点根据接收到同步消息的平均值，同时采用最小平方线性回归方法进行线性拟合以减小同步误差。

1.2.3 DMTS算法分析

DMTS算法是基于发送者-接收者的单向时间同步算法。当发送节点在检测到通道空闲时，给广播分组加上时间戳t0,从而排除了发送节点的处理延迟与MAC层的访问延迟。并假设发送报文的长度为NA个比特（包括前导码与同步字），传送每个比特的时间为t，而接收者在接收完同步字后，记录下此时的本地时间为t1,并在调整自己的本地时间记录之前记

录下此时的时刻t2,这时接收节点为了与发送节点达到时间上的同步，可以调整接收节点的时间改为t0+t·NA+（t2-t1）。

可以看出，TPSN平均单跳误差为17.61μs,DMTS平均单跳误差为30μs,RBS平均单跳误差为6.29μs, TPSN平均4跳误差为21.43μs,DMTS平均单跳误差为151μs,RBS平均4跳误差为9.97μs。

1.2.4 其他算法分析

LTS协议是基于发送-接收同步机制发展而来，提出了集中式和分布式LTS多跳时间同步算法。LTS协议首先把网络组成广度优先生成树拓扑结构，并沿着树的每条边进行单跳成对同步。参考节点的子节点同步完成后，又以该节点为参考节点，采用同样方式继续同步下去，直到同步完成。

单跳成对同步采用TPSN同步方法。成对同步的次数是边数的线性函数。Hui Dui等人提出来的HRTS 利用了广播的特性，只需要一次同步过程可以完成一个单跳组网所有节点的同步，进一步降低了LTS协议的功耗。HRTS算法不再采用广度优先生成树的边，采用的是广度优先生成树非叶子节点个数的线性函数。相较于LTS协议，HRTS算法以牺牲一定的精确来降低了整个网络的功耗。

BTS同步方法类似于HRTS算法，也是先建立广度优先成生树拓扑结构，只不过BTS采用的是时间转换技术，以达到整个网络的时间同步，而HRTS直接对同步节点的本地时间进行修改，得到全网的同步，同步报文个数降为HRTS协议的2／3。

PBS同步算法的思想是参考节点与簇首节点之间采用双向同步方法，与TPSN相似，其他节点（在两个节点的通信范围内）可以侦听到同步消息，就可以根据接收者-接收者同步方法同步。类似于RBS同步，PBS同步的前提是每个同步节点必须在簇首节点的通信范围之内。

ETSP算法主要采用的是设置门槛值N来选择同步算法，当父节点的子节点小于或等于N 时，采用接收-接收（RBS）同步模式，否则采用发送-接收（TPSN）同步模式。N值的选择采用N2-3N-2m=0来计算，式中m=RxTx，Rx为节点的接收次数，Tx为传播次数。

FTSP同步算法精度高的原因是，发送者在发送一个同步请求报文时连续标记了多个时间戳，接收者可以根据这几个中断时间计算出更精确的时间偏差。

1.2.5 协作同步技术

以上同步机制，无论怎样改进都是基于单跳同步基制，最近有人提出了协作同步技术，不再单纯地从单跳同步机制上进行改进，而是通过信号叠加原理，使同步基准节点能够把同步消息直接发送到远方待同步的节点，使远方节点直接与基准节点同步，消除了同步误差单