无线自组网时间同步算法研究

无线自组网时间同步算法研究
摘要：在无线自组网的应用中，时钟同步非常重要，分布式时间同步算法具有较好的适用性能。

本文分别分析了基于NTP的分布式时隙同步算法和萤火虫同步算法两种分布式时间同步算法，对两种算法的优缺点进行分析；在此基础上，设计了一种基于这两种分布式同步算法的组合算法，优化了时间同步性能，能够实现时间同步的快速、高精度收敛，且信令开销适中。

关键词：无线自组网时间同步NTP
中图分类号：TN911.23 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）06-0000-00
无线自组网是一个无需基础设施的分布式多跳分组网络，网络中没有中心节点，具有很强的抗毁性和灵活组网等优点，在军事和民用方面都有广阔的应用前景。

然而，由于网络的多跳特性，每个节点不能感知到全网所有节点的信息，只能感知到其邻居节点的局部信息。

因此，如何实现全网时隙同步是一个研究难点之一。

目前解决时钟同步的方法主要有两种：一种是是外基准同步方法，采用外部时钟源为基准实现网内各节点的同步；另一种是执行时钟同步协议来完成时钟同步，这又分为主从
同步和分布式同步两种。

其中，分布式时钟同步能够使得无线自组网摆脱对外部时钟系统的依赖，并提高系统的灵活性和抗毁性，具有更高的应用前景[1][2]。

1 分布式时间同步算法
1.1基于NTP的分布式互同步算法实现
基于NTP（Network Time Protocol）的分布式互同步算法，采用NTP的基本原理，使用了分布式时隙互同步机制，根据各个节点与邻居节点的时隙偏差自适应调整各自的参考时间，最终实现全网同步的时隙互同步方案[3]。

在对称信道的网络中，假定网内任意两个节点和参考时间基准偏差为，假设节点的参考时间基准超前于节点，两个节点之间的传播时延均为，每个节点均以各自的参考时间基准发送数据，如图1所示。

节点收到节点发出的数据包，节点根据自己的参考时间基准计算出数据包从节点传到节点的时间延迟值；同理，节点也根据自己的参考时间计算出数据包从节点传输到节点
的时间延迟值，由此计算出两个节点之间的参考时间偏差。

基于NTP的分布式互同步算法中，每个节点在收到其所有邻节点的反馈信息后，进行一次参考时隙的调整，经过多次迭代，最终所有节点都对齐到一个虚拟的参考时刻，实现全网同步。

在传输的同步消息中，需要包含每次发送信息时相对于自身参考时刻的时隙偏差，同时还需要返回给邻节点
收到消息时的时刻。

由于每两个节点之间的通信是独立的，信令中还需要包含相应的导频序列。

基于NTP的分布式互同步算法可达到非常高的同步精度，但其实现机制较为复杂，信令开销较大，且收敛较慢。

1.2 萤火虫算法
萤火虫同步算法模拟的是自然界中萤火虫的同步发光
原理，简单的抽象为振荡器周期性的发出脉冲信号，所有节点都朝着最先振荡的节点趋近，最终达到周期对齐，同步收敛。

对于初始触发时刻随机分布在时间内的，由N个振荡器组成的系统，当完全接收并译码一个同步信号后，每个振荡器都会以相同的机制等待一段时间后再发送信息。

随着时间的推移，振荡器将分成两组，每组独立的以为周期触发，互相帮助完成同步[4]，如图2所示：
基于萤火虫算法的基本原理，网络中所有的节点发送同样的伪随机序列，节点在收到序列时，不需要判断信息来源，就不需要传输反馈信息，节省了大量时间开销。

萤火虫算法，通信机制简单，同步序列具有通用性，信令开销小，收敛速度快，但对传播时延敏感，收敛精度较低
2 组合同步算法
基于NTP的分布式时隙同步算法能够达到的精度要高于萤火虫算法，但其需要反馈机制，算法复杂，信令开销大。

萤火虫算法信令开销小，同步信息简单，收敛速度快，但算法精度差。

在后续工作中需要结合两者的优点，提出新的组合同步算法。

组合算法流程图如图3所示：
先利用基于NTP的分布式时隙同步算法原理，测算出任意两点之间的分布式时延，在每个节点本地生成一个到其所有邻节点的时延列表，在收到邻节点的同步序列时，不是立即反应，而是等待一段时间然后做出响应。

增加等待时间的目的是为了将分布式的传播时延都补偿到统一的最大传输
时延，使得每个节点发送的信号刚好间隔一个同步周期对邻节点产生影响，最终达到整个网络稳定收敛，从而建立一个时延补偿列表。

接着整个网络转入萤火虫同步阶段。

在经过一定时间后，由于节点的移动性，整个网络拓扑会产生变化，这时需要再次转入测时延阶段，更新时延补偿列表。

3 仿真验证
仿真条件设置：在一个半径为R的圆内产生位置随机的节点（16个）、每个节点一跳传输距离为r，构成拓扑结构随机的网络，网络中不存在孤立节点，归一化覆盖率为0.7，每个节点初始随机分布在等待，发送，不反应和侦听四种状态之一。

同步周期为T，分解成1000个采样点，实际同步周期扩展到2T。

仿真1000次，取平均。

仿真证明，设计的组合同步算法，即能够较快的实现同步收敛，又能够达到较高的同步精度。

4 结语
设计了一种分布式无线自组网时间同步方案，该方案利用了基于NTP的分布式互同步算法中信息交互来精确测算时延，同时在萤火虫同步阶段充分利用了其通信机制的高效性，继承了两种算法的优点，可达到快速稳定收敛，具有较高的实际应用价值。

参考文献
[1]Mills D L. Internet time synchronization：the network time protocol[J]. Communications，IEEE Transactions on，1991，39（10）：1482-1493.
[2]杨琦，石江宏，陈辉煌.无线自组织网络分布式时隙同步算法[J].系统工程与电子技术，2011，33（4）：888-893.
[3]董超，田畅，倪明放.Ad hoc网络时钟同步研究[J].通
信学报，2006，27（9）：110-117.
[4]孙献璞，张艳玲.自组织网络的互同步技术研究[J].西
安电子科技大学学报（自然科学版），2005，32 （2）：216-219.
收稿日期：2015-06-09
作者简介：倪光华（1982―），男，江苏滨海人，工程师，硕士研究生，主要研究方向：无线通信。