魏秋桐　曾培

【摘 要】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的出現(xiàn)，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步技術(shù)變得越來越重要。本文旨在回顧一些主要的時(shí)鐘同步協(xié)議，然后從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面對這些協(xié)議進(jìn)行分類，并基于準(zhǔn)確性、魯棒性、計(jì)算負(fù)載三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對這些協(xié)議進(jìn)行分析和比較。

【關(guān)鍵詞】偏移；偏斜；時(shí)間戳

【Abstract】Time Synchronization of nodes in Wireless sensor networks is becoming increasingly important as the emergence of Wireless Sensor Networks applications. This paper aims to review some of the main protocols and classify them based on their topology structure， then analyzes them based on three criteria of accuracy， robustness， and computation load.

【Key words】Offset； Skew； Timestamp

0 引言

傳感器網(wǎng)絡(luò)中的很多應(yīng)用都需要節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步，為此，研究人員提出了許多不同的時(shí)鐘同步協(xié)議。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗是最主要的問題。圍繞這個(gè)問題，本文的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下：

準(zhǔn)確性：協(xié)議的平均精度或誤差。

抗節(jié)點(diǎn)失效的魯棒性：特定的單節(jié)點(diǎn)/多節(jié)點(diǎn)的故障不影響協(xié)議的進(jìn)程。

計(jì)算負(fù)載：關(guān)于時(shí)鐘偏斜和偏移的估計(jì)和補(bǔ)償?shù)挠?jì)算。在本文中，任何統(tǒng)計(jì)分析的使用，都被認(rèn)為是高負(fù)載的計(jì)算。

本文的協(xié)議劃分為兩種：集中式和分布式。其中，集中式是網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)具有領(lǐng)導(dǎo)者功能的節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)都跟隨此節(jié)點(diǎn)。分布式是網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)功能相同，不存在具有特殊功能的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。

1 同步協(xié)議研究

1.1 集中式時(shí)鐘同步協(xié)議

RBS（Reference Broadcast Synchronization）[1]省略了發(fā)送方消息的非確定性部分。在RBS中，主節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)不帶時(shí)間戳的普通消息，從節(jié)點(diǎn)用自己的本地時(shí)鐘記錄各自的消息接收時(shí)間，然后與鄰居節(jié)點(diǎn)相互交換時(shí)間信息，并利用偏移矩陣計(jì)算相對于所有其他節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘偏移的平均值，對本地時(shí)鐘進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks）[2]證明了傳統(tǒng)發(fā)送者-接收者的方法優(yōu)于RBS接收者-接收者的方法。TPSN使用事件驅(qū)動(dòng)與后向同步相結(jié)合，通過雙向時(shí)間戳交換機(jī)制僅對時(shí)鐘偏移進(jìn)行估計(jì)。由于時(shí)間戳是在MAC層讀取，發(fā)送、訪問和接收時(shí)間可以忽略。

DMTS（Delay Measurement Time Synchronization）[2]旨在消除消息中所有可能的延遲，減少消息開銷。當(dāng)檢測到清晰頻道出現(xiàn)時(shí)，DMTS標(biāo)記消息，消除發(fā)送方延遲，僅剩下接收端產(chǎn)生的延遲。協(xié)議使用選舉算法選出一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)同步。通過接收主節(jié)點(diǎn)的廣播和時(shí)間戳消息來估計(jì)剩余延遲。

FTSP（Flooding Time Synchronization Protocol）[3]同時(shí)具備RBS和TPSN的優(yōu)勢，在發(fā)送端和接收端都存儲(chǔ)多個(gè)時(shí)間戳。基于先前一致接收的消息估計(jì)時(shí)鐘漂移，并使用線性回歸算法找到最好的線路。

PBS（Pairwise Broadcast Synchronization）[3]能大幅度降低能耗。它假設(shè)時(shí)鐘漂移為零，并基于偏移校正進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的同步。在PBS中，主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)成對執(zhí)行操作，廣播域中的節(jié)點(diǎn)通過監(jiān)聽估計(jì)自己的時(shí)鐘偏移，減少了消息開銷。

1.2 分布式時(shí)鐘同步協(xié)議

DTSP（Distributed Time Synchronization Protocol）[4]通過使用遞歸最小二乘法（RLS）計(jì)算消息的傳輸時(shí)延，估計(jì)時(shí)鐘偏移和偏斜，并在第一個(gè)字節(jié)發(fā)送后將時(shí)間戳添加到消息中。

GTSP（Gradient Time Synchronization Protocol）[5]補(bǔ)償時(shí)鐘偏斜和偏移，它采用MAC層時(shí)間戳避免了部分誤差。網(wǎng)絡(luò)中，臨近鄰居節(jié)點(diǎn)緊密同步，遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)松散耦合。GTSP時(shí)鐘偏斜和偏移是臨近鄰居時(shí)鐘的平均值。

TDP（Time Diffusion synchronization Protocol）[6]有兩個(gè)階段：活躍階段（持續(xù)時(shí)間基于最大允許時(shí)鐘漂移）和睡眠階段（執(zhí)行同步算法）。協(xié)議將節(jié)點(diǎn)分為不同的簇，每個(gè)活躍階段選舉產(chǎn)生主節(jié)點(diǎn)，具有魯棒性。每一簇的主節(jié)點(diǎn)通過擴(kuò)散時(shí)鐘消息來聚集本地時(shí)間，獲得一個(gè)系統(tǒng)級的時(shí)間標(biāo)度。

2 結(jié)論

本文回顧了8種不同的時(shí)鐘同步協(xié)議，并對他們進(jìn)行了分類和評價(jià)，見表1。基于以上回顧，我們可以發(fā)現(xiàn)一些新的研究方向。大多數(shù)協(xié)議都是基于統(tǒng)計(jì)分析來估計(jì)時(shí)鐘漂移，需要在節(jié)點(diǎn)內(nèi)存中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)點(diǎn)，從而需要更多的內(nèi)存和能量，并且沒有漂移補(bǔ)償，不可能延長同步間隔。同步間隔的延長可以發(fā)送更少的消息（同步消息大多與真實(shí)數(shù)據(jù)消息不同），從而消耗更少的能量。一種解決方案是合并消息中的真實(shí)數(shù)據(jù)和同步數(shù)據(jù)，并按周期（根據(jù)所需要的精度確定）添加同步數(shù)據(jù)到真實(shí)數(shù)據(jù)消息中。但是，層次結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流流向匯聚節(jié)點(diǎn)，而同步消息流從匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)出，方向相反，因此基于結(jié)構(gòu)的限制應(yīng)該受到重視。在今后工作中，將在不失準(zhǔn)確性的前提下提出低消耗的同步協(xié)議，降低能源消耗。

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