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1、 考查课程报告课程名称： 无线传感器网路 设计题目： 无线传感器网络时间同步技术 学 院： 信息工程与自动化学院 专 业： 计算机科学与技术 年 级： 2010级 学生姓名： 指导教师： 冯勇 日 期： 2012-12-25至 2013-1-1 教务处目录目录.1摘要.21、背景.22、概述（包括定义、功能、分类方法等）.23、 有代表性的协议（或算法）.34、 对各种时间同步算法的比较.95、总结.11无线传感器网络时间同步技术 7 孙正逵摘要无线传感器时间同步技术是无线传感器网络的一项重要技术,它对无线传感器网络中许多技术的实现具有重大意义。有限的电池能量,存储以及带宽限制等传感器固有特性
2、的存在,导致传统的时间同步算法不适合无线传感器网络。具体介绍了现有的无线传感器中的一些时间同步问题和时间同步算法,并对其具体特性进行了深入的分析比较。1、背景近年来,无线传感器网络得到了快速的发展,无线传感器网络实用与战场通信、抢险救灾和公共集会等突发性、临时性场合。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,它是保证无线传感网络中其他通信协议的前提,如可靠的数据融合,精确的目标跟踪,低功耗MAC协议的设计,无线传感网络中大部分节点在没有工作的情况下都是处于休眠状态,只有在需要的情况下才处于激活状态,以及整个网络中为了保证数据可靠的传输,减少数据碰撞,在MAC层可直接采用TDMA机制,
3、通过节点子节点个数动态分配时隙,而这些的实现,就必须保持节点之间的同步,因此高效的同步机制就成了低功耗MAC协议设计的前提。2002年,Elson等人在HotNets这影响未来网络研究发展方向的国际权威学术会议上首次提出无线传感器网络时间同步的研究课题以来,得到了国内外研究学者的高度重视,目前也有相当多的研究成果被提出来,并且单跳误差也控制在了微妙级,功耗也相当较低,可以符合大部分的环境需求。NTP协议是目前因特网上采用的时间同步协议标准,虽然精度高,当该协议的前提是网络中的链路失效非常小,整个网络采用的是稳定的拓扑结构,功耗大,采用的是有线传输,显然不适合于功耗、成本受限制的,结构不稳定的无
4、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,还有功耗较大,成本高,所以不适合于无线传感网络中。目前关于无线传感网络的同步机制研究中,主要有集中式同步机制,以及分布式一致同步机制,因有集中式同步机制采用的是首先由根节点发起的拓扑生成树阶段,在同步阶段,则采用相应的同步机制进行同步,节点只能与上一级节点同步,无法与根节点直接同步,必然导致单跳累加的影响,整个网络的拓扑性差,全网同步收敛速度慢。随着无线传感网络规模的不断扩大,节点体积不断缩小,集中式同步机制的运用越来越受到限制。而分布式同步机制具有扩展性好,抗毁性好等特性,通过邻居节点的信
5、息融合,使节点的时间同步到一个虚拟的时间上,不会因为根节点失效而导致全网重新同步的问题,收敛速度快。2、概述（包括定义、功能、分类方法等）2.1量的廉价微型传感器节点组成，通过无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）：是由部署在监测区域内大无线通信方式形成的一个多跳的自组织 的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。2.2无线传感器时间同步技术：是一项解决传统网络时间同步存在的问题的一项技术。2.3无线传感器时间同步技术的功能：由于传感器节点的时钟并不完美，会
6、在时间上发生漂移，所以观察到的时间对于网络中的节点来说是不同的。但很多网络协议的应用，都需要一个共同的时间以使得网路中的节点全部或部分在瞬间是同步的。所以它具有以它主要解决下列问题：第一，传感器节点需要彼此之间并行操作和协作去完成复杂的传感任务。如果在收集信息过程中，传感器节点缺乏统一的时间戳（即没有同步），估计 将是不准确的。第二，许多节能方案是利用时间同步来实现的。例如，传感器可以在适当的时候休眠（通过关闭传感器和收发器进入节能模式），在需要的时候再唤 醒。在应用这种节能模式的时候，节点应该在同等的时间休眠和唤醒，也就是说当数据到来时，节点的接收器可以接收，这个需要传感器节点间精确的定时。
7、2.4时间同步技术所关注的主要性能参数时间同步技术的根本目的是为网络中节点的本地时钟提供共同的时间戳。对无线传感器网络WSN（WirelessSensorNetworks）的时间同步应主要应考虑以下几个方面的问题：(1) 能量效率。同步的时间越长，消耗的能量越多，效率就越低。设计WSN的时间同步算法需以考虑传感器节点有效的能量资源为前提。(2) 可扩展性和健壮性。时间同步机制应该支持网络中节点的数目或者密度的有效扩展，并保障一旦有节点失效时，余下网络有效且功能健全。(3) 精确度。针对不同的应用和目的，精确度的需求有所不同。(4) 同步期限。节点需要保持时间同步的时间长度可以是瞬时的，也可以和
8、网络的寿命一样长。(5) 有效同步范围。可以给网络内所有节点提供时间，也可以给局部区域的节点提供时间。(6) 成本和尺寸。同步可能需要特定的硬件，另外，体积的大小也影响同步机制的实现。(7) 最大误差。一组传感器节点之间的最大时间差，或相对外部标准时间的最大差。2.5现有主要时间同步方法研究时间同步技术是研究WSN的重要问题，许多具体应用都需要传感器节点本地时钟的同步，要求各种程度的同步精度。WSN具有自组织性、多跳性、动态拓扑性和资源受限性，尤其是节点的能量资源、计算能力、通信带宽、存储容量有限等特点，使时间同步方案有其特殊的需求，也使得传统的时间同步算法不适合于这些网络。3、有代表性的协议
9、（或算法）3.1用于传感器网络的时间同步协议（TPSN）:最易于想到的同步方法为：发送者在同步报文中嵌入其本地时间，在接收到该报文后，接收者立即把自己的本地时间设置为嵌在该报文中的时间。但这种方法没有考虑到报文的传输延迟。而延迟测量时间同步协议（DMTS，DelayMeasurementTimeSynchronization）在此方法的基础上，进一步考虑了报文的传输延迟，接收者测量报文的传输延迟，并将本地时间设置为发送时刻加上报文传输延迟。延迟测量时间同步协议简单，但同步精度不高。美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）联网和嵌入式系统实验室（NESL,NetworkedandEmbeddedSys
10、tems）的甘纳瑞沃尔（S.Ganeriwal）指出：传统的发送者-接收者同步协议的同步精度较低的根源在于基于单向报文所估算出的报文传播延迟不够精确。如果采用双向报文，基于报文传输的对称性，有可能精确地计算出报文的传输延迟，因此能获得更高的同步精度。为此，他引入了NTP协议中的双向报文交换协议（如图1所示），提出了用于传感器网络的时间同步协议。图1NTP协议的双向报文交换图中的T1、T4用节点A的本地时间记录，T2、T3用节点B的本地时间记录。节点A向节点B发送一个同步请求报文。节点B在接收到该报文后，记录下接收到时刻T2，并立即向节点A返回一个同步应答报文，并把T2和该报文的发送时刻T3嵌入
11、在报文中。当节点A接收到该报文时，记录下接收到时刻T4。令为当节点A的本地时刻为T1时，节点A和B之间的时偏。由于T1T4时间比较短，可认为当节点A的本地时刻为T4时，其与节点B之间的时偏没有变化。假设报文的传输延迟相同，均为d。由：因此在T4时刻，若在节点A的本地时间上增加修正量，就达到和节点B之间的瞬时的时间同步。用于传感器网络的时间同步协议将NTP时间同步方法引入无线传感器网络，可以获得比使用延迟测量时间同步协议更高的精度，但是其计算较为复杂，功耗较大，并且同步精度受到报文的传输延迟的影响；同时如果报文的双向传输不对称，同步精度也会受到影响。3.2轻量基于树形分布的同步算法（LTS）:L
12、TS同步算法是一种与TPSN非常类似的算法。无线传感器网络通常只具有非常有限的计算资源，但是其并不要求非常高的时间同步精度。针对无线传感器网络的这一特点，LTS侧重于降低时间同步的复杂度，在有限的计算代价下获得合理的同步精度。LTS有集中式和分布式两个版本，在集中式版本中，首先以时间参考节点为根建立生成树，然后从树根开始逐级向叶子节点进行同步：首先根节点同步其子节点，然后这些子节点再分别同步其子节点，如此继续下去，直到全部节点都被同步。另外，为了达到最高的同步精度，要求生成树的深度尽可能的小，给出了Distributeddepthfirstsearch(DDFS)和Echo两种生成树算法。在分
13、布式版本中，任何节点都可以发起同步过程，不需要建立生成树，但是每个节点都必须知道参考节点的位置，并且知道其到这些节点的路径。节点根据自己的时钟漂移确定需要同步的时间，需要同步时，节点选择距离自己最近的一个参考节点，并向其发出同步请求，然后参考节点向该节点的路径上的节点逐对进行同步，直到该节点被同步。LTS算法与TPSN协议的区别在于，LTS算法中节点只与自己的父节点进行同步，其同步次数是路径长度的线性函数，同时精度也随路径的长度线性降低，即在降低计算代价的同时降低了同步精度。3.3参考广播时钟同步协议（RBS）用于传感器网络的时间同步协议可以看作是NTP在无线传感器网络上的改进版本，而无线传感
14、器网络的数据传播介质是无线信道，能否利用无线信道的广播特性设计相关的时间同步算法呢？参考广播时钟同步协议所依据的就是这样的算法。与用于传感器网络的时间同步协议不同，参考广播时钟同步协议不是去同步报文的收发双方，而是去同步报文的多个接收者。如图2的右图所示：在由3个节点组成的单跳网络中，参考节点每发出一个参考报文，其广播域内的其他接收者节点都将接收到该报文，并各自记录下接收到该参考报文时的本地时刻。接收者们交换它们记录的时刻并计算差值，该差值就是接收者之间的时钟偏移。图2发送者-接收者同步机制与接收者-接收者同步机制根据偏移信息可以实现发送者-接收者同步，若能精确地估计出报文传输延迟，这种方法将能够取得很高的精度。然而仅根据单个报文的传输很难准确地估计出传输延迟。图2的左图为发送者-接收者同步机制。可以看出，发送者-接收
