一種基于A(yíng)d hoc網(wǎng)絡(luò )測距的時(shí)鐘同步協(xié)議
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同所有的分布式系統一樣，時(shí)鐘同步也是Ad hoc網(wǎng)絡(luò )技術(shù)研究中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。因為網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)內部的硬件時(shí)鐘具有一定的誤差，所以節點(diǎn)的本地時(shí)間會(huì )存在偏差。然而，Ad hoc網(wǎng)絡(luò )的許多應用需要全網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)或一定范圍內的部分節點(diǎn)具有高度的時(shí)間一致性，因此Ad hoc網(wǎng)絡(luò )需要進(jìn)行時(shí)鐘同步?，F有的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上的時(shí)鐘同步協(xié)議并不能完全滿(mǎn)足Ad hoc網(wǎng)絡(luò )應用的需要，迫切需要進(jìn)一步研究，探索出適合Ad hoc網(wǎng)絡(luò )的時(shí)鐘同步方法。
1 相關(guān)研究
1.1 有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上的時(shí)鐘同步方法
傳統的時(shí)鐘同步方法中最典型的是利用GPS (Global Position System)或NTP[1]協(xié)議實(shí)現設備間的同步。Ad hoc網(wǎng)絡(luò ),尤其是傳感器網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn),必須考慮移動(dòng)終端的成本代價(jià)。GPS裝置價(jià)格昂貴，并且在建筑物或水下，其服務(wù)質(zhì)量并不能得到很好的保證,尤其在軍事應用中，利用GPS來(lái)獲得無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的時(shí)鐘同步是極不可靠的。因此，在眾多Ad hoc網(wǎng)絡(luò )的應用中利用GPS獲得時(shí)鐘同步是不可取的。
NTP協(xié)議假設網(wǎng)絡(luò )中2個(gè)節點(diǎn)的時(shí)間請求、回復報文具有相同的時(shí)延，由于A(yíng)d hoc網(wǎng)絡(luò )多跳的無(wú)線(xiàn)環(huán)境存在非對稱(chēng)鏈路、前向鏈路和反向鏈路，這些鏈路往往具有不同的時(shí)延，因此NTP協(xié)議不適合直接應用于A(yíng)d hoc網(wǎng)絡(luò )；另外，NTP協(xié)議需要在網(wǎng)絡(luò )中配置時(shí)間服務(wù)器，Ad hoc網(wǎng)絡(luò )是一種移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò )，沒(méi)有中心節點(diǎn)，這也導致了NTP協(xié)議無(wú)法直接應用于A(yíng)d hoc的網(wǎng)絡(luò )時(shí)鐘同步。
1.2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )上的時(shí)鐘同步協(xié)議
參考文獻[2]提出了一種適合無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的參考廣播時(shí)鐘同步協(xié)議(RBS)，該協(xié)議利用了“第三方”的廣播時(shí)鐘同步信息來(lái)完成2個(gè)單跳節點(diǎn)的時(shí)鐘同步。其基本思路是：在廣播域內周期性地廣播1個(gè)數據分組(不必做時(shí)間標記)，所有接收到這個(gè)數據分組的接收方對該數據分組做時(shí)間標記。所有接收方互相交換它們的時(shí)間標記，并以此獲得鄰近節點(diǎn)的時(shí)鐘。重復以上過(guò)程，所有節點(diǎn)不僅知道它們相互之間的相位偏移，而且知道它們相互之間的頻率漂移率。所有節點(diǎn)都不調整它們的本地時(shí)鐘，但要為每個(gè)鄰近節點(diǎn)建立一個(gè)調整時(shí)鐘所需要的參數表。仿真結果表明，在Berkeley Motes平臺上30次同步后取平均所獲得的同步精度為1.6 ?滋s。RBS協(xié)議雖然可以獲得比較高的同步精度，但其只能應用于單跳范圍內節點(diǎn)間的時(shí)鐘同步,將RBS協(xié)議擴展到多跳是該協(xié)議能否應用于A(yíng)d hoc網(wǎng)絡(luò )的關(guān)鍵。
TPSN(Time-synchronization Protocol for Sensor Networks)[3]是一種用于多跳傳感器網(wǎng)絡(luò )的時(shí)鐘同步協(xié)議，該協(xié)議的目標是全網(wǎng)時(shí)鐘同步。TPSN包括兩個(gè)階段，第一階段是拓撲發(fā)現階段，或稱(chēng)為全網(wǎng)絡(luò )同步階段，目的是要建立一個(gè)分級的網(wǎng)絡(luò )拓撲，其本質(zhì)就是建立生成樹(shù)。如果根節點(diǎn)能訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)外部的高精度時(shí)鐘，那么網(wǎng)絡(luò )中的所有節點(diǎn)都與這個(gè)高精度的時(shí)鐘同步。第二階段為比對同步階段，由時(shí)鐘參考節點(diǎn)周期性地廣播一個(gè)同步標志發(fā)起，等級為1的節點(diǎn)接收到標志后即和時(shí)鐘參考節點(diǎn)同步，同步策略采用類(lèi)似NTP的“two-way message exchange”，隨后同步依照節點(diǎn)等級向外擴散，每個(gè)等級為i的節點(diǎn)向等級為i-1的節點(diǎn)同步，最后完成全網(wǎng)節點(diǎn)與時(shí)鐘參考節點(diǎn)的同步。
從直觀(guān)上來(lái)看，RBS只引入了傳播時(shí)延和接收時(shí)延，應該具有更高的精度，但在參考文獻[4]的實(shí)驗環(huán)境下，發(fā)送時(shí)延和接入時(shí)延的不確定性比較小，并且多種不確定因素的作用可能相互抵消，TPSN獲得了優(yōu)于RBS協(xié)議的精度。另外，RBS協(xié)議完成一對節點(diǎn)的時(shí)鐘同步需要1次報文廣播和至少2次報文單播，TPSN只需要2次報文單播，發(fā)送更少的報文，對于共享信道、數據容易發(fā)生沖突的無(wú)線(xiàn)信道來(lái)說(shuō),具有更好的可擴展性。
2 基于Ad hoc網(wǎng)絡(luò )測距的時(shí)鐘同步方法
2.1 雙向傳播時(shí)延的計算方法
參考有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上的DOCSIS規范[5]對測距過(guò)程的描述，本文提出一種基于時(shí)鐘相對同步概念的可應用于A(yíng)d hoc網(wǎng)絡(luò )的計算雙向傳播時(shí)延的方法。
Ad hoc網(wǎng)絡(luò )的測距過(guò)程分為兩個(gè)部分：初始測距和周期性測距。初始測距又分為初始維護(initial maintain)和站維護(station maintain)。在初始測距過(guò)程中，鄰近子層設備節點(diǎn)要獲取準確的定時(shí)偏移，即基準時(shí)鐘同步信號的發(fā)送方(主時(shí)鐘節點(diǎn))與某一特定的接收方(從時(shí)鐘節點(diǎn))之間傳輸數據的雙向傳播時(shí)延(RTD)。從時(shí)鐘節點(diǎn)根據RTD提前發(fā)送數據的時(shí)間以補償網(wǎng)絡(luò )時(shí)延,使不同的從時(shí)鐘節點(diǎn)所發(fā)送的數據到達主時(shí)鐘節點(diǎn)的時(shí)間與主時(shí)鐘節點(diǎn)在帶寬分配報文(MAP)中要求的時(shí)間對齊。帶寬分配報文是主時(shí)鐘節點(diǎn)向從時(shí)鐘節點(diǎn)發(fā)送的。雙向傳播時(shí)延的計算過(guò)程如圖1所示[6]。
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