無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )典型時(shí)間同步技術(shù)分析
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1．2．4 FTSP
FTSP(Flooding Time Synchronization Protocol)是由Branislav Kusy于2004年提出的基于單向廣播消息傳遞的發(fā)送者與接收者之間的全網(wǎng)時(shí)間同步。FFSP是對DMTS的改進(jìn)，具體不同在于：
(1)FTSP降低了時(shí)延的不確定性，將其分為發(fā)送中斷處理時(shí)延、編碼時(shí)延、傳播時(shí)延、解碼時(shí)延、字節對齊時(shí)延和接收中斷處理時(shí)延。
(2)類(lèi)似于RBS，FTSP可通過(guò)發(fā)送多個(gè)信令包，接收節點(diǎn)通過(guò)最小方差線(xiàn)性擬合計算出發(fā)送者與接收者之間的初始相位差和頻率差。
(3)FTSP根據一定時(shí)間范圍內節點(diǎn)時(shí)鐘晶振頻率穩定原則，得出各節點(diǎn)問(wèn)時(shí)鐘偏移量與時(shí)間成線(xiàn)性關(guān)系，利用線(xiàn)性回歸的方法通過(guò)節點(diǎn)周期性發(fā)送同步廣播使得接收節點(diǎn)得到多個(gè)數據對構造回歸直線(xiàn)，而且在誤差允許的時(shí)間間隔內，節點(diǎn)可通過(guò)計算得出某一時(shí)間節點(diǎn)間時(shí)鐘偏移量，減少了同步廣播的次數，節省了能量。
(4)FTSP提出了一套較完整的針對節點(diǎn)失效、新節點(diǎn)加入等引起的拓撲結構變化時(shí)根節點(diǎn)選舉策略，從而提高了系統的容錯性和健壯性。
FTSP通過(guò)在MAC層打時(shí)間戳和利用線(xiàn)性回歸的方法估計位偏移量，降低了時(shí)延的不確定性，提高了同步精度，適用于軍事等需要高同步精度的場(chǎng)合。
1．2．5 LTS
LTS(Lightweight Time Synchronization)是由VanGreunen Jana和Rabaey Jan于2003年提出的基于成對機制的發(fā)送者與接收者之間的輕量級全網(wǎng)時(shí)間同步。
該算法是在成對同步的基礎上進(jìn)行了改進(jìn)，具體包括兩種同步方式：第一種是集中式，首先構建一個(gè)低深度的生成樹(shù)，以根節點(diǎn)作為參考節點(diǎn)，為節省系統有限能量，按邊進(jìn)行成對同步，根節點(diǎn)與其下一層的葉子節點(diǎn)成對同步，葉子節點(diǎn)再與其下一層的孩子節點(diǎn)成對同步，直到所有節點(diǎn)完成同步，因為同步時(shí)間和同步精度誤差與生成樹(shù)的深度有關(guān)，所以深度越小，同步時(shí)間越短，同步精度誤差越??；第二種是分布式，當節點(diǎn)i需要同步時(shí)，發(fā)送同步請求給最近的參考節點(diǎn)，此方式中沒(méi)有利用生成樹(shù)，按已有的路由機制尋找參考點(diǎn)。在節點(diǎn)i與參考節點(diǎn)路徑上的所有節點(diǎn)都被動(dòng)地與參考節點(diǎn)同步，已同步節點(diǎn)不需要再發(fā)出同步請求，減少了同步請求的數量。為避免相鄰節點(diǎn)發(fā)出的同步請求重復，節點(diǎn)i在發(fā)送同步請求時(shí)詢(xún)問(wèn)相鄰節點(diǎn)是否也需同步，將同步請求聚合，減少了同步請求的數目和不必要的重復。
LTS根據不同的應用需求在可行的同步精度下降低了成本，簡(jiǎn)化了計算復雜度，節省了系統能量。
1．2．6 Tiny-sync和Mini-sync
Tiny-sync和Mini-sync是由Sichitiu和Veerarittipahan于2003年提出的基于雙向消息傳遞的發(fā)送者和接收者之間的輕量級時(shí)間同步。該算法的前提是假設每個(gè)時(shí)鐘可近似為一個(gè)頻率固定的晶振，則兩個(gè)時(shí)鐘C1(t)，C2(t)滿(mǎn)足如下線(xiàn)性關(guān)系
C1(t)=a12C2(t)+b12 (6)
其中，a12是兩時(shí)鐘的相對漂移；b12是兩時(shí)鐘的相對偏移。
算法仍采用TPSN中的雙向信息傳遞，不同之處在于Tiny-sync和Mini-sync發(fā)送多次探測信息，探測信息與以往的同步請求不同，接收節點(diǎn)收到探測信息后立即返回消息，具體如下：節點(diǎn)i在本地時(shí)刻t0發(fā)送一個(gè)探測消息給節點(diǎn)j，節點(diǎn)j收到消息后記錄本地時(shí)間tb并立即返回消息，節點(diǎn)i接收到消息后記錄本地時(shí)間tr。(t0，tb，tr)叫做數據點(diǎn)，節點(diǎn)i多次發(fā)送探測消息，并根據式(6)用線(xiàn)性規劃的原則得到a12和b12的最優(yōu)估計，但用所有點(diǎn)計算運算量過(guò)大，Tiny-sync則是每次獲得新數據點(diǎn)后與先前的進(jìn)行比較，誤差小于先前的誤差時(shí)才采用新數據點(diǎn)，否則拋棄。Mini-sync是Tiny-sync的優(yōu)化，修正了Tiny-sync可能拋棄有用點(diǎn)的缺憾，留下了可能在后面提供較好邊界條件的數據點(diǎn)。
Tiny-sync和Mini-sync為滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )低能耗的要求，交換少量信息，利用夾逼準則和線(xiàn)性規劃估算頻偏和相偏，提高了同步精度，降低了通信開(kāi)銷(xiāo)。
2 時(shí)間同步算法性能對比分析
2．1 時(shí)間同步算法的性能評價(jià)指標
根據無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )自身資源有限、節點(diǎn)成本低、功耗低、自組織網(wǎng)絡(luò )等特點(diǎn)，應從以下幾點(diǎn)考慮無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的時(shí)間同步算法。
(1)能耗。由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )自身節點(diǎn)能量有限，其時(shí)間同步算法應保證在精度有效的前提下實(shí)現低能耗。
(2)可擴展性。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，節點(diǎn)數目增減靈活，時(shí)間同步算法應滿(mǎn)足節點(diǎn)數目增減和密度變化，具有較強的可擴展性。
(3)魯棒性。由于環(huán)境、能量等其它因素容易導致無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)無(wú)法正常工作，退出網(wǎng)絡(luò )，所以時(shí)間同步算法應具有較強魯棒性，保證通信暢通。
(4)同步壽命。是指節點(diǎn)間達到同步后一直保持同步的時(shí)間。同步壽命越短，節點(diǎn)就需要在較短時(shí)間內再同步，消耗的能量就越高。時(shí)間同步需要同步壽命較長(cháng)的算法。
(5)同步消耗時(shí)間。是指節點(diǎn)從開(kāi)始同步到完成同步所需的同步。同步消耗時(shí)間越長(cháng)，所需的通信量、計算量和網(wǎng)絡(luò )開(kāi)銷(xiāo)就越大，能耗也越高。
(6)同步間隔。是指節點(diǎn)同步壽命的結束到下一次同步開(kāi)始所間隔的時(shí)間。同步間隔越長(cháng)，同步開(kāi)銷(xiāo)就越小，能耗越低。
(7)同步精度。不同的應用要求不同數量級的同步精度，有的時(shí)間同步只需知道事件發(fā)生的先后順序而有些則需精確到μs級。
(8)同步范圍。分為全網(wǎng)同步和局部同步，全網(wǎng)同步難度大、費用高；局部同步較易實(shí)現。權衡整個(gè)系統的功能應用及能耗開(kāi)支等因素才能選擇合適的同步范圍。
(9)硬件限制?？紤]傳感器節點(diǎn)的體積、大小、成本，時(shí)間同步算法會(huì )受到傳感器節點(diǎn)硬件的限制，只有依賴(lài)硬件的條件，才能設計出滿(mǎn)足應用需求的時(shí)間同步算法。
2．2 時(shí)間同步算法性能對比分析
經(jīng)過(guò)在Mica2節點(diǎn)上的對比實(shí)驗，根據這些指標對以上的時(shí)間同步算法進(jìn)行比較分析。具體性能比較如表1所示。本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/160989.htm
3 結束語(yǔ)
隨著(zhù)大規模無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的廣泛應用，時(shí)間同步技術(shù)可以向以下幾方面發(fā)展：
(1)節點(diǎn)移動(dòng)導致的拓撲結構可變。目前，大部分無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )都認為拓撲結構固定，沒(méi)有考慮到節點(diǎn)的移動(dòng)性，但節點(diǎn)自身移動(dòng)也可以將時(shí)間信息帶到另一個(gè)地方。
(2)依賴(lài)于節點(diǎn)的硬件條件，時(shí)間同步算法應在滿(mǎn)足應用需求的條件下盡可能地減少能量消耗，達到最優(yōu)效率。
時(shí)間同步是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)重要支撐技術(shù)，仍需要研究人員的不斷探索和發(fā)現。
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