一种基于Ad hoc网络测距的时钟同步协议

Ad hoc网络是一种特殊的无线移动通信网络。Ad hoc网络的节点不仅具有一般移动终端的基本功能，而且具有报文转发功能，因此节点间的通信有时需要通过多跳来完成。网络中的各个节点通过分层的网络协议相互协调，实现网络的自组织和运行。由于以上特点，Ad hoc网络又被称为多跳无线网(Multi-hop Wireless Network)或自组织网络(Self-organized Network)。
同所有的分布式系统一样，时钟同步也是Ad hoc网络技术研究中的一个关键问题。因为网络节点内部的硬件时钟具有一定的误差，所以节点的本地时间会存在偏差。然而，Ad hoc网络的许多应用需要全网络中的节点或一定范围内的部分节点具有高度的时间一致性，因此Ad hoc网络需要进行时钟同步。现有的有线网络和无线网络上的时钟同步协议并不能完全满足Ad hoc网络应用的需要，迫切需要进一步研究，探索出适合Ad hoc网络的时钟同步方法。
1 相关研究
1.1 有线网络上的时钟同步方法
传统的时钟同步方法中最典型的是利用GPS (Global Position System)或NTP[1]协议实现设备间的同步。Ad hoc网络,尤其是传感器网络的节点,必须考虑移动终端的成本代价。GPS装置价格昂贵，并且在建筑物或水下，其服务质量并不能得到很好的保证,尤其在军事应用中，利用GPS来获得无线网络节点的时钟同步是极不可靠的。因此，在众多Ad hoc网络的应用中利用GPS获得时钟同步是不可取的。
NTP协议假设网络中2个节点的时间请求、回复报文具有相同的时延，由于Ad hoc网络多跳的无线环境存在非对称链路、前向链路和反向链路，这些链路往往具有不同的时延，因此NTP协议不适合直接应用于Ad hoc网络；另外，NTP协议需要在网络中配置时间服务器，Ad hoc网络是一种移动自组织网络，没有中心节点，这也导致了NTP协议无法直接应用于Ad hoc的网络时钟同步。
1.2 无线传感器网络上的时钟同步协议
参考文献[2]提出了一种适合无线传感器网络的参考广播时钟同步协议(RBS)，该协议利用了“第三方”的广播时钟同步信息来完成2个单跳节点的时钟同步。其基本思路是：在广播域内周期性地广播1个数据分组(不必做时间标记)，所有接收到这个数据分组的接收方对该数据分组做时间标记。所有接收方互相交换它们的时间标记，并以此获得邻近节点的时钟。重复以上过程，所有节点不仅知道它们相互之间的相位偏移，而且知道它们相互之间的频率漂移率。所有节点都不调整它们的本地时钟，但要为每个邻近节点建立一个调整时钟所需要的参数表。仿真结果表明，在Berkeley Motes平台上30次同步后取平均所获得的同步精度为1.6 ?滋s。RBS协议虽然可以获得比较高的同步精度，但其只能应用于单跳范围内节点间的时钟同步,将RBS协议扩展到多跳是该协议能否应用于Ad hoc网络的关键。
TPSN(Time-synchronization Protocol for Sensor Networks)[3]是一种用于多跳传感器网络的时钟同步协议，该协议的目标是全网时钟同步。TPSN包括两个阶段，第一阶段是拓扑发现阶段，或称为全网络同步阶段，目的是要建立一个分级的网络拓扑，其本质就是建立生成树。如果根节点能访问一个外部的高精度时钟，那么网络中的所有节点都与这个高精度的时钟同步。第二阶段为比对同步阶段，由时钟参考节点周期性地广播一个同步标志发起，等级为1的节点接收到标志后即和时钟参考节点同步，同步策略采用类似NTP的“two-way message exchange”，随后同步依照节点等级向外扩散，每个等级为i的节点向等级为i-1的节点同步，最后完成全网节点与时钟参考节点的同步。
从直观上来看，RBS只引入了传播时延和接收时延，应该具有更高的精度，但在参考文献[4]的实验环境下，发送时延和接入时延的不确定性比较小，并且多种不确定因素的作用可能相互抵消，TPSN获得了优于RBS协议的精度。另外，RBS协议完成一对节点的时钟同步需要1次报文广播和至少2次报文单播，TPSN只需要2次报文单播，发送更少的报文，对于共享信道、数据容易发生冲突的无线信道来说,具有更好的可扩展性。
2 基于Ad hoc网络测距的时钟同步方法
2.1 双向传播时延的计算方法
　　参考有线网络上的DOCSIS规范[5]对测距过程的描述，本文提出一种基于时钟相对同步概念的可应用于Ad hoc网络的计算双向传播时延的方法。
　　Ad hoc网络的测距过程分为两个部分：初始测距和周期性测距。初始测距又分为初始维护(initial maintain)和站维护(station maintain)。在初始测距过程中，邻近子层设备节点要获取准确的定时偏移，即基准时钟同步信号的发送方(主时钟节点)与某一特定的接收方(从时钟节点)之间传输数据的双向传播时延(RTD)。从时钟节点根据RTD提前发送数据的时间以补偿网络时延,使不同的从时钟节点所发送的数据到达主时钟节点的时间与主时钟节点在带宽分配报文(MAP)中要求的时间对齐。带宽分配报文是主时钟节点向从时钟节点发送的。双向传播时延的计算过程如图1所示[6]。