无线传感网络中时钟同步的研究

无线传感网不同于现有的无线自组网，它的每个网络节点都受到计算能力、通信能力、储存能力和带电能力等诸多限制，并且以数据为中心、动态自组。正由于其上述限制，目前很多成熟的网络协议不再适合无线传感网，时钟同步协议就是其中之一。

1 时钟同步适用范围

时钟同步就是通过一定的机制使系统各节点的时间与标准时间同步，通常采用与协调世界时UTC(Coordinated Universal Time）同步。

有线网络设计的最终目的在于利用现有资源最大限度地增大链路带宽，提高服务质量，因而具有相对稳定的网络结构，可靠的链路连接，充足的能量供给。运行在其上的网络协议通常很少考虑节约能量，降低节点负载，充分挖掘运行效率。所以其时钟同步协议将更多以算法的精度、鲁棒性和易扩充性为标准。

无线传感网作为一个大范围的分布式网络，像其他网络一样，也需要时钟同步以达到系统事件的协调控制，正确的数据融合。但它受能量供给、节点计算能力、链路质量的限制，必须对现有的时钟同步协议重新分析和评估。如应用于Internet的网络时间协议NTP(Network Time Protocol)，它采用层次结构，次层节点通过两次包交换达到与上层节点时钟同步，但由于其运算复杂，且需要较稳定的网络结构作为支撑，因而不适应对于能量、体积和计算能力都受限制且动态性强的无线传感网络。

2 无线传感网络中时钟同步的基本概念

2.1 相关定义

要分析时钟偏差，需给出如下定义。
　　(1)时间：Cp（t）表示网络节点p的时间，当Cp（t）=t，表示p的时间与标准时间同步。
　　(2)震荡频率：时钟所拥有的震荡频率，在t时刻p节点的时钟频率为Cp（t）′。
　　(3)时钟偏差：表示某时钟与标准时钟的偏差，Cp（t）-t。两个不同节点p和l的时钟在t时刻的偏差可表示为Offset＝Cp（t）-Cl（t）。
　　(4)频率偏差：表示某时钟和标准时钟的频率偏差。两个不同时钟的Skew=Cp（t）′-Cl（t）′。

如果频率偏差限制在ρ，标准时钟频率为1，则时钟频率将在(1-ρ，1+ρ)中变化。快慢时钟与标准时钟的比较如图1所示。

(5)时钟偏移：表示时钟函数的二阶倒数Cp（t）″，两个不同时钟的Drift=Cp（t）″-Cl（t）″。
　　
　　从图1中可以发现，即使时钟在开始是同步的，经过一段时间后，由于时钟频率的不同而不断积累的时钟偏差将越来越明显。

2.2 网络延时分析

网络传输总会产生消息延时，因此一个节点的时间戳在到达对方节点时已不能代表自身的时间。这就需要对网络延时作充分的分析，确定延时带来的误差来源。无线传感网中消息发生延时的环节很多，其中主要存在于发送时间、访问时间、传送时间、广播时间、收到时间、接收时间、中断处理时间、编码时间和解码时间。其中每个环节都可能带来延时误差，对误差充分、准确的估计才能设计出精确度高、负载低的时钟同步算法。

3 无线传感网时钟同步协议分析

Jeremy Elson和Kay Romer在2002年8月的HotNets-I国际会议上率先提出并阐述了无线传感网中时钟同步机制的研究课题，在传感网络研究领域引起了关注。目前提出的基本同步机制有RBS、TPSN和DMTS等，同时新的算法仍在不断涌现，如TINY/MINI-SYNC和FTSP等。

3.1 RBS时钟同步协议

RBS(Reference Broadcast Synchronization)参考广播时钟同步协议是利用无线链路层广播信道的特点，一个节点发送广播消息，认为在同一广播域的其他节点同时收到广播消息，并记录该点的时间戳，之后接收节点通过消息交换它们的时间戳，通过比较和计算，达到高度精确时钟同步。时钟同步协议的关键路径如图2所示。对于传统的时钟同步协议关键路径是指从发送端读取时钟到接收端读取时钟所经过的时间，其中包含了信息包在进入信道之前在网络适配器(NIC)内的停留时间，如图2 (a)所示。而RBS的关键路径指从信息包进入信道到最后一个接收端读取时钟所经过的时间，消除了发送和访问时间，从而提高了精度，这也是RBS的优点所在，从图2可以看出RBS协议和传统的基于发送/接收方式的时钟同步协议在影响非决定性误差上有着明显的差异。

在RBS时钟同步协议中为了对网络上可能出现的非确定性延时作相应的补偿，采用了多次发包求平均值的方案。RBS的时间偏差为：
　　　　
　　其中，i，j代表不同节点。K为数据包的序列号，m表示最大次数。

RBS的另一个特色是无本地时钟校正，把计算出来的时钟偏差和频率偏差值保存在一张表中，当其他节点读本地时间时，本地节点将会查询该表翻译出正确的时间。这主要是从减少能量消耗的角度考虑。此