一種基于Ad hoc網(wǎng)絡(luò)測距的時鐘同步協(xié)議
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同所有的分布式系統(tǒng)一樣，時鐘同步也是Ad hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究中的一個關(guān)鍵問題。因為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點內(nèi)部的硬件時鐘具有一定的誤差，所以節(jié)點的本地時間會存在偏差。然而，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的許多應(yīng)用需要全網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點或一定范圍內(nèi)的部分節(jié)點具有高度的時間一致性，因此Ad hoc網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)行時鐘同步?，F(xiàn)有的有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)上的時鐘同步協(xié)議并不能完全滿足Ad hoc網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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)的時鐘同步方法。
1 相關(guān)研究
1.1 有線網(wǎng)絡(luò)上的時鐘同步方法
傳統(tǒng)的時鐘同步方法中最典型的是利用GPS (Global Position System)或NTP[1]協(xié)議實現(xiàn)設(shè)備間的同步。Ad hoc網(wǎng)絡(luò),尤其是傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點,必須考慮移動終端的成本代價。GPS裝置價格昂貴，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(yīng)用中，利用GPS來獲得無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時鐘同步是極不可靠的。因此，在眾多Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中利用GPS獲得時鐘同步是不可取的。
NTP協(xié)議假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中2個節(jié)點的時間請求、回復(fù)報文具有相同的時延，由于Ad hoc網(wǎng)絡(luò)多跳的無線環(huán)境存在非對稱鏈路、前向鏈路和反向鏈路，這些鏈路往往具有不同的時延，因此NTP協(xié)議不適合直接應(yīng)用于Ad hoc網(wǎng)絡(luò)；另外，NTP協(xié)議需要在網(wǎng)絡(luò)中配置時間服務(wù)器，Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是一種移動自組織網(wǎng)絡(luò)，沒有中心節(jié)點，這也導(dǎo)致了NTP協(xié)議無法直接應(yīng)用于Ad hoc的網(wǎng)絡(luò)時鐘同步。
1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上的時鐘同步協(xié)議
參考文獻(xiàn)[2]提出了一種適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的參考廣播時鐘同步協(xié)議(RBS)，該協(xié)議利用了“第三方”的廣播時鐘同步信息來完成2個單跳節(jié)點的時鐘同步。其基本思路是：在廣播域內(nèi)周期性地廣播1個數(shù)據(jù)分組(不必做時間標(biāo)記)，所有接收到這個數(shù)據(jù)分組的接收方對該數(shù)據(jù)分組做時間標(biāo)記。所有接收方互相交換它們的時間標(biāo)記，并以此獲得鄰近節(jié)點的時鐘。重復(fù)以上過程，所有節(jié)點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(jié)點都不調(diào)整它們的本地時鐘，但要為每個鄰近節(jié)點建立一個調(diào)整時鐘所需要的參數(shù)表。仿真結(jié)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(yīng)用于單跳范圍內(nèi)節(jié)點間的時鐘同步,將RBS協(xié)議擴(kuò)展到多跳是該協(xié)議能否應(yīng)用于Ad 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)的時鐘同步協(xié)議，該協(xié)議的目標(biāo)是全網(wǎng)時鐘同步。TPSN包括兩個階段，第一階段是拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)階段，或稱為全網(wǎng)絡(luò)同步階段，目的是要建立一個分級的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，其本質(zhì)就是建立生成樹。如果根節(jié)點能訪問一個外部的高精度時鐘，那么網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都與這個高精度的時鐘同步。第二階段為比對同步階段，由時鐘參考節(jié)點周期性地廣播一個同步標(biāo)志發(fā)起，等級為1的節(jié)點接收到標(biāo)志后即和時鐘參考節(jié)點同步，同步策略采用類似NTP的“two-way message exchange”，隨后同步依照節(jié)點等級向外擴(kuò)散，每個等級為i的節(jié)點向等級為i-1的節(jié)點同步，最后完成全網(wǎng)節(jié)點與時鐘參考節(jié)點的同步。
從直觀上來看，RBS只引入了傳播時延和接收時延，應(yīng)該具有更高的精度，但在參考文獻(xiàn)[4]的實驗環(huán)境下，發(fā)送時延和接入時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(jié)點的時鐘同步需要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(shù)據(jù)容易發(fā)生沖突的無線信道來說,具有更好的可擴(kuò)展性。
2 基于Ad hoc網(wǎng)絡(luò)測距的時鐘同步方法
2.1 雙向傳播時延的計算方法
參考有線網(wǎng)絡(luò)上的DOCSIS規(guī)范[5]對測距過程的描述，本文提出一種基于時鐘相對同步概念的可應(yīng)用于Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的計算雙向傳播時延的方法。
Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的測距過程分為兩個部分：初始測距和周期性測距。初始測距又分為初始維護(hù)(initial maintain)和站維護(hù)(station maintain)。在初始測距過程中，鄰近子層設(shè)備節(jié)點要獲取準(zhǔn)確的定時偏移，即基準(zhǔn)時鐘同步信號的發(fā)送方(主時鐘節(jié)點)與某一特定的接收方(從時鐘節(jié)點)之間傳輸數(shù)據(jù)的雙向傳播時延(RTD)。從時鐘節(jié)點根據(jù)RTD提前發(fā)送數(shù)據(jù)的時間以補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時延,使不同的從時鐘節(jié)點所發(fā)送的數(shù)據(jù)到達(dá)主時鐘節(jié)點的時間與主時鐘節(jié)點在帶寬分配報文(MAP)中要求的時間對齊。帶寬分配報文是主時鐘節(jié)點向從時鐘節(jié)點發(fā)送的。雙向傳播時延的計算過程如圖1所示[6]。
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