無線傳感器網(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(duì)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(jié)對(duì)齊時(shí)延和接收中斷處理時(shí)延。
(2)類似于RBS，F(xiàn)TSP可通過發(fā)送多個(gè)信令包，接收節(jié)點(diǎn)通過最小方差線性擬合計(jì)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(jù)一定時(shí)間范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘晶振頻率穩(wěn)定原則，得出各節(jié)點(diǎn)問時(shí)鐘偏移量與時(shí)間成線性關(guān)系，利用線性回歸的方法通過節(jié)點(diǎn)周期性發(fā)送同步廣播使得接收節(jié)點(diǎn)得到多個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)構(gòu)造回歸直線，而且在誤差允許的時(shí)間間隔內(nèi)，節(jié)點(diǎn)可通過計(jì)算得出某一時(shí)間節(jié)點(diǎn)間時(shí)鐘偏移量，減少了同步廣播的次數(shù)，節(jié)省了能量。
(4)FTSP提出了一套較完整的針對(duì)節(jié)點(diǎn)失效、新節(jié)點(diǎn)加入等引起的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化時(shí)根節(jié)點(diǎn)選舉策略，從而提高了系統(tǒng)的容錯(cuò)性和健壯性。
FTSP通過在MAC層打時(shí)間戳和利用線性回歸的方法估計(jì)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(duì)機(jī)制的發(fā)送者與接收者之間的輕量級(jí)全網(wǎng)時(shí)間同步。
該算法是在成對(duì)同步的基礎(chǔ)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(gòu)建一個(gè)低深度的生成樹，以根節(jié)點(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)，為節(jié)省系統(tǒng)有限能量，按邊進(jìn)行成對(duì)同步，根節(jié)點(diǎn)與其下一層的葉子節(jié)點(diǎn)成對(duì)同步，葉子節(jié)點(diǎn)再與其下一層的孩子節(jié)點(diǎn)成對(duì)同步，直到所有節(jié)點(diǎn)完成同步，因?yàn)橥綍r(shí)間和同步精度誤差與生成樹的深度有關(guān)，所以深度越小，同步時(shí)間越短，同步精度誤差越?。坏诙N是分布式，當(dāng)節(jié)點(diǎn)i需要同步時(shí)，發(fā)送同步請(qǐng)求給最近的參考節(jié)點(diǎn)，此方式中沒有利用生成樹，按已有的路由機(jī)制尋找參考點(diǎn)。在節(jié)點(diǎn)i與參考節(jié)點(diǎn)路徑上的所有節(jié)點(diǎn)都被動(dòng)地與參考節(jié)點(diǎn)同步，已同步節(jié)點(diǎn)不需要再發(fā)出同步請(qǐng)求，減少了同步請(qǐng)求的數(shù)量。為避免相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)出的同步請(qǐng)求重復(fù)，節(jié)點(diǎn)i在發(fā)送同步請(qǐng)求時(shí)詢問相鄰節(jié)點(diǎn)是否也需同步，將同步請(qǐng)求聚合，減少了同步請(qǐng)求的數(shù)目和不必要的重復(fù)。
LTS根據(jù)不同的應(yīng)用需求在可行的同步精度下降低了成本，簡(jiǎn)化了計(jì)算復(fù)雜度，節(jié)省了系統(tǒng)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(jí)時(shí)間同步。該算法的前提是假設(shè)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)滿足如下線性關(guān)系
C1(t)=a12C2(t)+b12 (6)
其中，a12是兩時(shí)鐘的相對(duì)漂移；b12是兩時(shí)鐘的相對(duì)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(cè)信息，探測(cè)信息與以往的同步請(qǐng)求不同，接收節(jié)點(diǎn)收到探測(cè)信息后立即返回消息，具體如下：節(jié)點(diǎn)i在本地時(shí)刻t0發(fā)送一個(gè)探測(cè)消息給節(jié)點(diǎn)j，節(jié)點(diǎn)j收到消息后記錄本地時(shí)間tb并立即返回消息，節(jié)點(diǎn)i接收到消息后記錄本地時(shí)間tr。(t0，tb，tr)叫做數(shù)據(jù)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)i多次發(fā)送探測(cè)消息，并根據(jù)式(6)用線性規(guī)劃的原則得到a12和b12的最優(yōu)估計(jì)，但用所有點(diǎn)計(jì)算運(yùn)算量過大，Tiny-sync則是每次獲得新數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)點(diǎn)。
Tiny-sync和Mini-sync為滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低能耗的要求，交換少量信息，利用夾逼準(zhǔn)則和線性規(guī)劃估算頻偏和相偏，提高了同步精度，降低了通信開銷。
2 時(shí)間同步算法性能對(duì)比分析
2．1 時(shí)間同步算法的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)
根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身資源有限、節(jié)點(diǎn)成本低、功耗低、自組織網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn)，應(yīng)從以下幾點(diǎn)考慮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步算法。
(1)能耗。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身節(jié)點(diǎn)能量有限，其時(shí)間同步算法應(yīng)保證在精度有效的前提下實(shí)現(xiàn)低能耗。
(2)可擴(kuò)展性。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)數(shù)目增減靈活，時(shí)間同步算法應(yīng)滿足節(jié)點(diǎn)數(shù)目增減和密度變化，具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。
(3)魯棒性。由于環(huán)境、能量等其它因素容易導(dǎo)致無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)無法正常工作，退出網(wǎng)絡(luò)，所以時(shí)間同步算法應(yīng)具有較強(qiáng)魯棒性，保證通信暢通。
(4)同步壽命。是指節(jié)點(diǎn)間達(dá)到同步后一直保持同步的時(shí)間。同步壽命越短，節(jié)點(diǎn)就需要在較短時(shí)間內(nèi)再同步，消耗的能量就越高。時(shí)間同步需要同步壽命較長(zhǎng)的算法。
(5)同步消耗時(shí)間。是指節(jié)點(diǎn)從開始同步到完成同步所需的同步。同步消耗時(shí)間越長(zhǎng)，所需的通信量、計(jì)算量和網(wǎng)絡(luò)開銷就越大，能耗也越高。
(6)同步間隔。是指節(jié)點(diǎn)同步壽命的結(jié)束到下一次同步開始所間隔的時(shí)間。同步間隔越長(zhǎng)，同步開銷就越小，能耗越低。
(7)同步精度。不同的應(yīng)用要求不同數(shù)量級(jí)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(jí)。
(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(fèi)用高；局部同步較易實(shí)現(xiàn)。權(quán)衡整個(gè)系統(tǒng)的功能應(yīng)用及能耗開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(jié)點(diǎn)的體積、大小、成本，時(shí)間同步算法會(huì)受到傳感器節(jié)點(diǎn)硬件的限制，只有依賴硬件的條件，才能設(shè)計(jì)出滿足應(yīng)用需求的時(shí)間同步算法。
2．2 時(shí)間同步算法性能對(duì)比分析
經(jīng)過在Mica2節(jié)點(diǎn)上的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，根據(jù)這些指標(biāo)對(duì)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://butianyuan.cn/article/160989.htm
3 結(jié)束語
隨著大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，時(shí)間同步技術(shù)可以向以下幾方面發(fā)展：
(1)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)導(dǎo)致的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可變。目前，大部分無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都認(rèn)為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)固定，沒有考慮到節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性，但節(jié)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)依賴于節(jié)點(diǎn)的硬件條件，時(shí)間同步算法應(yīng)在滿足應(yīng)用需求的條件下盡可能地減少能量消耗，達(dá)到最優(yōu)效率。
時(shí)間同步是無線傳感器網(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(xiàn)。
評(píng)論