無線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型時間同步技術(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)時間同步。FFSP是對DMTS的改進，具體不同在于：
(1)FTSP降低了時延的不確定性，將其分為發(fā)送中斷處理時延、編碼時延、傳播時延、解碼時延、字節(jié)對齊時延和接收中斷處理時延。
(2)類似于RBS，F(xiàn)TSP可通過發(fā)送多個信令包，接收節(jié)點通過最小方差線性擬合計算出發(fā)送者與接收者之間的初始相位差和頻率差。
(3)FTSP根據(jù)一定時間范圍內(nèi)節(jié)點時鐘晶振頻率穩(wěn)定原則，得出各節(jié)點問時鐘偏移量與時間成線性關(guān)系，利用線性回歸的方法通過節(jié)點周期性發(fā)送同步廣播使得接收節(jié)點得到多個數(shù)據(jù)對構(gòu)造回歸直線，而且在誤差允許的時間間隔內(nèi)，節(jié)點可通過計算得出某一時間節(jié)點間時鐘偏移量，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節(jié)點失效、新節(jié)點加入等引起的拓撲結(jié)構(gòu)變化時根節(jié)點選舉策略，從而提高了系統(tǒng)的容錯性和健壯性。
FTSP通過在MAC層打時間戳和利用線性回歸的方法估計位偏移量，降低了時延的不確定性，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)時間同步。
該算法是在成對同步的基礎(chǔ)上進行了改進，具體包括兩種同步方式：第一種是集中式，首先構(gòu)建一個低深度的生成樹，以根節(jié)點作為參考節(jié)點，為節(jié)省系統(tǒng)有限能量，按邊進行成對同步，根節(jié)點與其下一層的葉子節(jié)點成對同步，葉子節(jié)點再與其下一層的孩子節(jié)點成對同步，直到所有節(jié)點完成同步，因為同步時間和同步精度誤差與生成樹的深度有關(guān)，所以深度越小，同步時間越短，同步精度誤差越小；第二種是分布式，當節(jié)點i需要同步時，發(fā)送同步請求給最近的參考節(jié)點，此方式中沒有利用生成樹，按已有的路由機制尋找參考點。在節(jié)點i與參考節(jié)點路徑上的所有節(jié)點都被動地與參考節(jié)點同步，已同步節(jié)點不需要再發(fā)出同步請求，減少了同步請求的數(shù)量。為避免相鄰節(jié)點發(fā)出的同步請求重復，節(jié)點i在發(fā)送同步請求時詢問相鄰節(jié)點是否也需同步，將同步請求聚合，減少了同步請求的數(shù)目和不必要的重復。
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，簡化了計算復雜度，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時間同步。該算法的前提是假設(shè)每個時鐘可近似為一個頻率固定的晶振，則兩個時鐘C1(t)，C2(t)滿足如下線性關(guān)系
C1(t)=a12C2(t)+b12 (6)
其中，a12是兩時鐘的相對漂移；b12是兩時鐘的相對偏移。
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(jié)點收到探測信息后立即返回消息，具體如下：節(jié)點i在本地時刻t0發(fā)送一個探測消息給節(jié)點j，節(jié)點j收到消息后記錄本地時間tb并立即返回消息，節(jié)點i接收到消息后記錄本地時間tr。(t0，tb，tr)叫做數(shù)據(jù)點，節(jié)點i多次發(fā)送探測消息，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，但用所有點計算運算量過大，Tiny-sync則是每次獲得新數(shù)據(jù)點后與先前的進行比較，誤差小于先前的誤差時才采用新數(shù)據(jù)點，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。
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 時間同步算法性能對比分析
2．1 時間同步算法的性能評價指標
根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身資源有限、節(jié)點成本低、功耗低、自組織網(wǎng)絡(luò)等特點，應(yīng)從以下幾點考慮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步算法。
(1)能耗。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身節(jié)點能量有限，其時間同步算法應(yīng)保證在精度有效的前提下實現(xiàn)低能耗。
(2)可擴展性。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點數(shù)目增減靈活，時間同步算法應(yīng)滿足節(jié)點數(shù)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線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點無法正常工作，退出網(wǎng)絡(luò)，所以時間同步算法應(yīng)具有較強魯棒性，保證通信暢通。
(4)同步壽命。是指節(jié)點間達到同步后一直保持同步的時間。同步壽命越短，節(jié)點就需要在較短時間內(nèi)再同步，消耗的能量就越高。時間同步需要同步壽命較長的算法。
(5)同步消耗時間。是指節(jié)點從開始同步到完成同步所需的同步。同步消耗時間越長，所需的通信量、計算量和網(wǎng)絡(luò)開銷就越大，能耗也越高。
(6)同步間隔。是指節(jié)點同步壽命的結(jié)束到下一次同步開始所間隔的時間。同步間隔越長，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)量級的同步精度，有的時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；局部同步較易實現(xiàn)。權(quán)衡整個系統(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)點的體積、大小、成本，時間同步算法會受到傳感器節(jié)點硬件的限制，只有依賴硬件的條件，才能設(shè)計出滿足應(yīng)用需求的時間同步算法。
2．2 時間同步算法性能對比分析
經(jīng)過在Mica2節(jié)點上的對比實驗，根據(jù)這些指標對以上的時間同步算法進行比較分析。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，時間同步技術(shù)可以向以下幾方面發(fā)展：
(1)節(jié)點移動導致的拓撲結(jié)構(gòu)可變。目前，大部分無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都認為拓撲結(jié)構(gòu)固定，沒有考慮到節(jié)點的移動性，但節(jié)點自身移動也可以將時間信息帶到另一個地方。
(2)依賴于節(jié)點的硬件條件，時間同步算法應(yīng)在滿足應(yīng)用需求的條件下盡可能地減少能量消耗，達到最優(yōu)效率。
時間同步是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個重要支撐技術(shù)，仍需要研究人員的不斷探索和發(fā)現(xiàn)。
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