無線傳感網(wǎng)絡(luò)時間同步研究進(jìn)展與分析
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1．2．2 RBS算法分析
RBS算法是基于接收者一接收者的同步算法。首先參考節(jié)點廣播一個參考分組，當(dāng)同步節(jié)點A收到這個分組，記下自己的本地時鐘為T21，當(dāng)同步節(jié)點B收到這個分組時，也記下自己的本地時鐘為T22，然后同步節(jié)點A與同步節(jié)點B交換本地時鐘T21與T22，這時其中一個節(jié)點只要根據(jù)時間差值m=T21-T22，修改自己的時鐘就能達(dá)到與另一個節(jié)點之間的同步。在多跳網(wǎng)絡(luò)中，RBS算法采用多次廣播同步消息，接收節(jié)點根據(jù)接收到同步消息的平均值，同時采用最小平方線性回歸方法進(jìn)行線性擬合以減小同步誤差。
1．2．3 DMTS算法分析
DMTS算法是基于發(fā)送者一接收者的單向時間同步算法。當(dāng)發(fā)送節(jié)點在檢測到通道空閑時，給廣播分組加上時間戳t0，從而排除了發(fā)送節(jié)點的處理延遲與MAC層的訪問延遲。并假設(shè)發(fā)送報文的長度為NA個比特(包括前導(dǎo)碼與同步字)，傳送每個比特的時間為t，而接收者在接收完同步字后，記錄下此時的本地時間為t1，并在調(diào)整自己的本地時間記錄之前記錄下此時的時刻t2，這時接收節(jié)點為了與發(fā)送節(jié)點達(dá)到時間上的同步，可以調(diào)整接收節(jié)點的時間改為t0+t·NA+(t2-t1)。
從參考文獻(xiàn)中，可以看出，文章作者在加州大學(xué)伯克利分校的Mica節(jié)點上測試過，TPSN平均單跳誤差為17．61μs，DMTS平均單跳誤差為30μs，RBS平均單跳誤差為6．29μs，TPSN平均4跳誤差為21．43μs，DMTS平均單跳誤差為151μs，RBS平均4跳誤差為9．97μS。
1．2．4 其他算法分析
LTS協(xié)議是基于發(fā)送～接收同步機(jī)制發(fā)展而來，提出了集中式和分布式LTS多跳時間同步算法。LTS協(xié)議首先把網(wǎng)絡(luò)組成廣度優(yōu)先生成樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并沿著樹的每條邊進(jìn)行單跳成對同步。參考節(jié)點的子節(jié)點同步完成后，又以該節(jié)點為參考節(jié)點，采用同樣方式繼續(xù)同步下去，直到同步完成。
單跳成對同步采用TPSN同步方法。成對同步的次數(shù)是邊數(shù)的線性函數(shù)。Hui Dui等人提出來的HRTS利用了廣播的特性，只需要一次同步過程可以完成一個單跳組網(wǎng)所有節(jié)點的同步，進(jìn)一步降低了LTS協(xié)議的功耗。HRTS算法不再采用廣度優(yōu)先生成樹的邊，采用的是廣度優(yōu)先生成樹非葉子節(jié)點個數(shù)的線性函數(shù)。相較于LTS協(xié)議，HRTS算法以犧牲一定的精確來降低了整個網(wǎng)絡(luò)的功耗。
BTS同步方法類似于HRTS算法，也是先建立廣度優(yōu)先成生樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只不過BTS采用的是時間轉(zhuǎn)換技術(shù)，以達(dá)到整個網(wǎng)絡(luò)的時間同步，而HRTS直接對同步節(jié)點的本地時間進(jìn)行修改，得到全網(wǎng)的同步，同步報文個數(shù)降為HRTS協(xié)議的2／3。
PBS同步算法的思想是參考節(jié)點與簇首節(jié)點之間采用雙向同步方法，與TPSN相似，其他節(jié)點(在兩個節(jié)點的通信范圍內(nèi))可以偵聽到同步消息，就可以根據(jù)接收者一接收者同步方法同步。類似于RBS同步，PBS同步的前提是每個同步節(jié)點必須在簇首節(jié)點的通信范圍之內(nèi)。
ETSP算法主要采用的是設(shè)置門檻值N來選擇同步算法，當(dāng)父節(jié)點的子節(jié)點小于或等于N時，采用接收-接收(RBS)同步模式，否則采用發(fā)送-接收(TPSN)同步模式。N值的選擇采用
來計算，式中m=Rx/Tx，Rx為節(jié)點的接收次數(shù)，Tx為傳播次數(shù)。FTSP同步算法精度高的原因是，發(fā)送者在發(fā)送一個同步請求報文時連續(xù)標(biāo)記了多個時間戳，接收者可以根據(jù)這幾個中斷時間計算出更精確的時間偏差。
1．2．5 協(xié)作同步技術(shù)
以上同步機(jī)制，無論怎樣改進(jìn)都是基于單跳同步基制，最近有人提出了協(xié)作同步技術(shù)，不再單純地從單跳同步機(jī)制上進(jìn)行改進(jìn)，而是通過信號疊加原理，使同步基準(zhǔn)節(jié)點能夠把同步消息直接發(fā)送到遠(yuǎn)方待同步的節(jié)點，使遠(yuǎn)方節(jié)點直接與基準(zhǔn)節(jié)點同步，消除了同步誤差單跳累加的結(jié)果。Hu A等人針對節(jié)點密度較高的網(wǎng)絡(luò)提出了一種協(xié)作同步算法，基本思想是參考節(jié)點根據(jù)同步周期發(fā)出m個同步脈沖，其一跳鄰居節(jié)點收到這個消息后保存起來，并根據(jù)最近的m個脈沖的發(fā)送時刻計算出參考節(jié)點的第m+1個同步消息發(fā)出的時間，并在計算出來的時刻同步與參考節(jié)點同時發(fā)送第m+1個同步消息。由于信號疊加，因此同步脈沖可以發(fā)送到更遠(yuǎn)的節(jié)點，當(dāng)然前提是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點密度較高的情況。A．Kr-ohn等人提出了在物理層上面實現(xiàn)協(xié)作同步，只需要本地消息，避免了額外的消息同步交換開銷。參考文獻(xiàn)證實了協(xié)作同步誤差的方差與節(jié)點密度呈反比關(guān)系。因此節(jié)點密度越高同步誤差也會越小。
2 時間同步算法誤差分析與比較
根據(jù)節(jié)點消息傳輸過程可以得到式(1)與式(2)：
在式(1)、(2)中，t1、t2是由標(biāo)準(zhǔn)時鐘所確定的，表示UTC時間。T1、T2分別是t1、t2所對應(yīng)的本地節(jié)點所測出的本地時間。SA代表節(jié)點A的報文發(fā)送時問，AA是發(fā)送報文的訪問時間，TA→B是A節(jié)點按比特傳輸報文與B節(jié)點按比特接收報文所需要的時間，PA→B是節(jié)點A傳播到節(jié)點B的時間。RB是節(jié)點B的報文接收處理過程時間。TN是傳輸NA個比特的總時間。Terror指傳輸比特的誤差，Rerror打時標(biāo)過程存在的誤差。
代表節(jié)點A與節(jié)點B在t1時刻的時偏。
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