簡論無線傳感網(wǎng)絡(luò)時間同步的問題

引言

　　想要在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中很好地保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，非常重要的一點就是保持節(jié)點之間時間上的同步。目前因特網(wǎng)上采用時間同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是NTP協(xié)議，采用有線傳輸，不適合用于功耗、成本受限制的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中。GPS系統(tǒng)也可以提供高精度的時間同步，但它的信號穿透性差，GPS天線
天線

　　天線的基本功能是輻射和接收無線電波。發(fā)射時，把高頻電流轉(zhuǎn)換為電磁波；接收時，把電磁波轉(zhuǎn)換為高頻電流。天線的一般原理是：當(dāng)導(dǎo)體上通以高頻電流時，在其周圍空間會產(chǎn)生電場與磁場。按電磁場在空間的分布特性，可分為近區(qū)、中間區(qū)、遠(yuǎn)區(qū)。設(shè)R為空間一點到導(dǎo)體的距離，是高頻電流信號的波長，在R＜λ／2π時的區(qū)域稱近區(qū)，在該區(qū)內(nèi)的電磁場與導(dǎo)體中電流、電壓有緊密的聯(lián)系；在R＞A／2π的區(qū)域稱為遠(yuǎn)區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)電磁場能離開導(dǎo)體向空間傳播，它的變化相對于導(dǎo)體上的電流、電壓就要滯后一段時間，此時傳播出去的電磁波已不與導(dǎo)線上的電流、電壓有直接的聯(lián)系了，這區(qū)域的電磁場稱為輻射場。 [全文]

必須安裝在空曠的地方，功耗也較大，所以不適合無線傳感網(wǎng)絡(luò)。

　　ElsON等人2002年首次提出無線傳感器
傳感器

　　凡是利用一定的物性（物理、化學(xué)、生物）法則、定理、定律、效應(yīng)等把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號的器件。傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測量的信號”。按照Gopel等的說法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理(模擬或數(shù)字)能力的系統(tǒng)”。傳感器是傳感系統(tǒng)的一個組成部分，它是被測量信號輸入的第一道關(guān)口。 [全文]

網(wǎng)絡(luò)時間同步的研究課題以來，已有相當(dāng)多的典型時間同步算法，主要可以分為以下幾類：基于發(fā)送者-接收者的雙向同步算法，典型算法如TPSN算法；基于發(fā)送者-接收者的單向時間同步算法，典型算法如FTSP算法、DMTS算法；基于接收者-接收者的同步算法，典型算法有RBS算法。

　　近年來根據(jù)以上幾種典型同步算法，還有人提出了分簇式的層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)算法，以及結(jié)合生成樹等來提高整個網(wǎng)絡(luò)的性能，如LTS算法、CHTS算法、CRIT算法、PBS算法、 HRTS 算法、BTS算法、ETSP算法等。

　　然而，無論以上同步算法怎樣發(fā)展，精度如何提高，整個網(wǎng)絡(luò)功耗怎樣降低，都是基于單跳時間同步機制。隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)的運用與發(fā)展，傳感節(jié)點體積不斷縮小，單跳距離變小，整體網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變大，同步誤差的累積現(xiàn)象必將越來越嚴(yán)重。目前也有比較新的同步算法，試圖盡量避開單跳累加來解決這些問題，如協(xié)作同步。

　　1 時間同步

　　1.1 時間同步不確定性的影響因素

　　時間同步不確定性的主要的影響因素如圖1所示。

圖1 報文傳輸延遲

　　發(fā)送時間：發(fā)送方用于構(gòu)造分組并將分組轉(zhuǎn)交給發(fā)送方的MAC層的時間。主要取決于時間同步程序的操作系統(tǒng)調(diào)用時間和處理器負(fù)載等。

　　訪問時間：分組到達MAC層后，獲取信道發(fā)送權(quán)的時間。主要取決于共享信道的競爭、當(dāng)前的負(fù)載等。

　　傳送時間：發(fā)送分組的時間，主要取決于報文的長度等。

　　傳播時間：分組離開發(fā)送方后，并將分組傳輸?shù)浇邮辗街g的無線傳輸時間。主要取決于傳輸介質(zhì)、傳輸距離等。

　　接收時間：接收端接收到分組，并將分組傳送到MAC層所需的時間。

　　接受時間：處理接收到分組的時間。主要受到操作系統(tǒng)的影響。