无线传感器网络中基于时钟漂移补偿的时间同步技术无线传感器网络中基于时钟漂移补偿的时间同步技术.pdf

总第32卷 第2期 mJ-ju-i频 率 学 报 Vo1．32No．2 2009年 12月 JournalofTimeandFrequency Dee．，2009 无线传感器网络中基于时钟 漂移补偿~~ju-,f间同步技术 刘迪忻 (北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100191) 摘要：在分析和总结现有时间同步算法的特点及其存在问题的基础上，提出了一种在无线传 感器网络的时间同步协议 (TPSN)中同时考虑节点时钟偏移和频率漂移率的改进算法。该算 法利用连续两次同步过程中所记录的时间信息来估算节点时钟的偏移和频率漂移率，并进行 补偿。同传统算法相比，此算法通讯成本较低、精度较高。最后通过数学分析和仿真的方法 对所提出的改进算法进行了验证。 关 键 词 ：时间同步；无线传感器网络；时钟漂移率 中图分类号：P127．1 文献标识码：A 文章编号：1674—0637(2009)02—0120—09 对于像无线传感器网络这样的分布式系统来说，时间同步技术是必不可少的。事实上，在分布 式系统中，各个节点都有 自己的本地时钟，温度的变化以及理化环境的不同都会使各节点的时钟频 率产生漂移。即使各节点在某一时刻达到时间同步，长时间工作之后，由于频率漂移，节点的时钟 也会累积产生一定的时钟偏移，从而与参考节点的时钟不一致。因此需要有 良好的时间同步机制来 保证各节点与参考节点之间的时钟同步。特别在传感器网络中，时分多址技术 (TDMA)和多节点的 数据融合技术 ，都需要 良好的时间同步机制的支持。 另外，在传感器网络中，单个节点体积小、造价低，携带的电池能量有限，并且节点是随机部 署的，许多区域人员无法到达，因此通过更换电池来维持节点正常工作是不切合实际的。一般来说， 传感器网络的生命周期很大程度上依赖于节点电池能量。由于这些能量上的限制，一些传统的时间 同步方法如GPS系统、网络时间协议 (NTP)就不再适用于传感器网络这样能量有限的分布式系统Ⅲ。 因此，适合于无线传感器网络的时间同步技术就成为了传感器网络领域一个新的研究热点。 在时间同步算法中，如何在保证时钟精度 的前提下尽量减少执行的次数从而减小能量消耗 ，是 传感器网络中时间同步技术所面临的主要问题。本文先简单讨论当前主流时间同步协议，并指出其 不足之处。然后估算出节点时钟的频率漂移率和时钟偏移，并进行补偿，进而提出一种高效的时间 同步方法，最后对该方法进行了分析以及仿真验证 ，获得了预期的效果。 当前研究现状及存在问题 自从Elson和 Romer口首次提出并阐述了无线传感器网络中的时间同步的研究课题以来，这一课 收稿 日期 ：2008—08—20 作者简介 ：刘迪忻，男，主要从事传感器网络领域的研究工作。 第 2期 刘迪忻：无线传感器网络中基于时钟漂移补偿的时间同步技术 121 题在传感器网络研究领域中引起了极大的关注。许多大学和科研机构都参与到这个领域的研究当中， 也提出了多种时间同步机制。这些机制主要可分为基于 “发送 ／接收”的协议和基于 “接收 ／接收”的 协议 。比较典型的有 RBS(referencebroadcastsynchronization) ，FTSP (floodingtimesynchronization protoco1) ，TPSN (time—syncprotocolforsensornetworks)[41，LTS(1ightweighttimesynchronization) 和TS／MS(tini—sync／mini—sync)[61a其中，RBS和 FTSP属于 “接收／接收”协议 ，TPSN，LTS和TS／MS 属于 “发送 ／接收”协议 。 下面简单分析一下上述各种协议 。 1．1 “发送／接收 ”协议的原理 在 “发送 ／接收”协议中，一个节点 (接收方 )和另一个节点 (发送方)通过交换数据报文 (message)， 以达到接收方与发送方的时钟同步。如