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无线传感器网络时间同步技术

一、提纲

v引言

v时间同步技术的分类

v时间同步协议

v小结

9-1引言

无线传感网络是一种基于信息监测与获取的分布式无线网

络体系，是一门新兴的前沿计术。及时的开展无线传感器网

络节点及其关键技术的研究，将极大推动无线传感器网络和

节点技术的国产化研究，为中国提供具有自主知识产权的高

科技产品。对我国社会、经济的发展具有重大的战略意义，

也将对人类未来生活产生深远的影响。

时间同步是无线传感器网络的重要支撑技术之一，基于传

感器网络的应用，如：目标追踪、协同休眠、定位、协同数

据采集、时分多址、数据整合等都需要网络中节点的时钟保

持同步。在目标追踪应用中，每个传感器节点可能只观测到

目标返回的信号强度，并不能得到目标的位置、速度和前进

方向等信息，需要多个传感器节点将传感到的数据发送给传

感器网络中的汇聚节点，汇聚节点在对不同传感器发送来的

数据进行处理后才能获得目标的移动方向、速度等信息，这

就要求相关的传感器节点采集的数据在时间上是相关的。无

线传感器网络中的多数节点是无人职守的，仅携带有少量有

限的能量，为了延长网络的使用期限，网络中的节点大部分

时间处于定时休眠状态，为了能协同完成工作任务，节点必

须进行协同休眠，这也要求节点具有准确的时间同步。波束

成型阵列在确定声源的位置时，需要计算多个传感器接收到

的信号的相位差，这要深圳市接收到的数据是同步的。在无

线传感器网络的应用中，为了减少网络的通信量以降低能耗，

往往将传感器节点采集到的数据进行必要的融合处理，进行

这些处理的前提是网络中的节点具有相同的时间标准。

由于

无线传感器网络自身的能量、体积、价格、技术等方面的约

束，研究满足无线传感器网络同步精度的时间同步机制，具

有很重要的理论和实践价值。

v三种基本同步机制：RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN。

v传统网络时间同步

时间同步问题在局域网和Intemet范围内都有所研

究，像GPS和无线测距等技术已经用于提供网络的

全局同步。能够保证Interact的钟协调的复杂协议如

NTP也以及被提出来。但是，在传感器网络这个领

域里，时间同步的要求有相当大的区别。无线传感

器网络结构庞大、密度高，通常包含成千上万的传

感器节点。处理这样高密度的网络，需要能够适应

大规模的时间同步算法。同时，由于节点电池寿命

的限制，节能也是一个主要的考虑因素。

（一）、基于GPS的时间同步

v可选用的传感器网络同步方法包括全球定位系统

GPS01，这种方法可以为每个节点提供一个准确的

全局时钟。采用基于GPS的一个户外传感器网络就

是用于野生动物监视41的Zebranet。但是具有本身

的缺点，也就是要求网络必须在卫星的可视范围。

这样使得GPS不适用于户内的无限传感器网络。即

使所用网络节点都有GPS处理能力，基于GPS的方

法也能满足户外应用的要求。因为其中某些节点可

能被遮盖住，比如树叶，建筑物或山峰等。这样的

情况仍然需要一种分布式的时间同步方法才能从其

它节点那里获得精确的时钟t。

(二)、网络时间协议

v为提供网络中节点一个同步局部时钟机制的时间同

步算法已经有不少的研究。其中在Intemet中被广泛

采用的一种是由Mills提出的网络时间协议(netortime

protocol，NTP)。N11P客户端通过统计分析并计算

数据包来回时间和有服务器同步，服务器通常具有

微秒级的精度。而时间服务器则通过外部时间源进

行同步，通常是GPS。在Intemet中NTP已经广泛的

采用并证明是一种有效安全和健壮性好的协议。但

是，在无线传感器网络中，由介质传输控制层引起

的传输时间的不确定性可能造成每一个hop几百微

秒的网络延迟。因此，缺乏更好的适应性，NTP只

能用于某些对精度要求低的无线传感器网络。

9-2时间同步技术的分类

v排序、相对同步与绝对同步

™递进关系

v排序只能区分事件发生的先后

v相对同步：维持本地时钟的运行，定期获取其他节点的时钟偏