无线传感器网络原理及应用第6章-时间同步技术课件.ppt

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1、第6章 时间同步技术 第6章 时间同步技术 6.1 无线传感器网络的时间同步机制无线传感器网络的时间同步机制 6.2 现有时间同步技术分析现有时间同步技术分析 6.3 时间同步算法设计时间同步算法设计 6.4 小结小结 第6章 时间同步技术 6.1 无线传感器网络的时间同步机制无线传感器网络的时间同步机制6.1.1 影响无线传感器网络时间同步的关键因素影响无线传感器网络时间同步的关键因素准确地估计消息包的传输延迟，通过偏移补偿或漂移补偿的方法对时钟进行修正，是无线传感器网络中实现时间同步的关键。目前绝大多数的时间同步算法都是对时钟偏移进行补偿，由于对漂移进行补偿的精度相对较高且比较难实现，所以

2、对漂移进行补偿的算法相对少一些。在无线传感器网络中，为了完成节点间的时间同步，消息包的传输是必须的。为了更好地分析包传输中的误差，可将消息包收发的时延分为以下六个部分。第6章 时间同步技术(1)发送时间(Send Time)：发送节点构造一条消息和发布发送请求到MAC层所需的时间，包括内核协议处理、上下文切换时间、中断处理时间和缓冲时间等，它取决于系统调用开销和处理器当前负载，可能高达几百毫秒。(2)访问时间(Access Time)：消息等待传输信道空闲所需的时间，即从等待信道空闲到消息发送开始时的延迟，它是消息传递中最不确定的部分，与低层MAC协议和网络当前的负载状况密切相关。在基于竞争的

3、MAC协议如以太网中，发送节点必须等到信道空闲时才能传输数据，如果发送过程中产生冲突需要重传。无线局域网IEEE 802.11协议的RTS/CTS机制要求发送节点在数据传输之前先交换控制信息，获得对无线传输信道的使用权；TDMA协议要求发送节点必须得到分配给它的时间槽时才能发送数据。第6章 时间同步技术(3)传输时间(Transmission Time)：发送节点在无线链路的物理层按位(bit)发射消息所需的时间，该时间比较确定，取决于消息包的大小和无线发射速率。(4)传播时间(Propagation Time)：消息在发送节点到接收节点的传输介质中的传播时间，该时间仅取决于节点间的距离，与其

4、他时延相比这个时延是可以忽略的。(5)接收时间(Reception Time)：接收节点按位(bit)接收信息并传递给MAC层的时间，这个时间和传输时间相对应。(6)接收处理时间(Receive Time)：接收节点重新组装信息并传递至上层应用所需的时间，包括系统调用、上下文切换等时间，与发送时间类似。第6章 时间同步技术 第6章 时间同步技术 其中，是节点i晶振的实际频率，f0为节点晶振的标准频率，t0代表开始计时的物理时刻，代表节点i在t0时刻的时钟读数，t是真实时间变量。是构造的本地时钟，间隔被用来作为度量时间的依据。由于节点晶振频率短时间内相对稳定，因此节点时钟又可表示为(6-2)第6

5、章 时间同步技术 对于理想的时钟，有，也就是说，理想时钟的变化速率为1，但工程实践中，因为温度、压力、电源电压等外界环境的变化往往会导致晶振频率产生波动，因此，构造理想时钟比较困难，但一般情况下，晶振频率的波动幅度并非任意的，而是局限在一定的范围之内：(6-3)其中，为绝对频差上界，由制造厂家标定，一般多在1 ppm100 ppm之间，即一秒钟内会偏移1 s100 s。第6章 时间同步技术 在无线传感器网络中主要有以下三个原因导致传感器节点间时间的差异：(1)节点开始计时的初始时间不同；(2)每个节点的石英晶体可能以不同的频率跳动，引起时钟值的逐渐偏离，这个误差称为偏差误差；(3)随着时间地推

6、移，时钟老化或随着周围环境如温度的变化而导致时钟频率发生的变化，这个误差称为漂移误差。第6章 时间同步技术 第6章 时间同步技术 在时刻与时钟是同步的。上面的定义表明：两个同步的时钟不一定是准确或精确的，时间同步与时间的准确性和精度没有必然的联系，只有实现了与理想时钟(即真实的物理时间)的完全同步之后，三者才是统一的。对于大多数的传感器网络应用而言，只需要实现网络内部节点间的时间同步，这就意味着节点上实现同步的时钟可以是不精确甚至是不准确的。第6章 时间同步技术 本地时钟通常由一个计数器组成，用来记录晶体振荡器产生脉冲的个数。在本地时钟的基础上，可以构造出逻辑时钟，目的是通过对本地时钟进行一定

7、的换算以达成同步。节点的逻辑时钟是任一节点i在物理时刻t的逻辑时钟读数，可以表示为，其中为当前本地时钟读数，lai、lbi分别为频率修正系数和初始偏移修正系数。采用逻辑时钟的目的是对本地任意两个节点i和j实现同步。构造逻辑时钟有以下两种途径：一种途径是根据本地时钟与物理时钟等全局时间基准的关系进行变换。将公式(6-2)反变换可得(6-4)第6章 时间同步技术 第6章 时间同步技术 以上两种方法都估计了频率修正系数和初始偏移修正系数，精度较高；对于低精度类的应用，还可以简单地根据当前的本地时钟和物理时钟的差值或本地时钟之间的差值进行修正。一般情况下，都采用第二种方法进行时钟间的同步，其中aij和

8、bij分别称为相对漂移和相对偏移。公式(6-5)给出了两种基本的同步原理，即偏移补偿和漂移补偿。如果在某个时刻，通过一定的算法求得了bij，也就意味着在该时刻实现了时钟ci(t)和cj(t)的同步。偏移补偿同步没有考虑时钟漂移，因此同步时间间隔越大，同步误差越大，为了提高精度，可以考虑增加同步频率；另外一种解决途径是估计相对漂移量第6章 时间同步技术 第6章 时间同步技术 6.2 现有时间同步技术分析现有时间同步技术分析鉴于时间同步在无线传感器网络应用中的基础性作用，必须研究实用的无线传感器网络的时间同步算法。目前，已经有了很多此类算法的应用，根据一对节点间同步的不同实现机制将目前提出的典型的

9、时间同步算法分为三类：基于接收者和接收者的时间同步机制、基于发送者和接收者的双向时间同步机制和基于发送者和接收者的单向时间同步机制。第6章 时间同步技术 6.2.1 基于接收者和接收者的时间同步机制基于接收者和接收者的时间同步机制基于接收者和接收者的时间同步机制充分利用了无线数据链路层的广播信道特性，引入一个节点作为辅助节点，由该节点广播一个参考分组，在广播域内的一组接收节点接收到这个参考分组，通过比较各自接收到消息的本地时间，实现它们之间的时间同步。第6章 时间同步技术 第6章 时间同步技术 图6-1 RBS时间同步机制的基本原理 第6章 时间同步技术 RBS机制中不是通告发送节点的时间值，

10、而是通过广播同步参考分组来实现接收节点间的相对时间同步，参考分组本身不需要携带任何时标，也不需要知道是何时发送出去的。影响RBS机制性能的主要因素包括接收节点间的时钟偏差(时钟歪斜)、接收节点的非确定性因素、接收节点的个数等。为了提高时间同步的精度，RBS机制采用了统计技术，通过多次发送参考消息，获得接收节点之间时间差异的平均值。对于时钟偏差问题，采用了最小平方的线性回归方法进行线性拟合，直线的斜率就是两个节点的时钟偏差，直线上的点则表示节点间的时间差。第6章 时间同步技术 无线传感器网络的范围常常比单个节点的广播范围还要大，在这种情况下，RBS机制也能发挥作用。如图6-2所示，节点A和B同时

11、发送一个同步脉冲，它们之间不能直接互相通信，但是它们都可以跟节点4通信，节点4就可以把它们的时钟信息关联起来。第6章 时间同步技术 图6-2 RBS多跳时间同步的简单拓扑结构 第6章 时间同步技术 2.Adaptive RBS时间同步机制时间同步机制Adaptive RBS 时间同步机制是由Santashil PalChaudhuri等人提出的基于RBS同步协议机制的自适应RBS时间同步协议。自适应RBS时间同步协议在传感器节点启动模式下进行，需要同步的节点发送一个请求分组，该分组会广播到发送传感器节点上，此时传感器节点会启动同步机制，并周期性循环执行。该机制的具体执行过程如下：(1)发送节点

12、广播n个参考分组，每一个分组包含两个计数器、一个记录循环次数、当前循环中参考分组的号码。第6章 时间同步技术 第6章 时间同步技术 Adaptive RBS时间同步机制中的多跳同步和RBS机制中的不一样，它利用分层技术来实现多跳同步，不要求必须有节点存在于两个广播域的交界处。把不需要任何同步的发送节点叫做第0层的发送节点，一个在第0层发送节点广播区域内的传感器节点可以作为距离第0层是第二跳的需要同步的传感器节点的发送者，以此类推。如图6-3所示，节点R1、R2、R3和R4是在发送节点S的广播区域内，使用单跳协议，节点R1、R2、R3、R4彼此之间进行同步，假设R2是第一个结束参考广播的节点，R

13、2就变成第一层的发送者。第6章 时间同步技术 图6-3 Adaptive RBS多跳时间同步第6章 时间同步技术 6.2.2 基于发送者和接收者的双向时间同步机制基于发送者和接收者的双向时间同步机制基于发送者和接收者的双向时间同步机制类似于传统网络的NTP协议，即基于客户机服务器架构。待同步节点向基准节点发送同步请求包，基准节点回馈包含当前时间的同步包，待同步节点估算时延并校准时钟。第6章 时间同步技术 第6章 时间同步技术 在层次发现阶段，根节点被赋予级别0，根节点通过广播级别发现分组(level discovery packet)启动层次发现阶段(level discovery phase

14、)，其中广播的级别发现分组中包含了根节点的级别和ID，根节点的邻节点收到这个级别发现分组(其中包含的级别为0)之后，将分组中的级别加1作为自己的级别，然后继续广播带有自身级别的级别发现分组(其中包含的级别为1)，依次类推，直到网络中每一个节点都有了自己的级别。在时间同步阶段，采用双向的消息交换来实现时间同步，图6-4中给出了相邻节点间同步的消息交换过程。第6章 时间同步技术 图6-4 相邻节点S和R之间的消息交换 第6章 时间同步技术 第6章 时间同步技术 层次结构建立以后，根节点通过广播时间同步分组启动同步阶段，第1级节点收到这个分组之后，各自分别等待一段随机时间，通过与根节点交换消息从而与

15、根节点同步，第2级节点侦听到第1级节点的交换消息之后，后退和等待一段随机时间，并与第1级的节点交换消息进行同步，这样每个节点和上一级的节点同步，最终所有节点都能与根节点同步。(6-6)(6-7)第6章 时间同步技术 2.LTS时间同步机制时间同步机制LTS(Lightweight tree-based Synchronization)同步机制的设计是为了在低成本、低复杂度的传感器网络中实现传感器节点的时间同步，该协议侧重最小化同步的能量开销，减少时间同步协议的复杂度。在分析单跳节点之间基于发送-接收方式的时间同步机制基础上提出了集中式和分布式两类LTS多跳时间同步算法。集中式多跳时间同步算法是

16、单跳时间同步算法的简单线性扩展，算法首先构造了一个包括所有节点具有较低深度的生成树T，然后沿着树T的边进行成对同步。参考节点通过与所有它的直接孩子节点进行成对同步来初始化整个第6章 时间同步技术 同步过程，参考节点的孩子节点又与它们自己的孩子节点进行成对同步。整个过程直到T的叶子节点被同步时终止，算法的运行时间与树的深度成比例。由于LTS算法只沿生成树的边进行成对同步，所以成对同步次数是生成树边数的线性函数，这与简单地将成对同步扩展到多跳同步的方法相比，极大地减少了成对同步的系统开销，但也在一定程度上降低了同步的精度。树的生成算法有两种：分布式深度优先搜索算法和“Echo”算法。集中式多跳LT

17、S算法中参考节点就是树的根节点，如果需要可以进行“再同步”。通过假设时钟漂移被限定和给出需要的精确度，参考节点计算单个同步步骤有效的时间周期。第6章 时间同步技术 在分布式多跳同步算法中，任何节点需要重同步的时候都可以发起同步请求，从参考节点到需要同步的节点路径上的所有节点采用节点对的同步方式，逐跳实现与参考节点的时间同步。该算法中，每个节点决定自己同步的时间，算法中没有利用树结构。当节点i决定需要同步(利用预想得到的精确度与参考节点的距离和时钟漂移)，它发送一个同步请求给最近的参考节点(利用现存的路由机制)。然后，所有沿着从参考节点到节点i的路径的节点必须在节点i同步以前已经同步。这个方案的

18、优点就是一些节点可以减少传输事件，因此可以不需要频繁的同步。所以，节点可以决定它们 第6章 时间同步技术 自己的同步，节省了不需要的同步。另一方面，让每个节点决定再同步可以推进成对同步的数量，因为对于每个同步请求，沿着参考节点到再同步发起者的路径的所有节点都需要同步，所以为了减少开销，可以进行同步请求消息的合并。当需要完成所有节点的时间同步时，采用集中式多跳同步算法更为有效，当部分节点需要频繁同步时，分布式机制需要相对少量的成对同步。第6章 时间同步技术 3.Tiny-Sync和和Mini-Sync时间同步机制时间同步机制Tiny-Sync算法和Mini-Sync算法是由Sichitiu和Ve

19、erarittiphan提出的两种用于无线传感器网络的时间同步算法。通常情况下，节点i的硬件时钟是时间t的单调非递减的函数，用来产生实时时间的晶体频率依赖于周围环境条件，在相当长一段时间内可以认为保持不变。由于节点之间时钟频偏和时钟相偏往往存在差异，但是它们的时钟频偏或相偏之间的差值在一段时间内保持不变，所以根据节点之间的线性相关性，可以得出(6-8)第6章 时间同步技术 其中，a12和b12分别表示两个时钟之间的相对时钟频偏和相对时钟相偏。Tiny-Sync算法和Mini-Sync算法采用传统的双向消息设计来估计节点时钟间的相对漂移和相对偏移。节点1给节点2发送探测消息，时间戳是t0，节点2

20、在接收到消息后产生时间戳tb，并且立刻发送应答消息。最后节点1在收到应答消息时产生时间戳tr，利用这些时间戳的绝对顺序和公式(6-8)可以得到下面的不等式：(6-9)(6-10)第6章 时间同步技术 三个时间戳(t0，tb，tr)叫做数据点，Tiny-Sync算法和Mini-Sync算法利用这些数据点进行工作。随着数据点数目的增多，算法的精确度也不断提高。每个数据点遵循相对漂移和相对偏移的两个约束条件，图6-5描述了数据点加在a12、b12上的约束。Tiny-Sync算法中每次获得新的数据点时，首先和以前的数据点比较，如果新的数据点计算出的误差大于以前数据点计算出的误差，则抛弃新的数据点，否则

21、就采用新的数据点，而抛弃旧的数据点。这样时间同步总共只需要存储三到四个数据点，就可以实现一定精度的时间同步。第6章 时间同步技术 图6-5 探测消息的数据点关系第6章 时间同步技术 如图6-6所示，在收到(A1，B1)和(A2，B2)后，计算出频偏和相偏的估计值，在收到数据点(A3，B3)之后，约束A1、B1、A3、B3被储存，A2、B2被丢弃了。其实后来接收到的数据点(A4，B4)可以和(A2，B2)联合而构成更好的估计，但是此时(A2，B2)已经丢弃，因此只能获得次优估计。Mini-Sync算法是为了克服Tiny-Sync算法中丢失有用数据点的缺点而提出的，该算法建立约束条件来确保仅丢掉将

22、来不会有用的数据点，并且每次获取新的数据点后都更新约束条件。因为只要Aj满足m(Ai，Aj)m(Ai，Ak)，(1ijk)这个条件就表示这个数据点是以后有用的数据点(m(A，B)表示通过点A和B的直线的斜率)。第6章 时间同步技术 图6-6 忽略某些数据点的情况 第6章 时间同步技术 6.2.3 基于发送者和接收者的单向时间同步机制基于发送者和接收者的单向时间同步机制为了避免RTT(往返传输时间)估计，减少交换消息的数量，同时兼顾可扩展性、能量消耗和估算成本，产生了基于发送者和接收者的单向时间同步机制。在基于发送者和接收者的单向时间同步机制中，基准节点广播含有节点时间的分组，待同步节点测量分组

23、的传输延迟，并且将自己的本地时间设置为接收到的分组中包含的时间加上分组传输延迟，这样所有广播范围内的节点都可以与主节点进行同步。第6章 时间同步技术 1.DMTS时间同步机制时间同步机制DMTS时间同步机制牺牲部分时间同步精度来换取较低的计算复杂度和能耗，这是一种轻量级的能量有效的时间同步机制。接收节点通过精确地测量从发送节点到接收节点的单向时间延迟，并结合发送节点中的时间戳计算出时间调整值。DMTS机制的时间广播分组的传输过程如图6-7所示，DMTS为了较准确地测量发送方到接收方的单向时间延迟，采取了以下方法：(1)发送方在检测到信道空闲时才给即将广播的时间分组加上时间戳t1，并立即发送，用

24、来避免发送端的处理延迟和MAC层的访问延迟对同步精度产生的影响。第6章 时间同步技术(2)DMTS通过数据发射速率和发射数据的位数(bits)对发射延迟进行估计，发射延迟包括发射前导码和起始符的时间以及发射数据的时间，若发送的信息位数为，发送每比特位所需要的时间为t，则可以估算出发送时间为nt。(3)接收方在MAC层给同步分组标记一个到达时间戳t2，并在接收处理完成时再标记一个时间戳t3，通过这两个时间戳的差值来估计接收处理延迟。第6章 时间同步技术 图6-7 DMTS时间同步机制分组传输过程 第6章 时间同步技术 DMTS协议在多跳网络中采用了层次型分级结构来实现全网范围内的时间同步。在该协

25、议中定义了时间源级别的概念，也就是其他节点和主节点之间的距离(跳数)。主节点的时间级别是0，主节点广播范围内的邻节点的时间级别为1，时间级别为1的节点广播范围内的邻节点时间级别为2，以此类推。为了避免冗余分组的传输，采用的方法是只接收级别比自己低的节点广播的分组。第6章 时间同步技术 在传感器网络中，往往需要传感器节点与外部时间进行同步，这就要求时间主节点能够与外部网络通信，从而获得世界标准时间值。通常选择基站作为默认的时间主节点，因为它能够获得更好的能源支持，并且便于与外部网络相连和通信。时间主节点选取可以采用节点ID最小的策略。第6章 时间同步技术 2.FTSP时间同步机制时间同步机制FT

26、SP(Flooding Times Synchronization Protocol)时间同步机制由Vanderbilt大学的Branislav Kusy等人提出，它综合考虑了能量感知、可扩展性、鲁棒性、稳定性和收敛性等方面的要求。FTSP算法也是使用单个广播消息实现发送节点与接收节点之间的时间同步的，但是算法的具体实现与DMTS有所不同。FTSP算法的实现步骤如下：(1)FTSP算法在完成SYNC字节发射后给时间同步消息标记时间戳并发射出去，SYNC字节类似DMTS算法中的起始符。消息数据部分的发射时间可以通过数据长度和发射速率得出。第6章 时间同步技术(2)接收节点记录SYNC字节最后到达

27、的时间，并计算位偏移(bit offset)。在收到完整消息后，接收节点计算位偏移产生的时间延迟，这可以通过偏移位数与接收速率得出。(3)接收节点计算与发送节点间的时钟偏移量，然后调整本地时钟与发送节点时钟同步。FTSP算法对时钟漂移和偏差进行了线性回归分析，考虑到在特定时间范围内，节点时钟晶振频率是稳定的，因此节点间时钟偏移量与时间成线性关系；通过发送节点周期性广播时间同步消息，接收节点取得多个数据对(time，offset)，并构造最佳拟合直线L(time)。通过回归直线L，在误差允许的时间间隔内，节点可以直接通过L计算某一时间点节点间的时钟偏移量而不必发送时间同步消息进行计算，从而减少了

28、消息的发送次数。第6章 时间同步技术 FTSP机制还考虑了根节点的选择、根节点和子节点的失效所造成的拓扑结构的变化以及冗余信息的处理等方面的问题。节点通过一段时间的侦听和等待，进入时间同步的初始化阶段，如果收到了同步消息，则节点用新的时间数据更新线性回归表，如果没有收到消息，该节点就宣布自己是根节点。但是这样可能会造成多个节点同时宣布自己为根节点的情况，所以FTSP机制中选择ID编号最小的节点作为根节点。如果新的全局时间和旧的全局时间存在较大的偏差，根节点的切换就存在收敛问题，这就需要潜在的新根节点收集足够多的数据来精确估计全局时间。第6章 时间同步技术 对于冗余消息的消除，FTSP机制采用的

29、方法是根节点逐个增大消息的序列号，其他节点只记录收到消息的最大序列号，并用这个序列号发送自己的消息。例如，假设节点N有7个邻居节点，这7个邻居节点之间能够相互通信，并且都在根节点的通信范围之内，但是N节点不在根节点的通信范围之内。那么根节点发送的消息就到达不了N节点，但是N节点能收到7个相邻节点发送的消息，如果N节点把7个节点发送的同步消息全部都接收的话，就会多余，所以节点N在收到一个节点发送的消息之后，记下该消息的最大序列号，并且把数据放到回归表中，同时放弃其他6个节点的相同序列号的同步消息。第6章 时间同步技术 6.3 时间同步算法设计时间同步算法设计由于单个节点的工作能力有限，所以整个系

30、统所要实现的功能需要网络内所有节点的相互配合才能完成。在分布式系统中，时间可分为“逻辑时间”和“物理时间”。“逻辑时间”的概念建立在Lamport提出的超前关系上，体现了系统内事件发生的逻辑顺序。“物理时间”用来描述在分布式系统中所传递的一定意义上的人类时间。对于直接观测物理世界现象的无线传感器网络系统来说，物理时间的地位更为重要，因为现象发生这个事件本身就是一个非常重要的信息。此外，节点间的协同信号处理、节点间通信的调度算法等对系统提出了不同精度的物理时间的同步要求。第6章 时间同步技术 如果将时钟偏移定义为某个时间段内两个时钟之间因为漂移而产生的时间上的差异，则分布式系统物理时钟服务定义了

31、一个系统中所允许的时钟偏移的最大值。只要两个时钟之间的差值小于所定义的最大物理时钟偏移量，就可以认为两个时钟保持了同步。第6章 时间同步技术 无线传感器网络中的时间同步指使网络中部分或所有节点拥有相同的时间基准，即不同节点有着相同的时钟，或者节点可以彼此将对方的时钟转换为本地时钟，使不同的节点记录的信息就像同一个节点记录的一样。传统的时间同步协议如NTP协议和GPS授时等在有线网络中得到了普遍应用，但是由于很多原因它们不适用于无线传感器网路。无线传感器网络中的时间同步需要更新、更健壮的方法。深刻地理解无线传感器网络所面临的挑战是成功设计适合无线传感器网络同步协议的关键。下面就无线传感器网络的特

32、点作以讨论：第6章 时间同步技术(1)有限的能量。随着计算设备效率的迅速增长，能耗成了无线传感器网络的一个瓶颈。由于传感器节点尺寸小和廉价可用性，传感器网络可以使用大量的传感器节点，这使得不可能为每个传感器节点提供有线能源，且无人管理的操作方式也使得传感器必须由电池供电。由于传感器节点可用的能量非常有限，时间同步必须在保持节约能量的同时以有效的方式达到。(2)有限的带宽。在传感器网络中处理数据的能耗远小于传输能耗。带宽限制直接影响传感器之间的消息交换，而没有消息交换同步是不可能完成的。第6章 时间同步技术(3)有限的硬件资源。由于传感器节点的尺寸小，因而它的硬件资源是非常有限的。为了完成各种任

33、务，无线传感器网络节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、响应汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。如何有效地利用有限的计算和存储资源完成同步任务也是必须要考虑的问题。(4)不稳定的网络连接。无线介质容易受外界干扰而导致消息丢失率较高，且连接也受带宽和间歇性连接的限制，因而网络拓扑结构经常发生变化。第6章 时间同步技术 因此，在无线传感器网络中完成节点间的时间同步面临以下挑战：(1)GPS可以将本地时钟与UTC(世界协调时间)同步，但由于体积、成本、能耗等方面的限制使得无线传感器网络中的绝大部分节点不具备GPS功能。(2)节点间的无线通信以多跳的方式进行数据交换，在低速带宽的条件

34、下，同步信标传输过程中的延迟具有很大的不确定性。(3)底层协议的节能操作使得节点在大部分时间都处于“休眠状态”，不能在系统运行期间持续地保持时间同步。第6章 时间同步技术(4)由于环境、能量等因素的影响，使得节点易损坏，无线传感器网络拓扑结构频繁变化，这都将使节点不可能随时间基准的获取路径进行静态配置。(5)如果在网络规模较大的情况下实现全局时钟同步，则很难保证全局同步精度具有确定的上限。无线传感器网络时间同步算法设计的目的是为网络中节点的本地时钟提供共同的时间戳。由于以上诸多原因，我们在设计时间同步方案时不仅要考虑到同步精度，还要考虑能量的有效性，算法的健壮性、可扩展性等。因而评价一个无线传

35、感器网络时间同步算法的性能，也就包括网络能量效率、可扩展性、精确度、健壮性、寿命、有效范围、成本和尺寸、及时性等指标。下面分别讨论这几个指标。第6章 时间同步技术(1)能量效率。无线传感器网络的主要特点就是节点的能量受限问题，涉及的时间同步算法需要以考虑节点有效的能量资源为前提。(2)可扩展性。无线传感器网络需要部署大量的传感器节点，时间同步方案应该有效地扩展网络中节点的数目或者密度。(3)精确度。精确度的需要由于特殊的应用和时间同步的目的而有所不同，对某些应用，知道时间和消息的先后顺序就够了，而对某些其他的应用，则要求同步精确到微秒级。第6章 时间同步技术(4)健壮性。无线传感器网络可能在敌

36、对区域长期无人管理，一旦某些节点失效，在余下的网络中，时间同步方案应该继续保持有效并且功能健全。(5)寿命。时间同步算法提供的同步时间可以是瞬时的，也可以和网络寿命一样长。(6)有效范围。时间同步方案可以给网络内的所有节点提供时间，也可以给局部区域内的部分节点提供时间。一方面，由于可扩展性的原因，全面的时间同步是有难度的，而且对于大面积的传感器网络，考虑到能量和带宽的利用，全面时间同步的代价也是非常昂贵的。另一方面，大量节点同时需要收集来自遥远节点的、用于全面同步的数据，对于大规模的无线传感器网络是很难实现的，而且也影响同步的精确度。第6章 时间同步技术(7)成本和尺寸。无线传感器网络节点非常

37、小而且廉价。因此，在传感器网络节点上安装相对较大或者昂贵的硬件(如GPS接收器)是不合逻辑的，无线传感器网络的时间同步方案必须考虑有限的成本和尺寸。(8)及时性。某些无线传感器网络的应用，比如在紧急情况(如气体泄漏检测、入侵检测等)下，需要将发生的事情立即发送到网关，这种特性称之为“及时性”。若在事件发生后再进行同步就没有意义了，因此节点之间需要经常性的“预同步”。第6章 时间同步技术 6.4 小小 结结时间同步是分布式系统的基础，特别是对于无线传感器网络而言。但由于传感器网络的特殊性，传统的时间同步方法需要改进以适应无线传感器网络的要求。这里使用了一个完整的、适用于无线传感器网络的时间同步方案，在拓扑建立、同步请求、同步周期确定等方面都考虑到了无线传感器网络的特殊要求，并且在同步精度方面也得到了保证。事实证明，基于层次结构的传感器网络时间同步是可行的，适用于实际应用中的无线传感器网络。