無線傳感器網絡典型時間同步技術分析
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1．2．4 FTSP
FTSP(Flooding Time Synchronization Protocol)是由Branislav Kusy于2004年提出的基于單向廣播消息傳遞的發送者與接收者之間的全網時間同步。FFSP是對DMTS的改進，具體不同在于：
(1)FTSP降低了時延的不確定性，將其分為發送中斷處理時延、編碼時延、傳播時延、解碼時延、字節對齊時延和接收中斷處理時延。
(2)類似于RBS，FTSP可通過發送多個信令包，接收節點通過最小方差線性擬合計算出發送者與接收者之間的初始相位差和頻率差。
(3)FTSP根據一定時間范圍內節點時鐘晶振頻率穩定原則，得出各節點問時鐘偏移量與時間成線性關系，利用線性回歸的方法通過節點周期性發送同步廣播使得接收節點得到多個數據對構造回歸直線，而且在誤差允許的時間間隔內，節點可通過計算得出某一時間節點間時鐘偏移量，減少了同步廣播的次數，節省了能量。
(4)FTSP提出了一套較完整的針對節點失效、新節點加入等引起的拓撲結構變化時根節點選舉策略，從而提高了系統的容錯性和健壯性。
FTSP通過在MAC層打時間戳和利用線性回歸的方法估計位偏移量，降低了時延的不確定性，提高了同步精度，適用于軍事等需要高同步精度的場合。
1．2．5 LTS
LTS(Lightweight Time Synchronization)是由VanGreunen Jana和Rabaey Jan于2003年提出的基于成對機制的發送者與接收者之間的輕量級全網時間同步。
該算法是在成對同步的基礎上進行了改進，具體包括兩種同步方式：第一種是集中式，首先構建一個低深度的生成樹，以根節點作為參考節點，為節省系統有限能量，按邊進行成對同步，根節點與其下一層的葉子節點成對同步，葉子節點再與其下一層的孩子節點成對同步，直到所有節點完成同步，因為同步時間和同步精度誤差與生成樹的深度有關，所以深度越小，同步時間越短，同步精度誤差越小；第二種是分布式，當節點i需要同步時，發送同步請求給最近的參考節點，此方式中沒有利用生成樹，按已有的路由機制尋找參考點。在節點i與參考節點路徑上的所有節點都被動地與參考節點同步，已同步節點不需要再發出同步請求，減少了同步請求的數量。為避免相鄰節點發出的同步請求重復，節點i在發送同步請求時詢問相鄰節點是否也需同步，將同步請求聚合，減少了同步請求的數目和不必要的重復。
LTS根據不同的應用需求在可行的同步精度下降低了成本，簡化了計算復雜度，節省了系統能量。
1．2．6 Tiny-sync和Mini-sync
Tiny-sync和Mini-sync是由Sichitiu和Veerarittipahan于2003年提出的基于雙向消息傳遞的發送者和接收者之間的輕量級時間同步。該算法的前提是假設每個時鐘可近似為一個頻率固定的晶振，則兩個時鐘C1(t)，C2(t)滿足如下線性關系
C1(t)=a12C2(t)+b12 (6)
其中，a12是兩時鐘的相對漂移；b12是兩時鐘的相對偏移。
算法仍采用TPSN中的雙向信息傳遞，不同之處在于Tiny-sync和Mini-sync發送多次探測信息，探測信息與以往的同步請求不同，接收節點收到探測信息后立即返回消息，具體如下：節點i在本地時刻t0發送一個探測消息給節點j，節點j收到消息后記錄本地時間tb并立即返回消息，節點i接收到消息后記錄本地時間tr。(t0，tb，tr)叫做數據點，節點i多次發送探測消息，并根據式(6)用線性規劃的原則得到a12和b12的最優估計，但用所有點計算運算量過大，Tiny-sync則是每次獲得新數據點后與先前的進行比較，誤差小于先前的誤差時才采用新數據點，否則拋棄。Mini-sync是Tiny-sync的優化，修正了Tiny-sync可能拋棄有用點的缺憾，留下了可能在后面提供較好邊界條件的數據點。
Tiny-sync和Mini-sync為滿足無線傳感器網絡低能耗的要求，交換少量信息，利用夾逼準則和線性規劃估算頻偏和相偏，提高了同步精度，降低了通信開銷。
2 時間同步算法性能對比分析
2．1 時間同步算法的性能評價指標
根據無線傳感器網絡自身資源有限、節點成本低、功耗低、自組織網絡等特點，應從以下幾點考慮無線傳感器網絡的時間同步算法。
(1)能耗。由于無線傳感器網絡自身節點能量有限，其時間同步算法應保證在精度有效的前提下實現低能耗。
(2)可擴展性。在無線傳感器網絡中，節點數目增減靈活，時間同步算法應滿足節點數目增減和密度變化，具有較強的可擴展性。
(3)魯棒性。由于環境、能量等其它因素容易導致無線傳感器網絡節點無法正常工作，退出網絡，所以時間同步算法應具有較強魯棒性，保證通信暢通。
(4)同步壽命。是指節點間達到同步后一直保持同步的時間。同步壽命越短，節點就需要在較短時間內再同步，消耗的能量就越高。時間同步需要同步壽命較長的算法。
(5)同步消耗時間。是指節點從開始同步到完成同步所需的同步。同步消耗時間越長，所需的通信量、計算量和網絡開銷就越大，能耗也越高。
(6)同步間隔。是指節點同步壽命的結束到下一次同步開始所間隔的時間。同步間隔越長，同步開銷就越小，能耗越低。
(7)同步精度。不同的應用要求不同數量級的同步精度，有的時間同步只需知道事件發生的先后順序而有些則需精確到μs級。
(8)同步范圍。分為全網同步和局部同步，全網同步難度大、費用高；局部同步較易實現。權衡整個系統的功能應用及能耗開支等因素才能選擇合適的同步范圍。
(9)硬件限制。考慮傳感器節點的體積、大小、成本，時間同步算法會受到傳感器節點硬件的限制，只有依賴硬件的條件，才能設計出滿足應用需求的時間同步算法。
2．2 時間同步算法性能對比分析
經過在Mica2節點上的對比實驗，根據這些指標對以上的時間同步算法進行比較分析。具體性能比較如表1所示。本文引用地址：http://cqxgywz.com/article/160989.htm
3 結束語
隨著大規模無線傳感器網絡的廣泛應用，時間同步技術可以向以下幾方面發展：
(1)節點移動導致的拓撲結構可變。目前，大部分無線傳感器網絡都認為拓撲結構固定，沒有考慮到節點的移動性，但節點自身移動也可以將時間信息帶到另一個地方。
(2)依賴于節點的硬件條件，時間同步算法應在滿足應用需求的條件下盡可能地減少能量消耗，達到最優效率。
時間同步是無線傳感器網絡的一個重要支撐技術，仍需要研究人員的不斷探索和發現。
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