无线传感器网络/王利强

　　第3章　　CHAPTER 3　　无线传感器网络的关键技术　　3.1时钟同步技术　　3.1.1传感器网络的时间同步机制　　1. 传感器网络时间同步的意义　　无线传感器网络的同步管理主要是指时间上的同步管理。在分布式的无线传感器网络应用中，每个传感器节点都有自己的本地时钟，由于不同节点的晶体振荡器存在频率偏差，所以各个传感器节点的本地时钟频率、相位也各不相同，又由于温度、湿度变化的影响及电磁干扰的存在，就会造成不同网络节点之间的运行时间出现偏差。无线传感器网络单个节点能力有限，在某些情况下，一些测量工作，如移动物体定位，需要整个网络所有节点相互配合共同完成，完成这类工作，就需要所有节点的时间保持同步。　　时间同步机制是分布式系统基础框架的一个关键机制。在分布式系统中，时间同步涉及“物理时间”和“逻辑时间”两个不同的概念。物理时间指人类社会使用的绝对时间； 逻辑时间指表示事件发生先后顺序关系的时间，是一个相对的时间概念。　　分布式系统通常需要一个表示整个系统时间的全局时间。全局时间根据需要可以是物理时间或逻辑时间。　　无线传感器网络时间同步机制的意义和作用主要体现在如下两方面。　　首先，传感器节点通常需要彼此协作，去完成复杂的监测和感知任务。　　其次，传感器网络的一些节能方案是利用时间同步来实现的。如利用休眠/唤醒机制、同步机制为本地时钟提供相同的时间基准。　　2. 传感器网络时间同步协议的特点　　网络时间协议(Network Time Protocol,NTP)在因特网得到广泛使用，具有精度高、鲁棒性好和易扩展等优点。但是它依赖的条件在传感器网络中难以满足，因而不能直接移植运行，主要是由于以下原因： ①NTP应用在已有的有线网络中，它假定网络链路失效的概率很小，而传感器网络中无线链路通信质量受环境影响较大，甚至通信经常中断； ②NTP的网络结构相对稳定，便于为不同位置的节点手工配置时间服务器列表，而传感器网络的拓扑结构动态变化，简单的静态手工配置无法适应这种变化； ③NTP中时间基准服务器间的同步无法通过网络自身来实现，需要其他基础设施的协助； ④NTP需要通过频繁交换信息，来不断校准时钟频率偏差带来的误差，并通过复杂的修正算法，消除时间同步消息在传输和处理过程中的非确定因素干扰，CPU使用、信道侦听和占用都不受任何约束，而传感器网络存在资源约束，必须考虑能量消耗。　　因此，由于传感器网络的特点，在能量、价格和体积等方面的约束，使得NTP、GPS等现有时间同步机制并不适用于通常的传感器网络，需要有专门的时间同步协议才能使得传感器网络正常运行和实用化。　　3.1.2时间同步协议　　传感器网络的时间同步协议（Timingsync Protocol for Sensor Networks,TPSN）类似于传统网络的NTP，目的是提供传感器网络全网范围内节点间的时间同步。TPSN采用层次型网络结构。　　1. TPSN的操作过程　　TPSN包括两个阶段：　　（1） **个阶段生成层次结构，每个节点赋予一个级别，根节点赋予*高级别第0级，第i级的节点至少能够与一个第(i-1)级的节点通信；　　（2） 第二个阶段实现所有树节点的时间同步，第1级节点同步到根节点，第i级的节点同步到第(i-1)级的一个节点，*终所有节点都同步到根节点，实现整个网络的时间同步。　　2. 相邻级别节点间的同步机制　　邻近级别的两个节点对间通过交换两个消息实现时间同步。同步过程如图3.1所示。边节点S在T1时间发送同步请求分组给节点R，分组中包含S的级别和T1时间。节点R在T2时间收到分组，T2=(T1+d+Δ)，其中Δ=(T2－T1)－(T4－T3)2,然后在T3时间发送应答分组给节点S，分组中包含节点R的级别和T1、T2和T3信息。节点S在T4时间收到应答，T4=(T3+d+Δ)。因此可以推导出公式： d=(T2－T1)+(T4－T3)2。节点S在计算时间偏差之后，将它的时间同步到节点R。　　图3.1邻近级别的两个节点对间通过交换两个消息实现时间同步　　3.1.3时间同步的应用示例　　这里介绍磁阻传感器网络对机动车辆的测速。为了实现这个用途，网络必须先完成时间同步。由于对机动车辆的测速需要两个探测传感器节点的协同合作，测速算法提取车辆经过每个节点的磁感应信号的脉冲峰值，并记录时间。如图3.2所示。　　……