同步是现代通信系统中的一个重要问题。一般而言,通信中涉及的同步问题包括载波同步、位同步以及群同步和网同步。
WSN中研究的主要是网同步。
WSN中许多功能都要求各节点保持时间同步,如保证数据传输的可靠性、标记时间戳、数据处理、节点定位和休眠调试等。
传统GPS相对于廉价的传感器节点来说太过最贵且受地理限制,而NTP对能量和计算能力受限的传感器节点也不适用。
时钟模型:
理想的时钟以固定的时钟间隔计数来测量时间。假设t时刻时钟代表的时间为h(t),它是一个真实时间的函数,时钟频率为f,它是h(t)的一阶导数,即f(t)=dh(t)/dt。易知h(t)是单调增函数,从而有f(t)>0。理想情况下,f(t)=1。但实际上真实的时钟频率总会受到电压、温度等因素的影响而随时间变化。根据对时钟频率漂移的不同假设,提出了以下模型:
【1】,常速率模型。需要的时钟精度与时钟频率的波动相比较小时,可以假设时钟频率是常数。
【2】,有界模型。此时假设时钟频率相对于理想时钟频率的偏移是有界的。由于理想的时钟频率为1,可以定义时钟漂移
r(t)=f(t)-1=dh(t)/dt-1
【3】,有界漂移率模型。时钟漂移率的一阶导数定义为:
v(t)=dr(t)/dt
且假设 -vmax<=v(t)<=vmax,在这种假设下r(t)不会发生突变。
通信模型:
无线传感器网络中影响时间的因素如下:
【1】,单播和多播。
【2】,对称链路和非对称链路。
【3】,显式和隐式同步。(同步是否需要附加信息)
【4】,时延。包括发送时间(协议处理、缓冲时间等)、媒介访问时间(等待信道空闲所需要的时间)、传播时间、传输时间和接收时间(接收节点重组消息和递交给上层应用所需要的时间)。
在MAC层标记Time stamp,可xx发送时间和接收时间的确定性。以TinyOS协议栈为例进行说明,经过MAC时间延迟后,如果信道空闲,应用层开始发送数据包,首先发送18个字节的前导码,然后是两个字节的同步码,此后记录当前时戳并写入接下来要发送的TOS数据包中。这种xx获取时间戳的方法xx了CSMA带来的时间不确定性。目前大部分无线传感器网络时间同步采取了这种方法,它们在单广播域内取得了较高的时间同步精度。
时间同步协议:
分类:主从模式vs点对点模式、时钟修正vs时标转换、概率同步vs确定性同步、收发双方同步vs接收节点间同步。
关键:减小或xx消息传递环节的时间不确定性。
时间同步方法可以分为信号级时间同步和消息级时间同步两种,无线传感器网络中的时间同步主要是指消息级时间同步。
◇RBS(Reference Broadcast Synchronization).
◇TPSN(Time Protocol for Sensor Networks)
◇ADP(Asynchronous Diffusion Protocol)