無線傳感器網(wǎng)絡的同步管理主要是指時間的同步管理。因為在分布式無線傳感器網(wǎng)絡的應用中，每個傳感器節(jié)點都有自己的本地時鐘。不同節(jié)點的晶體振蕩器頻率存在偏差，以及溫度和電磁波的干擾等都會造成無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點之間的運行時間偏差。無線傳感器網(wǎng)絡本質(zhì)上是一個分布式協(xié)同工作的網(wǎng)絡系統(tǒng)，很多具體應用都要求網(wǎng)絡各個節(jié)點存在相互的協(xié)同配合，因此時間同步是無線傳感器網(wǎng)絡同步管理機制的重要內(nèi)容。

　　傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡中，時間同步機制已經(jīng)得到廣泛應用。如網(wǎng)絡時間協(xié)議（network tlme protocol，NTP）就是因特網(wǎng)中普遍采用的時間同步協(xié)議。另外，GPS和無線測距技術也可以用來提供網(wǎng)絡的全局時間同步。在無線傳感器網(wǎng)絡應用中也不乏利用時間同步機制的例子，如在節(jié)點時間同步的基礎上，遠程觀察衛(wèi)星或?qū)�彈發(fā)射的軌道變化情況等。由于傳感器網(wǎng)絡本身的特點，節(jié)點體積和造價都不能太高，故設計時間同步機制必須考慮節(jié)點的體積和造價成本大小的影響。另外，還得考慮節(jié)點的能耗以及應用相關性等特點和約束條件。

　　1. 時間同步機制設計中應當考慮的因素

　　無線傳感器網(wǎng)絡中的時閭同步機制設計會受到很多因素的影響。苜先，傳感器節(jié)點需要彼此并行操作和協(xié)作，去完成復雜的監(jiān)測和感知環(huán)境的任務。數(shù)據(jù)融合是這種并行操作的典型實例，不同的節(jié)點采集的數(shù)據(jù)集合構成一個有意義的結果。例如，在車輛跟蹤系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點記錄車輛的位置和時間并傳送給網(wǎng)關匯聚節(jié)點，然后結合這些信息估計車輛的位置和速度。如果傳感器節(jié)點缺乏統(tǒng)一的時間同步，車輛的位置估計將是不準確的。其次，許多節(jié)能方案是利用時間同步來實現(xiàn)的。例如，傳感器可以在適當?shù)臅r候休眠，在需要的時候再喚醒。當應用這種節(jié)能模式的時候，網(wǎng)絡節(jié)點應該在相同的時間休眠和喚醒，也就是說當數(shù)據(jù)到來時，節(jié)點的接收器并沒有關閉。無線傳感器網(wǎng)絡時間同步機制設計的目的是為網(wǎng)絡中所有節(jié)點的本地時鐘提供共同的時間戳。

　　2．設計時間同步機制一般關注的主要性能參數(shù)

　�。�1）能量效率

　　達到同步所需要的時間以及消耗的能量。同步需要的時間越長，消耗的能量越多，同步的效率就越低。無線傳感器網(wǎng)絡的主要特點就是節(jié)點的能量受限問題，設計的時間同步算法需以考慮傳感器節(jié)點有效的能量資源作為前提。

　�。�2）可擴展性

　　無線傳感器網(wǎng)絡需要部署大量的傳感器節(jié)點，時間同步機制應該支持有效擴展網(wǎng)絡中節(jié)點的數(shù)目或者密度。

　�。�3）精確度

　　精確度的需求依賴于特殊的應用和時間同步的目的而有所不同，對于某些應用，知道時間和消息的先后順序就夠了，然而某些則要求較高的同步精確。

　�。�4）健壯性

　　無線傳感器網(wǎng)絡可能在敵占區(qū)域長時間無人管理，一旦某些節(jié)點被破壞，在余下的網(wǎng)絡中，時間同步機制應該繼續(xù)保持有效并且功能健全。

　�。�5）同步期限（或壽命）

　　指節(jié)點需要一直保持時間同步的時間長度。時間同步算法提供的同步時間可以是瞬時的，也可以和網(wǎng)絡的壽命一樣長。

　�。�6）有效同步范圍

　　是指需要節(jié)點同步的區(qū)域范圍，可以是物理上的地理范圍，也可是邏輯范圍，如網(wǎng)絡路由的跳數(shù)。時間同步機制可以給網(wǎng)絡內(nèi)所有的節(jié)點提供時問，也可以給局部區(qū)域內(nèi)的部分節(jié)點提供時間。

　�。�7）成本和尺寸

　　同步可能需要特定的硬件，另外，體積的大小也影晌同步機制的實現(xiàn)，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點非常小而且廉價。

　�。�8）最大誤差

　　一組傳感器節(jié)點之間的最大時間差，或相對外部標準時間的最大差。通常，最大誤差會隨著同步的網(wǎng)絡范圍擴大而增加。

　　3. 常用的時間同步算法

　　常用的時間同步算法主要包括了RBS算法、TPSN算法、Mini-Sync及Tiny－Sync算法和LTS算法。

　�。�1）參考廣播同步（reference broadcast synchrONlzatlon，RBS）算法

　　RBS算法是Elson等人以“第三節(jié)點”實現(xiàn)同步的思想而提出的�；�本思想就是節(jié)點廣播參考消息給它的鄰居節(jié)點，這個參考消息不包括時間戳，相反，它的到達時間被節(jié)點用來作為參考對比時鐘。節(jié)點廣播單個脈沖給兩個接收者，接收者在收到脈沖的基礎上再交換記錄脈沖的時間，進而估計節(jié)點間的相對相位偏移。這樣，通過單個脈沖實現(xiàn)了兩個節(jié)點的同步，另外增加脈沖數(shù)還可提高精確度。由于RBS算法將發(fā)送者的不確定性從關鍵路徑里消除，不需要節(jié)點之間的雙向信息交換，從而獲得比傳統(tǒng)時鐘同步方法更好的精確度，如圖所示。RBS算法時間誤差的主要來源是傳輸時間和接收時間的不確定性。當廣播范圍較小時，可以忽略傳輸誤差。

　　圖 RBS算法與傳統(tǒng)時鐘同步算法比較

　�。�2）同步（ttmmg sync protocol for sensor networks，TPSN）算法

　　TPSN算法是Ganeriwal等提出的適用于無線傳感器網(wǎng)絡整個網(wǎng)絡內(nèi)的時間同步算法。該算法分為兩步：分級和同步。第一步的目的是建立分級的網(wǎng)絡拓撲，每個節(jié)點有個級別。只有一個節(jié)點則為零級，叫做根節(jié)點。第二步主要任務是節(jié)點間的信息交換，i級節(jié)點與i－1級節(jié)點同步，最后所有的節(jié)點都與根節(jié)點同步，從而達到整個網(wǎng)絡的時間同步。

　　（3）Mini－Sync算法和Tiny－Sync算法

　　Mini－Sync算法和Tiny－Sync算法是由Sichitiu和Veerarittiphan提出的兩種用于無線傳感器網(wǎng)絡的時間同步算法。這兩種算法假設每個時鐘能夠與固定頻率的振蕩器近似，都采用傳統(tǒng)的雙向消息交換來估計節(jié)點時鐘間的相對漂移和相對偏移。

　�。�4）基于樹的同步（lightweight tree based synchronization，LTS）算法

　　LTS算法是Greunen和Rabaey提出的。與其他算法的最大區(qū)別是該算法的淚的并不是提高精確度，而是減小時間同步的復雜度。該算法在具體應用所需要的時間同步精確度范圍內(nèi)，以最小的復雜度來滿足需要的精確度。無線傳感器網(wǎng)絡的最大時間精確度相對較低（通常在幾分之一秒內(nèi)），所以可利用這種相對簡單的時間同步算法。此外，它們還提出了兩種基于多跳的無線傳感器網(wǎng)絡LTS算法。第一種多跳LTS算法是集中算法。在集中同步算法中，參考節(jié)點就是樹的根節(jié)點，如果需要可以進行“再同步”。其基本過程就是首先要構造樹狀圖，然后沿著樹的n－1子葉邊緣進行成對同步。希望通過構造樹狀圖使同步精度最大化，最小深度的樹是最優(yōu)的。如果考慮時鐘漂移，同步的精確度將受到同步時間的影響◇為了最小化同步時間，同步應該沿著樹的枝干并行進行，這樣所有的子葉節(jié)點基本同時完成同步。通過假設時鐘漂移被限定和給出需要的精確度，參考節(jié)點計算單個同步有效的時閭周期。因此，樹的深度影響整個網(wǎng)絡的同步時間和子葉節(jié)點的精度誤差。為了利用這個信息決定再同步所需時間，需要把樹的深度參數(shù)傳給根節(jié)點。

　　第二種多跳LTS算法通過分布式方法實現(xiàn)全網(wǎng)內(nèi)的同步。每個節(jié)點決定自己同步的時間，算法中沒有利用樹結構。當節(jié)點i決定需要同步，它發(fā)送一個同步請求給最近的參考節(jié)點。然后，所有沿著從參考節(jié)點到節(jié)點i的路徑的節(jié)點必須在節(jié)點i同步以前已經(jīng)同步。這個算法的優(yōu)點就是一些節(jié)點可以減少傳輸負載，因此可以不需要頻繁的同步。另一方面，讓每個節(jié)點決定再同步可以推進成對同步的數(shù)量，因為對于每個同步請求，沿著參考節(jié)點到再同步發(fā)起者的路徑的所有節(jié)點都需要同步。隨著同步需求數(shù)量的增加，沿著這個路徑的整個同步將導致很大的節(jié)點和帶寬資源浪費。因此，通過適當?shù)娜诤纤惴ㄊ鞘�分必要的。當任何�?jié)點需要同步時，需要詢問相鄰節(jié)點是否存在未處理的請求。如果存在，這個節(jié)點的同步請求將和未處理的請求融合，減少無效請求的傳輸。

　　無線傳感器網(wǎng)絡的同步管理是無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術之一，內(nèi)容還包括很多個方面，這里只簡要介紹了常見的幾種同步管理方法，對于特定的應用，對時間同步的要求各不相同，需要具體問題具體解決。

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