无线传感器网时间同步算法的比较
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Ｓｉ ｇｎａｌＰｒ ｅｓｓ ＆ Ｓｙ ｔ ｏｃ ｓ ｅｍ
器网时间同 哆 羹 哆 感
摘要 ： 随着无线传感网的应用领域不断扩大 ， 基于 无线传 感网的时间同步协 议已经 受到越来 越多 的研究人
员的关注。本文以时钟模 型为基础 ， 绍了几种经典的无线传感器网时间同步协议 ， 介 根据协 议的原 理分析
ｆ
在 现实的环境中 ，晶振的频率是不断变化 的，常用 ，ｆ （＝ ）
时钟的变化速率应恒为 １ 。
当 ｃｔ ｔ ｉ） 时，表示节 点 ｉ （＝ 的本 地时间与标准时间 同步 。ｔ 时刻 的时钟偏差 （ ｌｃ ｆｓｔ Ｃ ｏｋ Ｏｆｅ）定义 为 ｃｆｔ （－。ｔ ） 时刻的时钟 偏移 （ ｌｃ ｋｗ）定义 为 ， １ ＣｏｋＳｅ ） ，记为 ｆ － ） 。时钟偏差反映了一个时钟的准确性，时钟偏移反映的 则是一个时钟 晶振 的稳定性 。在一 定的环境或条件下 ，时钟 偏移并非不确定且 大幅度随机变化 。根据 时钟偏 移 的变化规律 ，可以建立三种 时钟模 型。 一
１ ．
ｃｔ ＝ （）
Ｉ功（） ＋ｃｆ） ． ｆ （ ｏ
０ 。 （１） ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
其 中， ｆ 晶振的角频率 ； ） 一 卜 标准 时间：
鳓一 晶振 的标 准角频率； ｃｆ 标准时间为 ｔ ，节点的本地时间 。 （一 ） 时 ，表述 时钟 的变化速率 。显然 ，一个理想的
了这几种协议的误差来源。 并对萤火虫同步算法的原理做 了特别介绍 ， 这种算 法是 通过由脉 冲耦合 振荡器
发 出的一系列脉冲信号来 改变节点振荡器的相位 ， 从而达到同步 。 本文的结论为今后 时间 同步协议精度和
效 能的研究提供 了一定的参 考。 关键词 ：无 线传感器 网 ；时间同步 ；萤火虫算法 ；同步精度 中图分 类号 ：Ｔ ３ ３ Ｐ ９ 文献标识 码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ — ８ Ｘ ２ １）７ ０ ２ — ４ ６ ８ ３ （ ０ — ０ ９ ０ ０ ００
二 、 时 钟 模 型
在 无线传感器 网络 中，每个节点 的计 时信 号一般 由廉价 的晶振提供 。由于 晶振 制造 工艺的差别 ，在运行 过程 中又容易受到环境 以及晶体老化等 多种偶 然因素的影响 ，每 个晶振的频率不 可能完全一致 ，进而导致节 点 的计 时速率 的偏差 ，造成 了节 点时间的不一致 。一般地 ，本地时间与标准时间满足函数关系式：
字 ，设前导码和同步字 的总长度为 个 比特 ，根据发送速率 可知发送单个 比特的时间 。接收者在接 收完前 导码和 同步 字时记录下本地 时间 ｔ ，在即将调整 自己的本地时间之前记 录下本地时间 ｔ ２ ，并将本地时间改为 ｔ ｎｌ ｔ ｔ ｏ Ｚ ＋２ １ ＋ ｔ 。 ，以达到与
刘晓 璐
周 书 民 镶． ． 一
一
、
引言
无线传 感器网 由大量传感器节 点组成 ，传感器节 点负责对监测 区域 内的某些特定数据进行 采集 ，并通过 无线通信 方式形成 的一个 多跳 自组织 网络 ，是 一种 新的分布式系统 。 目前主要应用于环境 的监 测和保护 、医 疗护理、军事等领域 。传感器所获得的数据必须具有准确 的时间和位置信息 ，否 则采集 的信息就是不完整 的。 此外，传感器节点的数据融合 、Ｔ ＤＭＡ定时、休眠周期的 同步等等这些都要求传感器节点具有统一的时钟 。 为了保持节点本地时间的一致性 ，必须调整本地 时钟 。时 间同步协议为精确地调整本地 时钟提供 了依据
发送者同步。
该协议 并没有考虑到实际传播 中的延迟（ 图 ２， 如 ） 且未对 时钟偏移进行补偿 ， 因而产生误 差。 ＭＴ Ｄ Ｓ协议的精度不高， 但算法简单，可 以满足部分无线传感器 网的时间同步需求 。
了节 点 的 能 量 的 消耗 。
３ Ｐ Ｎ 协 议 、Ｔ Ｓ
时钟 同步协议的分析都是 以该模型为前提的。 （ ）偏移有 界模型 ：如果时钟偏移具有上下界，则可认 ２
为时 钟 偏 移有 界 ，即 ： （） ， 般 ∈［ｐ ｍ，０ｐ ｍ］ ｆ 一 １ｐ １０ ｐ 。
Ｔ Ｓ 协 议 是 基 于 双 向报 文 交 换 （ ３ 的时 间 同步 机制 ， ＰＮ 图 ）
。
时问 ， Ａ收到该请 求报文时记录本地时间 ， 并立即 向节
点 Ｂ 返 回一 个 应 答 报 文 ， 并在 该 报 文 中嵌 入 和 该 报 文 的 发
三、经典 时间同步协议 根据无线传感器网络在不同领域 的应用 ，网络中各节点 的时钟有 时不必与标准时问同步，而只需要 网络中节点有 一 个统一的时间 即可 。定期对节 点时钟做 同步操作可减少偏 差
量 （ 图 １。 如 ）
１ 、ＤＭＴ Ｓ协 议
送 时刻 Ｔ，Ｂ收到应答报文时记录本地时 间 。 ３
报文 在传输 的过程 中会受 到多种 因素 的影响而 产生延 时。Ｄ Ｓ协议 的主要思想是：发送者在 同步信息的报文 中 ＭＴ
加 入 发 送 时 间 戳 ｔ，报 文 在 发送 前 必 须 先 发 送 前 导码 和 同步 ｏ
２０ ．７ Ｓｅ ｓ ｒ ｏｒ １ ０ ｎ ｏＷ ｌ ０ ｄ
ｗｗｗ． ｅ ｓ ｗｏ ｄ ｏｍ． ｉ ｓ ｎ ｏｒ ｄ ｃ ｃＦ
Ｓｉ ｎ ｌＰｒ ｃ ｓ ＆ Ｓｙ ｔ ｍ ｇ ａ ｏ ｅ ｓ ｓｅ
与 系 统
（ ）速率恒定模 型：如果时钟偏 移的变化非常小 ， １ 就可 以认 为时钟 的变化速率是恒 定的，即：ｐ ＝｝ ． ］ 。对 大多数 参考报文的本地时间，且线性拟合 的算法复杂，这些都增加
每个 节点与它上 一级 的节 点通 过两路 消息交换 进行 时间同 步，最后 实现所有节点与根节点的同步 。
节 点 向节 点 发 送 同步 请 求 报 文 并记 录 此 刻 的 本 地
（ ）偏移变化有 界模型 ：如果时钟偏移 的变化率 （） ３ ｆ
：
查 有界，则符合偏移变化 有界模型
器网时间同 哆 羹 哆 感
摘要 ： 随着无线传感网的应用领域不断扩大 ， 基于 无线传 感网的时间同步协 议已经 受到越来 越多 的研究人
员的关注。本文以时钟模 型为基础 ， 绍了几种经典的无线传感器网时间同步协议 ， 介 根据协 议的原 理分析
ｆ
在 现实的环境中 ，晶振的频率是不断变化 的，常用 ，ｆ （＝ ）
时钟的变化速率应恒为 １ 。
当 ｃｔ ｔ ｉ） 时，表示节 点 ｉ （＝ 的本 地时间与标准时间 同步 。ｔ 时刻 的时钟偏差 （ ｌｃ ｆｓｔ Ｃ ｏｋ Ｏｆｅ）定义 为 ｃｆｔ （－。ｔ ） 时刻的时钟 偏移 （ ｌｃ ｋｗ）定义 为 ， １ ＣｏｋＳｅ ） ，记为 ｆ － ） 。时钟偏差反映了一个时钟的准确性，时钟偏移反映的 则是一个时钟 晶振 的稳定性 。在一 定的环境或条件下 ，时钟 偏移并非不确定且 大幅度随机变化 。根据 时钟偏 移 的变化规律 ，可以建立三种 时钟模 型。 一
１ ．
ｃｔ ＝ （）
Ｉ功（） ＋ｃｆ） ． ｆ （ ｏ
０ 。 （１） ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
其 中， ｆ 晶振的角频率 ； ） 一 卜 标准 时间：
鳓一 晶振 的标 准角频率； ｃｆ 标准时间为 ｔ ，节点的本地时间 。 （一 ） 时 ，表述 时钟 的变化速率 。显然 ，一个理想的
了这几种协议的误差来源。 并对萤火虫同步算法的原理做 了特别介绍 ， 这种算 法是 通过由脉 冲耦合 振荡器
发 出的一系列脉冲信号来 改变节点振荡器的相位 ， 从而达到同步 。 本文的结论为今后 时间 同步协议精度和
效 能的研究提供 了一定的参 考。 关键词 ：无 线传感器 网 ；时间同步 ；萤火虫算法 ；同步精度 中图分 类号 ：Ｔ ３ ３ Ｐ ９ 文献标识 码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ — ８ Ｘ ２ １）７ ０ ２ — ４ ６ ８ ３ （ ０ — ０ ９ ０ ０ ００
二 、 时 钟 模 型
在 无线传感器 网络 中，每个节点 的计 时信 号一般 由廉价 的晶振提供 。由于 晶振 制造 工艺的差别 ，在运行 过程 中又容易受到环境 以及晶体老化等 多种偶 然因素的影响 ，每 个晶振的频率不 可能完全一致 ，进而导致节 点 的计 时速率 的偏差 ，造成 了节 点时间的不一致 。一般地 ，本地时间与标准时间满足函数关系式：
字 ，设前导码和同步字 的总长度为 个 比特 ，根据发送速率 可知发送单个 比特的时间 。接收者在接 收完前 导码和 同步 字时记录下本地 时间 ｔ ，在即将调整 自己的本地时间之前记 录下本地时间 ｔ ２ ，并将本地时间改为 ｔ ｎｌ ｔ ｔ ｏ Ｚ ＋２ １ ＋ ｔ 。 ，以达到与
刘晓 璐
周 书 民 镶． ． 一
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、
引言
无线传 感器网 由大量传感器节 点组成 ，传感器节 点负责对监测 区域 内的某些特定数据进行 采集 ，并通过 无线通信 方式形成 的一个 多跳 自组织 网络 ，是 一种 新的分布式系统 。 目前主要应用于环境 的监 测和保护 、医 疗护理、军事等领域 。传感器所获得的数据必须具有准确 的时间和位置信息 ，否 则采集 的信息就是不完整 的。 此外，传感器节点的数据融合 、Ｔ ＤＭＡ定时、休眠周期的 同步等等这些都要求传感器节点具有统一的时钟 。 为了保持节点本地时间的一致性 ，必须调整本地 时钟 。时 间同步协议为精确地调整本地 时钟提供 了依据
发送者同步。
该协议 并没有考虑到实际传播 中的延迟（ 图 ２， 如 ） 且未对 时钟偏移进行补偿 ， 因而产生误 差。 ＭＴ Ｄ Ｓ协议的精度不高， 但算法简单，可 以满足部分无线传感器 网的时间同步需求 。
了节 点 的 能 量 的 消耗 。
３ Ｐ Ｎ 协 议 、Ｔ Ｓ
时钟 同步协议的分析都是 以该模型为前提的。 （ ）偏移有 界模型 ：如果时钟偏移具有上下界，则可认 ２
为时 钟 偏 移有 界 ，即 ： （） ， 般 ∈［ｐ ｍ，０ｐ ｍ］ ｆ 一 １ｐ １０ ｐ 。
Ｔ Ｓ 协 议 是 基 于 双 向报 文 交 换 （ ３ 的时 间 同步 机制 ， ＰＮ 图 ）
。
时问 ， Ａ收到该请 求报文时记录本地时间 ， 并立即 向节
点 Ｂ 返 回一 个 应 答 报 文 ， 并在 该 报 文 中嵌 入 和 该 报 文 的 发
三、经典 时间同步协议 根据无线传感器网络在不同领域 的应用 ，网络中各节点 的时钟有 时不必与标准时问同步，而只需要 网络中节点有 一 个统一的时间 即可 。定期对节 点时钟做 同步操作可减少偏 差
量 （ 图 １。 如 ）
１ 、ＤＭＴ Ｓ协 议
送 时刻 Ｔ，Ｂ收到应答报文时记录本地时 间 。 ３
报文 在传输 的过程 中会受 到多种 因素 的影响而 产生延 时。Ｄ Ｓ协议 的主要思想是：发送者在 同步信息的报文 中 ＭＴ
加 入 发 送 时 间 戳 ｔ，报 文 在 发送 前 必 须 先 发 送 前 导码 和 同步 ｏ
２０ ．７ Ｓｅ ｓ ｒ ｏｒ １ ０ ｎ ｏＷ ｌ ０ ｄ
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Ｓｉ ｎ ｌＰｒ ｃ ｓ ＆ Ｓｙ ｔ ｍ ｇ ａ ｏ ｅ ｓ ｓｅ
与 系 统
（ ）速率恒定模 型：如果时钟偏 移的变化非常小 ， １ 就可 以认 为时钟 的变化速率是恒 定的，即：ｐ ＝｝ ． ］ 。对 大多数 参考报文的本地时间，且线性拟合 的算法复杂，这些都增加
每个 节点与它上 一级 的节 点通 过两路 消息交换 进行 时间同 步，最后 实现所有节点与根节点的同步 。
节 点 向节 点 发 送 同步 请 求 报 文 并记 录 此 刻 的 本 地
（ ）偏移变化有 界模型 ：如果时钟偏移 的变化率 （） ３ ｆ
：
查 有界，则符合偏移变化 有界模型
