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无线传感器网络低功耗多跳广播时钟同步算法

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基金项目： 国家自然科学基金资助项目(61071088, 60962001)； 广西无线宽带通信与信号处理重点实验室 2011 年度主任基金资 助项目(11105) 作者简介：覃秀英(1986－)，女，硕士研究生，主研方向：无线传感器网络，时钟同步；郑 硕士研究生；仇洪冰，教授、博士 收稿日期：2012-01-12 修回日期：2012-02-28 E-mail：qinxiuying0236@ 霖，副教授、博士；胡 雯，
覃秀英，郑 霖，胡
摘
雯，仇洪冰
(桂林电子科技大学信息与通信学院，广西 桂林 541004) 要：为满足无线传感器网络低功耗的要求，提出一种双广播域同步的低功耗多跳广播时钟同步算法。该算法基于接收
端-接收端同步机制，通过一对已同步节点间对等广播消息，只需多发送一次消息，即可将该对节点的同步范围扩大为两广 播域的并集，并采用双根节点的层级结构将算法扩展到全网络范围。OMNeT++仿真结果表明，与 MBS 算法相比，该算法 能有效降低全网络同步需要传输的报文个数。 关键词：无线传感器网络；时钟同步；接收端-接收端同步；广播；低功耗；多跳
————————————
送参考广播来消除发送端延迟不确定性对同步精度 的影响， RBS 协议 [5] 是此类机制的典型代表。 近年来，很多基于广播域同步的轻量级的算法相 继被提出。这类算法以节点的广播域为基本同步单 位，通过域中某 2 个节点广播或转发消息，其余节点 只需要接收来自这 2 个节点的消息， 就可以达到同步， 最后按照逐广播域扩展的方式实现全网络范围的同 步。通过减少广播域内同步所需的报文个数或扩大相 应报文个数的同步范围，降低整个网络的开销， HRTS[6] 、 BTS[7] 、 PBS [8] 、 MBS [9] 等协议是此类算法 的典型代表。 文献 [6-9]的算法能够有效降低网络的能 耗，但仍存在点对点的报文传输过程，同时文献 [6-8]
Energy-efficient Multihop Broadcast Clock Synchronization Algorithm for Wireless Sensor Networks
QIN Xiu-ying, ZHENG Lin, HU Wen, QIU Hong-bing
(School of Information and Communication, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China) 【Abstract】In order to satisfy the requirement of energy constrained in Wireless Sensor Network(WSN), an energy-efficient multihop broadcast synchronization algorithm based on double broadcast domain is proposed. The algorithm is based on Receiver-receiver Synchronization(RRS). Node synchronization range is expanded to two broadcast domains by peer-to-peer broadcasting message in a pair of synchronized nodes which need to broadcast message one more time. A hierarchical structure with two root nodes is built, and the algorithm is extended to the network-wide. OMNeT++ simulation results show that the proposed algorithm requires much less timing messages for network-wide synchronization than MBS algorithm. 【 Key words 】 Wireless Sensor Network(WSN); clock synchronization; Receiver-receiver Synchronization(RRS); broadcast; energy-efficient; multihop DOI: 10.3969/j.issn.1000-3428.2013.01.022
1
概述
在 无 线 传 感 器 网 络 (Wireless Sensor Network, WSN) 中，节点定位、低能耗睡眠、数据融合、传输 调度以及数据时间标记等技术都依赖于节点间的时 钟同步。针对 WSNs 的时钟同步问题，国内外学者已 经展开了大量的研究 [1] ，目前该领域的基本同步机制 大 致 可 以 分 为 发 送 者 - 接 收 者 之 间 的 同 步 机 制 (SRS) 以及接收者 -接收者之间的同步机制 (RRS)两大类。其 中，SRS 机制又可分为以下 2 类：(1)基于单向报文传 输 的 发送 者 - 接 收 者同 步机 制 ， 如 DMTS 协 议 [2] 和 FTSP 协议 [3] ； (2)基于成对节点双向报文交换的同步 机制，如 TPSN 协议 [4] 。RRS 机制利用第三方节点发
第 39 卷 Vol.39
第1期 No.1
计 算 机 工 程 Computer Engineering
文章编号：1000—3428(2013)01—0102—04 文献标识码：A
2013 年 1 月 January 2013
中图分类号：TP393
・网络与通信・
无线传感器网络低功耗多跳广播时钟同步算法第 39 卷第1期覃秀英，郑霖，胡
雯，等：无线传感器网络低功耗多跳广播时钟同步算法

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能量有效的无线传感器网络时间同步算法

能量有效的无线传感器网络时间同步算法

．
同 步 ， 让 尽 可 能 多 的 节 点 只 需 监 听 数 据 包 就 能达 到 同步 。 而
１ 同步协 议 比较
影 响 时 间 同 步 算 法 精 度 的重 要 因 素 就 是 时 间 的 不 确 定
性 ， 种 不 确 定 性 是 由很 多 环 节 共 同作 用 的 结 果 ， 这 些 时 间 此 把 环 节 分 为 以 下 ６个 阶 段 ： （） １ 发送 时 间 ： 段 时 间 主 要 是 发 送 节 点 用 于 构 建 脉冲 包 这 或 是 同步 包 ， 括 内核 和 协 议 处 理 以及 操 作 系 统 的 延 迟 ， 送 包 发 时 间 也 可 认 为 是把 信 息 从 发 送 节 点 发送 到 网 络 接 口的 时 间 。 （） 问 时 间 ： 待 访 问 传输 信道 的 延 迟 时 间 。基 于争 用 ２访 等
Ｌ Ｕ Ｊ ｎ ＷＡ ａ — ｉｇ ＤＡＩ ｏｚ ｕ Ｚ ＡＮＧ ｈ ａ ｇ Ｉ ｕ ， ＮＧ Ｑｉｎｐｎ ， —ｈ ， Ｈ Ｋａ Ｓ ｕｎ
（ ｃ ｏ ｌ ｆ ｏ ｕｅ ｃｅ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｓ ｈ ｏ Ｃ ｍｐ ｔｒ ｉｎ ｅａ ｄＴ ｃ ｎ ｌｇ ，Ｃｈｎ ｉｅｓ ｙｏ Ｍｉｉｇａ ｄＴ ｃ ｎ ｌｇ ，Ｘｕ ｈ ｕ２ １ １ ， Ｃ ｉａ ｏ Ｓ ｉａ ｖ ｒｉ ｆ ｎｎ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｕｎ ｔ ｚ ｏ ２ １ ６ ｈｎ ）
器网络： 张爽 （９ ５ ，女，山东菏泽人 ，硕士研究生 ，研 究方 向为无线传感器网络。Ｅｍａｌ ｉ ｕ ｃｍｔｓ ６ ． ｒ １８ 一） － ｉ ｕ ｎ ｕ ｃ＠１３ｃ ｎ ：ｌｊ ｏ
刘俊 ，王潜平，戴靠柱 ，等：能量有效 的无 线传感 器网络 时间同步算法
（） 送 时 间 ： 要 是 发 送 节 点 把 包 传 送 给 接 收 节 点 所 ３传 主
无线传感器网络中基于时钟漂移补偿的时间同步技术

无线传感器网络中基于时钟漂移补偿的时间同步技术


L i
(t3.i
)
和
L j
(t 3.
j
)
（分别表示这两个节点的
本地时钟），这里各节点被认为是同时收到这个数据报文的，也就是有 t = t ，此后，节点之间相
3.i
3. j
互交换时间标记。那么，两节点之间时间偏移量为 o = L (t ) − L (t ) 。这种协议的优点是不需要考
i 3.i
j 3. j
1
2
4
时钟的频率漂移和偏移量，最终达到同步。
1.2 “接收/接收”协议的原理
在“接收/接收”协议中，同一个带有时间标记的数据报文发送到多个接收方，接收方存储后再
相互之间交换数据进行同步，而不与发送方同步。如图 2 所示，参考节点 R 广播 1 个数据报文，广
播域内各节点（i，j）收到这个报文后打上本地的时间标记
估计值[11]：
n
∑ ∆ok ⋅ ∆tk
ρ = k =1
i
n
∑ ∆tk 2
k =1
（5）
（5）式中， ∆ok 表示对于相邻的两次时间同步过程分别计算出的两个时钟偏移量之间的差值，而每
次同步过程的时钟偏移量可用（4）式算得；∆tk 表示时间同步过程的执行周期。从而可以得到一般情
况下，节点 i 在 Hi (t5 ) 的时钟模型为
虑发送端的不确定性的影响，并且可以通过节点之间数据报文的多次广播求取平均值来减小传播时
延所带来的误差。这在节点密度很大的区域内工作时很有优势。
122
时间频率学报
做时间标记Li (t3.i ) t1.i t2.i t3.i
i
总 32 卷
R t0
j t1. j t2. j t3. j 交换 t3 时刻数据 做时间标记L j (t3. j )
TPSN时间同步算法研究

TPSN时间同步算法研究

省了 1 跳范围内时间同步时主动发起的一次数据请求，
另一方面节省了下层节点时间同步时与他们的一次完
整的数据交换。
THANK YOU
——层次间开销优化设计（1）
网络拓扑简化，采用选择最佳邻居的拓扑优化思路，该算法被命名为 best-Neighbor TPSN，即 N-TPSN。
N-TPSN时间同步算法
——层次间开销优化设计（2）
检测 1 跳邻居
保存选中名单
计算 2 跳邻居
计算最佳邻居
➢ 1 号节点的 1 跳节点中只有 2、4、6、8 号节点需要
向1 号节点发送时间同步请求数据包，3、5、7、9
号节点只需要进行无线信道的监听。在 1 跳范围内的
节点被同步到 1 号节点之后，2 跳节点只需要向之前
进行了同步数据交换的节点发送请求，即 10、11 节
点只需要向 2 号节点发送时间同步请求数据包。
➢ 相对于 TPSN 协议，一方面 3、5、7、9 四个节点节
发送节点时延的影响，但缺点在于信息交换次数较多，能耗较大。
➢ 该种类型的代表性算法是 RBS 算法。
WSN时间同步概述
——时间同步算法的分类（2）
•（2）基于发送者——接收者（Sender--Receiver）的双向时间同步
➢ 基于发送者——接收者的双向时间同步算法，类似于传统Internet 中的 NTP协议，即基
TPSN时间同步算法
——层次发现阶段
该阶段主要工作是把整
个网络进行分层。
每个初次接收到级别发
现数据包的节点需要将
层次加 1 并继续广播，
直到完成整个网络的分
层工作。
04
01
02
时钟源节点作为根节点，广播级
无线传感器网络的路由算法

无线传感器网络的路由算法

AODV协议1. 概述Nokia研究中心开发，自组网路由协议的RFc标准，它是DSR和DSDV的综合，借用了DSR中路由发现和路由维护的基础程序，及DSDV的逐跳(Hop-by-HoP)路由、目的节点序列号和路由维护阶段的周期更新机制，以DSDV为基础，结合DSR中的按需路由思想并加以改进。

它应用于无线自组织网络中进行路由选择的路由协议, 它能够实现单播和多播路由。

该协议是自组织网络中按需生成路由方式的典型协议。

用于特定网络中的可移动节点。

它能在动态变化的点对点网络中确定一条到目的地的路由，并且具有接入速度快，计算量小，内存占用低，网络负荷轻等特点。

它采用目的序列号来确保在任何时候都不会出现回环，避免了传统的距离向量协议中会出现的很多问题。

AODV最初提出的目的是为了建立一个纯粹的按需路由的系统。

网络中的节点完全不依赖活动路径，既不维护任何路由信息，也不参与任何定期的路由表交换。

节点不需要发现和维护到其他节点的路由，除非两个节点需要通讯或者节点是作为中间转发节点提供特定的服务来维护另外两个节点的连接性。

提出：With the goals of minimizing broadcasts and transmission latency when new routes are needed, we designed a protocol to improve up on the performance characteristics of DSDV in the creation and maintenance of ad-hoc networks.2. 特点优点：（1）基本路由算法为距离向量算法，但有所改进，思路简单、易懂。

（2）按需路由协议，而且节点只存储需要的路由，减少了内存的需求和不必要的复制。

（3）采用UDP 封装，属于应用层协议。

（4）支持中间节点应答，能使源节点快速获得路由，有效减少了广播数，但存在过时路由问题。