【正文】 每次都利用節(jié)點之間相對的時間偏置和時間速率，把傳感數(shù)據(jù)的時間戳轉(zhuǎn)換為本地的時間戳。 時鐘速率同步是讓傳感器節(jié)點的時鐘速率相等，而不管時鐘偏差是否同步，即 12 ... Nv v v? ? ? 時鐘速率同步能夠保證各個傳感器節(jié)點測量所得的時間間隔相等，即 1 0 1 2 0 2 0( ) ( ) ( ) ( ) .. . ( ) ( )NNh t h t h t h t h t h t? ? ? ? ? ? 時鐘偏差同步是讓傳感器節(jié)點在當前時刻 t。的時間偏差相等，而不管時鐘速率是否同步，即 12 ... N? ? ?? ? ? 時鐘偏差同步近似地認為在當前時刻 t0 后的一定時間段 [t。， t， ]內(nèi)，各個傳感器節(jié)點的時間相等，即 12( ) ( ) .. . ( )Nh t h t h t? ? ? 01[ , ]t t t? 相對而言，時鐘偏差同步更容易實現(xiàn)。 (2)連續(xù)同步和按需同步 連續(xù)同步是指無線傳感器網(wǎng)絡中所有傳感器節(jié)點的時間總是保持同步，因此在這種同步方式下，維護同步的通信量很大。按需同步是指無線傳感器網(wǎng)絡中所有傳感器節(jié)點的時間平時并不保持同步，只有在相關事件發(fā)生前或發(fā)生后才進行同步，因此按需同步方式不需要大量的維護同步的通信量，節(jié)省了通信帶寬和傳感器節(jié)點的能量。 (3)時標轉(zhuǎn)換和時間同步 時間同步就是讓無線傳感器網(wǎng)絡中所用傳感器節(jié)點的時間同步，總是顯示同樣的時間。時間同步可以通過執(zhí)行時間速率同步 r 和時間偏差同步來實現(xiàn)，或者通過連續(xù)時間偏差同步來實現(xiàn)。時標轉(zhuǎn)換是把一個傳感器節(jié)點的 本地時間轉(zhuǎn)換成另一個傳感器節(jié)點的本地時間，依此來實現(xiàn)網(wǎng)絡同步。 (4)全網(wǎng)同步和區(qū)域子網(wǎng)同步 全網(wǎng)同步是讓網(wǎng)絡中所有傳感器節(jié)點的時間同步，而區(qū)域子網(wǎng)同步只需要同步同一個區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點時間。在采用 TDMA 機制和基于一個監(jiān)測目標的信號協(xié)同處理等的情況下，通?？梢圆捎脜^(qū)域子網(wǎng)同步。全網(wǎng)同步可以實現(xiàn)與網(wǎng)絡外部時間的同步。 對多跳的無線傳感器網(wǎng)絡來說，網(wǎng)絡首先分簇，這樣使得一個參考節(jié)點就能同步其所在簇的所有節(jié)點。網(wǎng)關節(jié)點獨立地參加它所在所有簇的參考廣播過程，得到比鄰簇節(jié)點之間相對的時間偏置和時間速率，因此網(wǎng)關節(jié)點就可以把一個簇的時戳轉(zhuǎn)換到另一個簇的時戳，最終實現(xiàn)全網(wǎng)時間同步。 時鐘同步算法分類及比較 無線傳感器網(wǎng)絡的時鐘同步協(xié)議目前正是國外研究的熱點，各種協(xié)議在不同的應用環(huán)境和性能評價指標下各有千秋。綜觀這些算法，可分為以下基于發(fā)送者的同步，基于發(fā)送者 接受者交互的同步和基于接收者 接受者的同步三類。 基于發(fā)送者的同步模型 算法概述 :一節(jié)點或接收站 Sink 充當時間基準點，發(fā)送包含當前時鐘讀數(shù)的同步信令，其他節(jié)點接收到該同步信令后，估算時延等參數(shù)并調(diào)整自己的邏輯時鐘值，以和基準點達成同步。節(jié)點在和基準點同步后作為新的基準點，一環(huán)環(huán)向外同步，直至覆蓋整個網(wǎng)絡。代表性算法有基于時延測量的 DMTS(Delay Measurement Time Synchronization)算法和基于洪泛的 FTSP(Flooding Time Synchronization Protocol for Sensor Networks)算法 ， 二者均基于 MICAMOTE 硬件平臺。 DMTS 算法結合鏈路層打時間戳和時延估計等技術，消除了發(fā)送時延和接入時延的影響，算法簡單，通信開銷小。具體同步過程如下 :MOTE 先發(fā)送前導碼和同步碼，而后才發(fā)送數(shù)據(jù)。鏈路層在發(fā)送前導碼和同步碼時，給同步信令包打上時間戳 T ， 接收節(jié)點收到前導碼和同步碼后，記錄此時自己的本地時間 1T ，在開始處理接收到的數(shù)據(jù)包時，記錄此時的本地時間 2T 。電磁波的傳播時延忽略不計，則全部的時延為發(fā)送前導碼和同步碼的時延加上 2T 和 1T 的差，設前導碼和同步碼共有 n 位，發(fā)送一位所需時間為 ? ，則接收節(jié)點的時鐘調(diào)整為 ： 21()rT T n T T?? ? ? ? DMTS 依靠分級實現(xiàn)多跳同步，信令包中附帶節(jié)點的級別?；鶞使?jié)點的級別定為 0 級，其周圍節(jié)點與基準節(jié)點同步 后，級別定為 1 級 ； 1 級節(jié)點再作為基準點，向外發(fā)射同步信令包，以此類推 2 級、 3 級 .? n 級，直到覆蓋全網(wǎng)。為 減少誤差和避免回環(huán)，節(jié)點只向級別比自己低的節(jié)點同步。 DMTS 單跳同步誤差受同步精度和計時精度影響， MICAMOTE 的同步精度為 2us， 外部晶振為 32768Hz，時鐘計時精度約為 32us，因此其誤差集中于 2~32us之間 ； 多跳精度隨跳數(shù)增加而下降，由于誤差的正負相加抵消了一部分，兩跳的誤差約為單跳誤差的 倍。 DMTS 算法同步開銷小，但沒有估計時鐘的頻率偏差，時鐘保持同步的時間較短 ； 也沒有消除時鐘計時精度對同步精度的影響，因此其精度不高，不適用于定位等要求高精度同步的應用。 FTSP 算法與 DMTS 算法類似，但它面向軍事定位應用，精度達到了微秒級，其進行了如下改進 : (l)通過對收發(fā)過程的分析，把時延細分為發(fā)送中斷處理時延、編碼時延、傳播時延、解碼時延、字節(jié)對齊時延、接收中斷處理時延，進一步地降低了時延的不確定度。 (2)通過發(fā)射多個信令包，使得接收節(jié)點可以利用最小方差線性擬合技術估算自己和發(fā)送節(jié)點的頻率差和初相位差。 (3)設計了一套根節(jié)點選舉機制，針對節(jié)點失效、新節(jié)點加入、拓撲變化等情況進行了優(yōu)化，這使得它比 DMTS 更加強健，適合于軍用等惡劣情況。 基于發(fā)送者 接收者交互的同步 算法概述 :類似于 NTP 算法，基于客戶機 服務器架構。待同步節(jié)點向基準節(jié)點發(fā)送同步請求包，基準節(jié)點回饋包含當前時間的同步包。待同步節(jié)點估算時延并校準時鐘。代表性算法有 TPSN(Timingsync protocol for Sensor Networks)算法。TPSN 算法采用鏈路層打時間戳技術，避免了協(xié)議發(fā)送時延、接入時延和接收處理時延的影響 ； 并通過構造分層網(wǎng)絡實現(xiàn)多跳同步。 TPSN 采用雙向通信，可以把傳送時延、傳播時延和接收時延的影響降低 50%。其同步過程如下 :待同步客戶機 A 向同步服務器 B 發(fā)送同步請求并記錄此時的本地時間 1T ， B 收到該包后記錄本地時間 2T ，經(jīng)過一段時間后發(fā)送同步回應包，附帶此時時刻 3T 以及 2T ， A 收到后記錄本地時間 4T 。通過同步信令的交互，估算往返時延 d 和時間偏差 ? ，可實現(xiàn) 1~50ms 精度計算機校時。 TPSN算法沒有對時鐘的頻差進行估計，這使得它需要頻繁同步，開銷較大。TinySync 和 MiniSync 算法對 TPSN 進行了改進，通過發(fā)送多個信令包，利用夾逼方法估算頻率差和初相位，提高了同步精度，并降低了通信開銷。 基于接收者 接收者交互的同步 算法概述 :第三方節(jié)點廣播若干次同步信令，廣播域內(nèi)各節(jié)點利用物理時鐘記錄信令的到達時刻，然后各接收節(jié)點之間交互時間記錄，進而兩兩校準時鐘。代表性算法有 RBS(Reference Broadcast synchronization)和 Adaptive RBS。 RBS 算法利用了無線信道的廣播特性，因為接收節(jié)點之間距離不遠，傳播時延差可以忽略，第三方信息基本同時到達廣播域內(nèi)的所有接收站，消除了發(fā)送端時延的影響。而后，接收節(jié)點之間交互信令序列到達時間，利用最小方差線性擬合方法估計彼此之間的相位差和頻率偏差。采用鏈路層打時間戳 的技術，可進一步消除接收處理時延的影響，最終的同步精度可以達到微秒級。 RBS 算法利用不同廣播域相交區(qū)域內(nèi)的節(jié)點起時間轉(zhuǎn)換作用，以實現(xiàn)多跳時間同步。Adaptive RBS 算法對 RBS 算法進行了若干改進，可以實現(xiàn)概率意義的同步。其改進如下 : (l)根據(jù)接收節(jié)點之間時延的正態(tài)分布規(guī)律，計算了為達到一定的同步精度所需發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)。 (2)接收節(jié)點改向第三方節(jié)點發(fā)送時間記錄，然后再由第三方接點廣播這些時間記錄，降低了開銷。 (3)利用分層技術實現(xiàn)多跳同步，不要求必須有節(jié)點存在兩個廣播域的交界處，更為實用。 在無線傳感器網(wǎng)絡的具體應用中，沒有空間和時間信息的測量數(shù)據(jù)通常沒有多大的實際意義，因此傳感器節(jié)點的定位技術和時間同步技術是無線傳感器網(wǎng)絡關鍵的支撐技術。本章主要討論了無線傳感器網(wǎng)絡的時間同步問題、技術和提高時間同步精度的方法，給出了傳感器節(jié)點的時間模型和時間速率同步與時間偏差同步的關系。研究了無線傳感器網(wǎng)絡時間同步的種類、傳感器節(jié)點間時間同步的技術和無線傳感器網(wǎng)絡時間同步算法及其比較。 第四章 數(shù)據(jù)融合 算法設計實現(xiàn) 設計原則 (1)通用性：為了使數(shù)據(jù)融合具有良好的通用性，可以與多種路由協(xié)議和 MAC 協(xié)議協(xié)同工作，在設計數(shù)據(jù)融合模型時，數(shù)據(jù)融合算法的實現(xiàn)應當獨立于網(wǎng)絡層和數(shù)據(jù)鏈路層。由于數(shù)據(jù)融合關注的是應用數(shù)據(jù)包，因此數(shù)據(jù)融合的實現(xiàn)應當位于應用層與網(wǎng)絡層之間，這樣既能與應用層的數(shù)據(jù)形成緊密聯(lián)系，又可保持數(shù)據(jù)融合的相對獨立性。 (2)平衡數(shù)據(jù)準確性和實效性：為了使數(shù)據(jù)融合更加有效，要求融合節(jié)點必須延遲一段時間以收集到足夠多的數(shù)據(jù)進行融合。如果從感知區(qū)域內(nèi)獲得的數(shù)據(jù)超過了最大延遲時間，則此信息對用戶是失效的；但如果延遲時間過短，融合節(jié)點收集到的數(shù)據(jù)過少，則融合后的信息是不準確的。因此，如何確定最大融合延遲并將延遲時間合理地分配到各個融合節(jié)點上，平衡數(shù)據(jù)的準確性和時效性，使融合達到最佳的效果就成為了數(shù)據(jù)融合的核心問題。 詳細設計 在 WSN 中，所有的傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)均要通過多跳方式傳遞至 Sink 節(jié)點，整個網(wǎng)絡形成以 Sink 節(jié)點為根節(jié)點的樹狀拓撲結構，在 WADA 機制中，每個父節(jié)點均需對其子節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)進行融合操作。對于數(shù)據(jù)融合層，網(wǎng)絡中存在兩種類型的數(shù)據(jù)包：數(shù)據(jù)請求包和數(shù)據(jù)應答包 )。 如前所述，數(shù)據(jù)融合的關鍵在于確定最大延遲時間并將延遲時間合理地分配到各個節(jié)點上，在 WADA 機制中，最大延遲時間由 Sink 節(jié)點確定， Sink 節(jié)點將最大延遲時間信息置于 Data Request 中，并首先發(fā)送 Data Request。傳感器節(jié)點收到 Data Request 后，獲得包中攜帶的最大延遲時間信息，由于數(shù)據(jù)的傳輸和處理需要時間，為了使父節(jié)點能夠有時間對信息進行處理，傳感器節(jié)點需要在此基礎上減去一定時間作為本節(jié)點的延遲時間，理想情況下減去的時間應該為傳輸時延的兩倍，但由于無線信道的特性，減去的時間應比兩倍的傳輸時延要長。確定本節(jié)點延遲時間后，再向子節(jié)點發(fā)送攜帶有本節(jié)點延遲時間信息的 Data Request，這樣隨著 Data Request 沿著樹狀網(wǎng)絡結構一層層向下傳遞，延遲時間被分配到各個節(jié)點上。 各節(jié)點獲得自己的延遲時間后，開始等待 Data Response 的到來， 并將接收到的 Data Response 放入緩存中，直到延遲時間結束，將所有接收到的子節(jié)點的Data Response 與自身采集到的數(shù)據(jù)進行融合處理，并將處理后的數(shù)據(jù)置于新的Data Response 中，向父節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。最終所有經(jīng)過融合處理后的數(shù)據(jù)均以 Data Response 的形式傳至 Sink 節(jié)點。數(shù)據(jù)融合流程如圖 9 所示。 圖 9 數(shù)據(jù)融合流程 由于各節(jié)點延遲時間的確定是以 Sink 節(jié)點確定的最大延遲時間為基準的，所以 Sink 節(jié)點如何確定最大延遲時間對于數(shù)據(jù)融合機制是十分重要的。在WADA 機制中 ， Sink 節(jié)點根據(jù)本輪融合接收到的 Data Response 的數(shù)目來動態(tài)調(diào)整下一輪融合的最大延遲時間。 1 ()n n opt recT T i R R? ? ? ? 式中： nT 表示 本輪的最大延遲時間； 1nT? 表示 下一輪的最大延遲時間； recR表示 本輪接收到的 Data Response 數(shù)目； optR 表示 最佳 Data Response 接收數(shù)目，與應用層數(shù)據(jù)特性密切相關； i 表示 調(diào)整因子 (i 0)， i 的大小對 WADA機制的時間收斂性產(chǎn)生直接影響。 如果 rec optRR? ，接收到的 Data Response數(shù)目超過最佳值，表明本輪設定的最大延遲時間過長， WADA機制將會減少下一輪的延遲時間，以增加數(shù)據(jù)的時效性；如果 rec optRR? ，表明本輪設定的最大延遲時間過短， WADA機制將會增減下一輪的延遲時間，使各節(jié)點有更加充足的時間進行數(shù)據(jù)融合，以增加融合后數(shù)據(jù)的準確性。 Data Request 和 Data Response 的包格式如圖 10所示。 圖 10 數(shù)據(jù)包格式 對于 Data Request， ID號不僅標示了包類型，也指明了此 Data Request屬于第幾輪數(shù)據(jù)融合；融合類型表明節(jié)點應執(zhí)行的融合操作，如取最值，求平均值等；延遲時間包含有父節(jié)點的延遲時間信息，節(jié)點在向子節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā) Data Request時，需對此域值進行修改。 對于 Data Response， ID號與其相關聯(lián)的 Data Request的 ID號相同； Data Response數(shù)目表示融合后的數(shù)據(jù)包中 Data Response的數(shù)目；數(shù)據(jù)載荷域負責攜帶融合后的數(shù)據(jù)。 第 五 章 兩種時鐘同步算法設計實現(xiàn) 本文介紹兩種同步技術的初步設計與實現(xiàn)方案 。 第一種是在有外部其他網(wǎng)絡基礎設施可以利用 (提供能源 )的無線傳感器網(wǎng)絡 (如醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)、智能家居系統(tǒng) )中高精度的時鐘同步技術研究 。 一種可能的方案是將在傳統(tǒng)局域網(wǎng)范圍內(nèi)實現(xiàn)的精度