【正文】 每次都利用節(jié)點(diǎn)之間相對(duì)的時(shí)間偏置和時(shí)間速率，把傳感數(shù)據(jù)的時(shí)間戳轉(zhuǎn)換為本地的時(shí)間戳。 時(shí)鐘速率同步是讓傳感器節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘速率相等，而不管時(shí)鐘偏差是否同步，即 12 ... Nv v v? ? ? 時(shí)鐘速率同步能夠保證各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)量所得的時(shí)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(shí)鐘偏差同步是讓傳感器節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前時(shí)刻 t。的時(shí)間偏差相等，而不管時(shí)鐘速率是否同步，即 12 ... N? ? ?? ? ? 時(shí)鐘偏差同步近似地認(rèn)為在當(dāng)前時(shí)刻 t0 后的一定時(shí)間段 [t。， t， ]內(nèi)，各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的時(shí)間相等，即 12( ) ( ) .. . ( )Nh t h t h t? ? ? 01[ , ]t t t? 相對(duì)而言，時(shí)鐘偏差同步更容易實(shí)現(xiàn)。 (2)連續(xù)同步和按需同步 連續(xù)同步是指無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有傳感器節(jié)點(diǎn)的時(shí)間總是保持同步，因此在這種同步方式下，維護(hù)同步的通信量很大。按需同步是指無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有傳感器節(jié)點(diǎn)的時(shí)間平時(shí)并不保持同步，只有在相關(guān)事件發(fā)生前或發(fā)生后才進(jìn)行同步，因此按需同步方式不需要大量的維護(hù)同步的通信量，節(jié)省了通信帶寬和傳感器節(jié)點(diǎn)的能量。 (3)時(shí)標(biāo)轉(zhuǎn)換和時(shí)間同步 時(shí)間同步就是讓無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中所用傳感器節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步，總是顯示同樣的時(shí)間。時(shí)間同步可以通過(guò)執(zhí)行時(shí)間速率同步 r 和時(shí)間偏差同步來(lái)實(shí)現(xiàn)，或者通過(guò)連續(xù)時(shí)間偏差同步來(lái)實(shí)現(xiàn)。時(shí)標(biāo)轉(zhuǎn)換是把一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的 本地時(shí)間轉(zhuǎn)換成另一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間，依此來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(luò)中所有傳感器節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步，而區(qū)域子網(wǎng)同步只需要同步同一個(gè)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)間。在采用 TDMA 機(jī)制和基于一個(gè)監(jiān)測(cè)目標(biāo)的信號(hào)協(xié)同處理等的情況下，通常可以采用區(qū)域子網(wǎng)同步。全網(wǎng)同步可以實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)外部時(shí)間的同步。 對(duì)多跳的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)首先分簇，這樣使得一個(gè)參考節(jié)點(diǎn)就能同步其所在簇的所有節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立地參加它所在所有簇的參考廣播過(guò)程，得到比鄰簇節(jié)點(diǎn)之間相對(duì)的時(shí)間偏置和時(shí)間速率，因此網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)就可以把一個(gè)簇的時(shí)戳轉(zhuǎn)換到另一個(gè)簇的時(shí)戳，最終實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)時(shí)間同步。 時(shí)鐘同步算法分類及比較 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步協(xié)議目前正是國(guó)外研究的熱點(diǎn)，各種協(xié)議在不同的應(yīng)用環(huán)境和性能評(píng)價(jià)指標(biāo)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(diǎn)或接收站 Sink 充當(dāng)時(shí)間基準(zhǔn)點(diǎn)，發(fā)送包含當(dāng)前時(shí)鐘讀數(shù)的同步信令，其他節(jié)點(diǎn)接收到該同步信令后，估算時(shí)延等參數(shù)并調(diào)整自己的邏輯時(shí)鐘值，以和基準(zhǔn)點(diǎn)達(dá)成同步。節(jié)點(diǎn)在和基準(zhǔn)點(diǎn)同步后作為新的基準(zhǔn)點(diǎn)，一環(huán)環(huán)向外同步，直至覆蓋整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。代表性算法有基于時(shí)延測(cè)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(tái)。 DMTS 算法結(jié)合鏈路層打時(shí)間戳和時(shí)延估計(jì)等技術(shù)，消除了發(fā)送時(shí)延和接入時(shí)延的影響，算法簡(jiǎn)單，通信開銷小。具體同步過(guò)程如下 :MOTE 先發(fā)送前導(dǎo)碼和同步碼，而后才發(fā)送數(shù)據(jù)。鏈路層在發(fā)送前導(dǎo)碼和同步碼時(shí)，給同步信令包打上時(shí)間戳 T ， 接收節(jié)點(diǎn)收到前導(dǎo)碼和同步碼后，記錄此時(shí)自己的本地時(shí)間 1T ，在開始處理接收到的數(shù)據(jù)包時(shí)，記錄此時(shí)的本地時(shí)間 2T 。電磁波的傳播時(shí)延忽略不計(jì)，則全部的時(shí)延為發(fā)送前導(dǎo)碼和同步碼的時(shí)延加上 2T 和 1T 的差，設(shè)前導(dǎo)碼和同步碼共有 n 位，發(fā)送一位所需時(shí)間為 ? ，則接收節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘調(diào)整為 ： 21()rT T n T T?? ? ? ? DMTS 依靠分級(jí)實(shí)現(xiàn)多跳同步，信令包中附帶節(jié)點(diǎn)的級(jí)別。基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的級(jí)別定為 0 級(jí)，其周圍節(jié)點(diǎn)與基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)同步 后，級(jí)別定為 1 級(jí) ； 1 級(jí)節(jié)點(diǎn)再作為基準(zhǔn)點(diǎn)，向外發(fā)射同步信令包，以此類推 2 級(jí)、 3 級(jí) .? n 級(jí)，直到覆蓋全網(wǎng)。為 減少誤差和避免回環(huán)，節(jié)點(diǎn)只向級(jí)別比自己低的節(jié)點(diǎn)同步。 DMTS 單跳同步誤差受同步精度和計(jì)時(shí)精度影響， MICAMOTE 的同步精度為 2us， 外部晶振為 32768Hz，時(shí)鐘計(jì)時(shí)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(fù)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(méi)有估計(jì)時(shí)鐘的頻率偏差，時(shí)鐘保持同步的時(shí)間較短 ； 也沒(méi)有消除時(shí)鐘計(jì)時(shí)精度對(duì)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(yīng)用。 FTSP 算法與 DMTS 算法類似，但它面向軍事定位應(yīng)用，精度達(dá)到了微秒級(jí)，其進(jìn)行了如下改進(jìn) : (l)通過(guò)對(duì)收發(fā)過(guò)程的分析，把時(shí)延細(xì)分為發(fā)送中斷處理時(shí)延、編碼時(shí)延、傳播時(shí)延、解碼時(shí)延、字節(jié)對(duì)齊時(shí)延、接收中斷處理時(shí)延，進(jìn)一步地降低了時(shí)延的不確定度。 (2)通過(guò)發(fā)射多個(gè)信令包，使得接收節(jié)點(diǎn)可以利用最小方差線性擬合技術(shù)估算自己和發(fā)送節(jié)點(diǎn)的頻率差和初相位差。 (3)設(shè)計(jì)了一套根節(jié)點(diǎn)選舉機(jī)制，針對(duì)節(jié)點(diǎn)失效、新節(jié)點(diǎn)加入、拓?fù)渥兓惹闆r進(jìn)行了優(yōu)化，這使得它比 DMTS 更加強(qiáng)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(jī) 服務(wù)器架構(gòu)。待同步節(jié)點(diǎn)向基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步請(qǐng)求包，基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)回饋包含當(dāng)前時(shí)間的同步包。待同步節(jié)點(diǎn)估算時(shí)延并校準(zhǔn)時(shí)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(shí)間戳技術(shù)，避免了協(xié)議發(fā)送時(shí)延、接入時(shí)延和接收處理時(shí)延的影響 ； 并通過(guò)構(gòu)造分層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多跳同步。 TPSN 采用雙向通信，可以把傳送時(shí)延、傳播時(shí)延和接收時(shí)延的影響降低 50%。其同步過(guò)程如下 :待同步客戶機(jī) A 向同步服務(wù)器 B 發(fā)送同步請(qǐng)求并記錄此時(shí)的本地時(shí)間 1T ， B 收到該包后記錄本地時(shí)間 2T ，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后發(fā)送同步回應(yīng)包，附帶此時(shí)時(shí)刻 3T 以及 2T ， A 收到后記錄本地時(shí)間 4T 。通過(guò)同步信令的交互，估算往返時(shí)延 d 和時(shí)間偏差 ? ，可實(shí)現(xiàn) 1~50ms 精度計(jì)算機(jī)校時(shí)。 TPSN算法沒(méi)有對(duì)時(shí)鐘的頻差進(jìn)行估計(jì)，這使得它需要頻繁同步，開銷較大。TinySync 和 MiniSync 算法對(duì) TPSN 進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)發(fā)送多個(gè)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(diǎn)廣播若干次同步信令，廣播域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)利用物理時(shí)鐘記錄信令的到達(dá)時(shí)刻，然后各接收節(jié)點(diǎn)之間交互時(shí)間記錄，進(jìn)而兩兩校準(zhǔn)時(shí)鐘。代表性算法有 RBS(Reference Broadcast synchronization)和 Adaptive RBS。 RBS 算法利用了無(wú)線信道的廣播特性，因?yàn)榻邮展?jié)點(diǎn)之間距離不遠(yuǎn)，傳播時(shí)延差可以忽略，第三方信息基本同時(shí)到達(dá)廣播域內(nèi)的所有接收站，消除了發(fā)送端時(shí)延的影響。而后，接收節(jié)點(diǎn)之間交互信令序列到達(dá)時(shí)間，利用最小方差線性擬合方法估計(jì)彼此之間的相位差和頻率偏差。采用鏈路層打時(shí)間戳 的技術(shù)，可進(jìn)一步消除接收處理時(shí)延的影響，最終的同步精度可以達(dá)到微秒級(jí)。 RBS 算法利用不同廣播域相交區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)起時(shí)間轉(zhuǎn)換作用，以實(shí)現(xiàn)多跳時(shí)間同步。Adaptive RBS 算法對(duì) RBS 算法進(jìn)行了若干改進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)概率意義的同步。其改進(jìn)如下 : (l)根據(jù)接收節(jié)點(diǎn)之間時(shí)延的正態(tài)分布規(guī)律，計(jì)算了為達(dá)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(diǎn)改向第三方節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)間記錄，然后再由第三方接點(diǎn)廣播這些時(shí)間記錄，降低了開銷。 (3)利用分層技術(shù)實(shí)現(xiàn)多跳同步，不要求必須有節(jié)點(diǎn)存在兩個(gè)廣播域的交界處，更為實(shí)用。 在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的具體應(yīng)用中，沒(méi)有空間和時(shí)間信息的測(cè)量數(shù)據(jù)通常沒(méi)有多大的實(shí)際意義，因此傳感器節(jié)點(diǎn)的定位技術(shù)和時(shí)間同步技術(shù)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵的支撐技術(shù)。本章主要討論了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步問(wèn)題、技術(shù)和提高時(shí)間同步精度的方法，給出了傳感器節(jié)點(diǎn)的時(shí)間模型和時(shí)間速率同步與時(shí)間偏差同步的關(guān)系。研究了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的種類、傳感器節(jié)點(diǎn)間時(shí)間同步的技術(shù)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步算法及其比較。 第四章 數(shù)據(jù)融合 算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)數(shù)據(jù)融合模型時(shí)，數(shù)據(jù)融合算法的實(shí)現(xiàn)應(yīng)當(dāng)獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層。由于數(shù)據(jù)融合關(guān)注的是應(yīng)用數(shù)據(jù)包，因此數(shù)據(jù)融合的實(shí)現(xiàn)應(yīng)當(dāng)位于應(yīng)用層與網(wǎng)絡(luò)層之間，這樣既能與應(yīng)用層的數(shù)據(jù)形成緊密聯(lián)系，又可保持?jǐn)?shù)據(jù)融合的相對(duì)獨(dú)立性。 (2)平衡數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和實(shí)效性：為了使數(shù)據(jù)融合更加有效，要求融合節(jié)點(diǎn)必須延遲一段時(shí)間以收集到足夠多的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。如果從感知區(qū)域內(nèi)獲得的數(shù)據(jù)超過(guò)了最大延遲時(shí)間，則此信息對(duì)用戶是失效的；但如果延遲時(shí)間過(guò)短，融合節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)過(guò)少，則融合后的信息是不準(zhǔn)確的。因此，如何確定最大融合延遲并將延遲時(shí)間合理地分配到各個(gè)融合節(jié)點(diǎn)上，平衡數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性，使融合達(dá)到最佳的效果就成為了數(shù)據(jù)融合的核心問(wèn)題。 詳細(xì)設(shè)計(jì) 在 WSN 中，所有的傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)均要通過(guò)多跳方式傳遞至 Sink 節(jié)點(diǎn)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)形成以 Sink 節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)的樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在 WADA 機(jī)制中，每個(gè)父節(jié)點(diǎn)均需對(duì)其子節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合操作。對(duì)于數(shù)據(jù)融合層，網(wǎng)絡(luò)中存在兩種類型的數(shù)據(jù)包：數(shù)據(jù)請(qǐng)求包和數(shù)據(jù)應(yīng)答包 )。 如前所述，數(shù)據(jù)融合的關(guān)鍵在于確定最大延遲時(shí)間并將延遲時(shí)間合理地分配到各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，在 WADA 機(jī)制中，最大延遲時(shí)間由 Sink 節(jié)點(diǎn)確定， Sink 節(jié)點(diǎn)將最大延遲時(shí)間信息置于 Data Request 中，并首先發(fā)送 Data Request。傳感器節(jié)點(diǎn)收到 Data Request 后，獲得包中攜帶的最大延遲時(shí)間信息，由于數(shù)據(jù)的傳輸和處理需要時(shí)間，為了使父節(jié)點(diǎn)能夠有時(shí)間對(duì)信息進(jìn)行處理，傳感器節(jié)點(diǎn)需要在此基礎(chǔ)上減去一定時(shí)間作為本節(jié)點(diǎn)的延遲時(shí)間，理想情況下減去的時(shí)間應(yīng)該為傳輸時(shí)延的兩倍，但由于無(wú)線信道的特性，減去的時(shí)間應(yīng)比兩倍的傳輸時(shí)延要長(zhǎng)。確定本節(jié)點(diǎn)延遲時(shí)間后，再向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送攜帶有本節(jié)點(diǎn)延遲時(shí)間信息的 Data Request，這樣隨著 Data Request 沿著樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一層層向下傳遞，延遲時(shí)間被分配到各個(gè)節(jié)點(diǎn)上。 各節(jié)點(diǎn)獲得自己的延遲時(shí)間后，開始等待 Data Response 的到來(lái)， 并將接收到的 Data Response 放入緩存中，直到延遲時(shí)間結(jié)束，將所有接收到的子節(jié)點(diǎn)的Data Response 與自身采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。最終所有經(jīng)過(guò)融合處理后的數(shù)據(jù)均以 Data Response 的形式傳至 Sink 節(jié)點(diǎn)。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(diǎn)延遲時(shí)間的確定是以 Sink 節(jié)點(diǎn)確定的最大延遲時(shí)間為基準(zhǔn)的，所以 Sink 節(jié)點(diǎn)如何確定最大延遲時(shí)間對(duì)于數(shù)據(jù)融合機(jī)制是十分重要的。在WADA 機(jī)制中 ， Sink 節(jié)點(diǎn)根據(jù)本輪融合接收到的 Data Response 的數(shù)目來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整下一輪融合的最大延遲時(shí)間。 1 ()n n opt recT T i R R? ? ? ? 式中： nT 表示 本輪的最大延遲時(shí)間； 1nT? 表示 下一輪的最大延遲時(shí)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(yīng)用層數(shù)據(jù)特性密切相關(guān)； i 表示 調(diào)整因子 (i 0)， i 的大小對(duì) WADA機(jī)制的時(shí)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(guò)最佳值，表明本輪設(shè)定的最大延遲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)， WADA機(jī)制將會(huì)減少下一輪的延遲時(shí)間，以增加數(shù)據(jù)的時(shí)效性；如果 rec optRR? ，表明本輪設(shè)定的最大延遲時(shí)間過(guò)短， WADA機(jī)制將會(huì)增減下一輪的延遲時(shí)間，使各節(jié)點(diǎn)有更加充足的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，以增加融合后數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(duì)于 Data Request， ID號(hào)不僅標(biāo)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(diǎn)應(yīng)執(zhí)行的融合操作，如取最值，求平均值等；延遲時(shí)間包含有父節(jié)點(diǎn)的延遲時(shí)間信息，節(jié)點(diǎn)在向子節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā) Data Request時(shí)，需對(duì)此域值進(jìn)行修改。 對(duì)于 Data Response， ID號(hào)與其相關(guān)聯(lián)的 Data Request的 ID號(hào)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(fù)責(zé)攜帶融合后的數(shù)據(jù)。 第 五 章 兩種時(shí)鐘同步算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 本文介紹兩種同步技術(shù)的初步設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案 。 第一種是在有外部其他網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施可以利用 (提供能源 )的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) (如醫(yī)療監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、智能家居系統(tǒng) )中高精度的時(shí)鐘同步技術(shù)研究 。 一種可能的方案是將在傳統(tǒng)局域網(wǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)的精度