無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于簇結(jié)構(gòu)的雙向同步算法

1節(jié)點(diǎn)月間信息同步校正時(shí)間同步是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)基本技術(shù)支持技術(shù)。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中,傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)如果沒有空間和時(shí)間信息是沒有任何意義的。準(zhǔn)確的時(shí)間同步是實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)自身協(xié)議的運(yùn)行、定位、多傳感器數(shù)據(jù)融合、移動(dòng)目標(biāo)的跟蹤、基于的協(xié)議以及基于睡眠/偵聽模式的節(jié)能機(jī)制等技術(shù)的基礎(chǔ)。面向無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步協(xié)議按照一對(duì)節(jié)點(diǎn)的同步方式可以分為參考廣播同步、單向同步和雙向同步3類。參考廣播同步算法需要第三方發(fā)送參考廣播,并且進(jìn)行同步的各接收節(jié)點(diǎn)需要交互大量的參考廣播的時(shí)間信息并進(jìn)行偏移矩陣計(jì)算,對(duì)節(jié)點(diǎn)能耗和計(jì)算能力要求較高。雙向時(shí)間同步可以準(zhǔn)確估計(jì)無(wú)線傳輸延遲,但是仍不可避免過多報(bào)文交互使節(jié)點(diǎn)能耗較大的問題。單向同步算法以單向廣播時(shí)間信息進(jìn)行同步,相對(duì)雙向報(bào)文交互極大降低了能量消耗,但是在無(wú)線傳播延遲較大場(chǎng)合,如水聲通信,單向同步算法將無(wú)法獲得可靠的同步。本文通過節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘頻率偏移和相位偏移進(jìn)行最大似然估計(jì)并獲得同步校正算法,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用分級(jí)分簇的樹形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò),簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)通過監(jiān)聽簇頭節(jié)點(diǎn)的主動(dòng)雙向同步過程完成被動(dòng)的雙向同步,最終實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)時(shí)間同步?；陬l偏和相偏的同步校正算法提高了網(wǎng)絡(luò)的同步精度,分級(jí)分簇的樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及主動(dòng)雙向同步和被動(dòng)雙向同步結(jié)合的模式相對(duì)于傳統(tǒng)的雙向同步算法極大地降低了同步報(bào)文開銷,適用于對(duì)于同步精度和能耗要求較高的網(wǎng)絡(luò)。2節(jié)點(diǎn)本地時(shí)間同步算法傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的物理時(shí)鐘依靠對(duì)自身晶振中斷計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)。晶振的頻率誤差和初始計(jì)時(shí)時(shí)刻不同,使得節(jié)點(diǎn)之間物理時(shí)鐘不同步。如果能估算出物理時(shí)鐘之間的關(guān)系,就可以構(gòu)造對(duì)應(yīng)的邏輯時(shí)鐘以達(dá)成同步。一般來講節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間都是采用晶振進(jìn)行計(jì)時(shí),而高精度的時(shí)鐘對(duì)應(yīng)較高的能量消耗,另外不同廠商生產(chǎn)的晶振穩(wěn)定性不同,晶振穩(wěn)定性越高意味著更高的價(jià)格。衡量晶振穩(wěn)定性以ppm(μs/min)為單位,也就是每秒鐘偏差1μs,通常普通的晶振偏移在20至50個(gè)ppm(μs/min),也有一些帶有溫度補(bǔ)償?shù)母呖煽烤д衿顑H僅有1.5個(gè)ppm(μs/min)左右。實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)需要權(quán)衡使用,另外由于溫度和環(huán)境的變化,以及設(shè)備的老化等原因也會(huì)引起時(shí)鐘偏差,使得節(jié)點(diǎn)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生時(shí)鐘漂移,因此在設(shè)計(jì)時(shí)間同步協(xié)議的過程中要合理考慮這些因素,提高算法的可靠性和適應(yīng)性。定義t為實(shí)際時(shí)間,用T(t)表示節(jié)點(diǎn)本地時(shí)間,而且根據(jù)節(jié)點(diǎn)時(shí)間特性,T(t)>0,且T(t)為增函數(shù),假設(shè)存在標(biāo)準(zhǔn)的不存在偏差的時(shí)鐘,那么dT(t)/dt=1,但實(shí)際上用于計(jì)時(shí)的晶振都存在偏差,由此可以定義時(shí)鐘偏移率為:ρ(t)=dΤ(t)dt-1,|ρ(t)|<ρ0(ρ0ρ(t)=dT(t)dt?1,|ρ(t)|<ρ0(ρ0為一常數(shù))而且由T(t)為增函數(shù)的特性可以得出:-1<ρ(t),?t令f(t)=dT(t)/dt,那么節(jié)點(diǎn)本地時(shí)鐘T(t)可以表示為:Ti(t)=∫tt0tt0fi(τ)dτ+Ψi(t0)(1)通過對(duì)式(1)進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開得到本地時(shí)間表示為:Ti(t)=βi+αit+γit2+…(2)式(2)中i為節(jié)點(diǎn)順序,β為本地時(shí)間和實(shí)際度量時(shí)間t之間的偏移量,α為時(shí)鐘飄移率,γ為二次項(xiàng)系數(shù),可以表征時(shí)鐘的動(dòng)態(tài)變化。如果式(2)中二次項(xiàng)以上的系數(shù)都為0,那么式(2)可以簡(jiǎn)化為線性模型:Ti(t)=βi+αit(3)目前大多數(shù)時(shí)間同步算法都是基于線性模型的算法。如果節(jié)點(diǎn)工作環(huán)境變化較大,而且系統(tǒng)對(duì)時(shí)間同步精度要求較高的情況下,時(shí)間同步算法需要考慮高次項(xiàng)系數(shù),這樣相應(yīng)地也增加了計(jì)算開銷。對(duì)于環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定的系統(tǒng),節(jié)點(diǎn)的頻率偏差由晶振的制作工藝決定,而偏移量是固定不變的。3基于餡料雙向時(shí)間同步策略通過第2節(jié)的分析,節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘不僅存在表征時(shí)間值差異的相位偏移和表征時(shí)間快慢的頻率偏移,進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間的同步研究需要很好地處理節(jié)點(diǎn)間的相偏和頻偏。如果所有節(jié)點(diǎn)出廠時(shí)的晶振頻率都是相同的,并且在使用過程中不隨時(shí)間漂移,一次同步就可以完全同步2個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘。但實(shí)際上由于出廠時(shí)晶振頻率的微小差異及外部環(huán)境帶來的漂移,在一段時(shí)間后,原本已經(jīng)時(shí)間同步的2個(gè)節(jié)點(diǎn)將不再時(shí)間同步,如圖1所示。在t1時(shí)刻,節(jié)點(diǎn)A和B之間的本地時(shí)鐘差異為DA->Bt1A?>Bt1;在t2時(shí)刻,A與B間的本地時(shí)間差異變?yōu)镈A->Bt2A?>Bt2,并且DA->Bt2A?>Bt2=DA->Bt1A?>Bt1+RDA->Bt1->t2A?>Bt1?>t2。其中,RDA->Bt1->t2A?>Bt1?>t2部分是由t1到t2的晶振頻率的差異引起的。對(duì)于頻率偏差為30ppm(μs/min)的晶振,每秒會(huì)產(chǎn)生約30μs的時(shí)間偏差,這就意味著要使2個(gè)節(jié)點(diǎn)的同步精度控制在30μs以內(nèi),同步頻率必須大于1Hz,這將給網(wǎng)絡(luò)帶來非常大的通信開銷。但是,如果使用較長(zhǎng)的同步周期,則必須估計(jì)2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的頻率漂移因素才能獲得較高的同步精度。因此,采用雙向時(shí)間同步對(duì)節(jié)點(diǎn)間頻率偏差和相位偏差進(jìn)行修正,結(jié)合已有的MAC層時(shí)間戳處理方法,建立一套基于簇狀結(jié)構(gòu)的時(shí)間同步方法。網(wǎng)絡(luò)中各簇的簇首使用直接的雙向同步與同步源進(jìn)行同步,其他簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)通過監(jiān)聽簇首的同步過程間接地進(jìn)行雙向時(shí)間同步,以此達(dá)到全網(wǎng)高精度的時(shí)間同步。本文的HTSP算法采用基于簇結(jié)構(gòu)的直接雙向時(shí)間同步和間接雙向時(shí)間同步的方法相對(duì)于傳統(tǒng)的時(shí)間同步算法具有更高的優(yōu)勢(shì)。相對(duì)于RBS算法避免了大量時(shí)間相關(guān)報(bào)文的交互和高復(fù)雜度的運(yùn)算。相對(duì)于TPSN算法盡管HTSP保持了雙向時(shí)間同步特征,但由于采用了間接雙向同步報(bào)文同步方法,極大地降低了同步過程中報(bào)文的消耗,在保證同步精度的情況下具有更好的能量有效性。相對(duì)于單向時(shí)間同步算法如FTSP本文同步算法具有更大的適應(yīng)性,適用于無(wú)線傳播延遲較大的場(chǎng)合如水聲通信等。3.1節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘差異通過模型(3)可以看出不同節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘存在常數(shù)項(xiàng)的差異即相位偏移(簡(jiǎn)稱相偏),以及時(shí)間頻率的差異即頻率偏移(簡(jiǎn)稱頻偏)。目前用于校正相偏和頻偏的方法較多,RBS算法中節(jié)點(diǎn)間交互接收到基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間信息,通過這種方式,接收節(jié)點(diǎn)能夠知道彼此之間的時(shí)鐘偏移量,然后利用偏移矩陣計(jì)算相對(duì)于所有其他節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘偏移的平均值;TPSN通過雙向的報(bào)文交互,估算出節(jié)點(diǎn)間的傳輸延遲,獲得更為精準(zhǔn)的節(jié)點(diǎn)間的相偏;FTSP使用線性回歸的方式對(duì)節(jié)點(diǎn)間的頻偏進(jìn)行校正。本文通過最大似然估計(jì)對(duì)節(jié)點(diǎn)間的相偏和頻偏進(jìn)行校正,從而獲得更精準(zhǔn)的時(shí)間同步。圖1給出同步校正頻偏和相偏原理圖,節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)B之間不僅存在著時(shí)鐘的相位偏差θ1,而且存在時(shí)鐘之間的頻率偏差θ2,正是頻率偏差的作用使得節(jié)點(diǎn)之間的相位偏差在不斷地增大。節(jié)點(diǎn)A和B之間時(shí)間的精確同步,需要通過N次的報(bào)文雙向交換來實(shí)現(xiàn)。如圖2所示,時(shí)間值T1,q、T4,q、T5,q是由節(jié)點(diǎn)A的時(shí)鐘測(cè)得的,時(shí)間值T(R)2,q(R)2,q、T(R)3,q(R)3,q、T(R)6q(R)6q是由節(jié)點(diǎn)B的時(shí)鐘測(cè)得的,其中q表示時(shí)鐘同步過程的輪序號(hào)。其中θ(R)1(R)1表示絕對(duì)的時(shí)鐘相位偏差,θ1表示在T(R)3,1(R)3,1時(shí)刻的相對(duì)的時(shí)鐘相位偏差。假設(shè)d為報(bào)文傳遞過程中時(shí)間延遲的固定部分(如電波在空中的傳播時(shí)間),而Xq和Yq分別表示報(bào)文M2和M3傳遞過程中,時(shí)間延遲的隨機(jī)部分。節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘之間的時(shí)間差異由相位偏移和頻率偏移共同作用的結(jié)果,而且這里的相位偏差相當(dāng)于初始相位偏差。節(jié)點(diǎn)之間時(shí)間差異的逐漸增大很大程度上取決于時(shí)鐘之間的頻率偏差。由于石英晶體的工作頻率各不相同,節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘差異是單調(diào)遞增的(或者暫時(shí)性的遞減,后遞增)。所以在圖1中,第1次和第N次報(bào)文交換中得到的時(shí)間戳之間的時(shí)鐘差異最大。定義式(4)形式如下:D(j)?Ν∑i=2Dj,i=Τj,Ν-Τj,1(4)圖2中X和Y都是報(bào)文傳遞過程中的隨機(jī)延時(shí),由于無(wú)線信道的鏈路復(fù)雜性,可以將X、Y看作是很多獨(dú)立同分布的隨機(jī)延時(shí)的累積。根據(jù)中心極限定理,對(duì)于大量的獨(dú)立同分布的隨機(jī)變量的和的概率密度函數(shù)接近于高斯隨機(jī)變量。通過對(duì)隨機(jī)變量的分析轉(zhuǎn)化可以獲得如式(5)所示的似然函數(shù)。L(θ′2,δ2)=14πδ2e-[D2(4)(θ′2-D(3)/D(4))2+D2(5)(θ′2-D(6)/D(5))2]/4δ2(5)對(duì)式(5)取自然對(duì)數(shù),并令其對(duì)數(shù)等于0,則得到θ′2的最大似然估計(jì)為:?θ′2=D(3)D(4)+D(5)D(6)D2(4)+D2(5)(6)式中:θ′2?11+θ2。由此可以得到θ2的最大似然估計(jì)如式(7)所示:?θ2=1?θ′2-1=D2(4)+D2(5)D(3)D(4)+D(5)D(6)-1(7)同理對(duì)相偏θ1的似然函數(shù)如式(8)所示:L(θ1,μ,δ2)=-1/2πδ2e-[Ν∑q=1(U′q-d′-θ1-μ)2+Ν∑q=1(V′q-d′+θ1-μ)2]/2δ2(8)對(duì)似然函數(shù)的取對(duì)數(shù)形式并令其等于0可以得到相偏的最大似然估計(jì)形式如式(9)所示:?θ1=ˉU′q-ˉV′q2(9)式中:U′q=Τ4,q-(1+?θ2)Τ3,q?ˉU′q=1Ν-1Ν∑q=2U′q?V′q=(1+?θ2)Τ6,q-Τ5,q?ˉV′q=1Ν-1Ν∑q=2V′q。節(jié)點(diǎn)B可以通過式(7)校正自身的時(shí)鐘頻偏,根據(jù)式(9)校正自身的時(shí)鐘相偏。事實(shí)上正是因?yàn)闀r(shí)鐘頻率的漂移才使得節(jié)點(diǎn)之間時(shí)間差異逐漸增大,所以時(shí)間同步的本質(zhì)應(yīng)該修正時(shí)鐘的頻率偏移。因此,這一改進(jìn)無(wú)論從理論分析還是實(shí)際應(yīng)用來說,意義都很重大。3.2節(jié)點(diǎn)雙向報(bào)文同步機(jī)制目前已經(jīng)有很多分簇算法用于網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)交互的低能耗和可靠性,本文將基于文獻(xiàn)中的分簇方法,建立一套以簇為單位的直接間接同步結(jié)合的算法結(jié)構(gòu)。單個(gè)節(jié)點(diǎn)廣播范圍內(nèi)只有一個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)執(zhí)行雙向同步過程,其他節(jié)點(diǎn)通過監(jiān)聽簇頭節(jié)點(diǎn)同步過程被動(dòng)進(jìn)行雙向同步過程這里稱作偽雙向同步,因?yàn)檫@些節(jié)點(diǎn)從報(bào)文交互上看是進(jìn)行的是單向傳遞,但算法的執(zhí)行過程仍然按照雙向同步過程執(zhí)行。圖3為單跳同步執(zhí)行過程示例,其中節(jié)點(diǎn)O為基準(zhǔn)源,節(jié)點(diǎn)A、B和C處于節(jié)點(diǎn)O的一跳范圍內(nèi)并與節(jié)點(diǎn)O進(jìn)行同步,這里假設(shè)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間都能夠直接通信。具體過程如下:1)同步請(qǐng)求階段:節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)O發(fā)送同步請(qǐng)求報(bào)文,時(shí)間記為T(A)3,q,報(bào)文中包含T(A)3,q和A的節(jié)點(diǎn)號(hào),節(jié)點(diǎn)O收到報(bào)文時(shí)間記為T4,q=T(A)3,q+θ(A)1+dA,O+Xq。其中,θ(A)1是節(jié)點(diǎn)A與基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)O的時(shí)間偏差;dA,O是節(jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)O的報(bào)文傳輸延遲;Xq為報(bào)文傳輸過程中的隨機(jī)延遲。在節(jié)點(diǎn)A發(fā)送請(qǐng)求報(bào)文的同時(shí),節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C同樣監(jiān)聽到該請(qǐng)求報(bào)文并記錄監(jiān)聽到該報(bào)文時(shí)刻記為T(B)3,q和T(C)3,q。2)同步響應(yīng)階段:節(jié)點(diǎn)O收到來自節(jié)點(diǎn)A的同步請(qǐng)求報(bào)文,發(fā)送響應(yīng)報(bào)文,發(fā)送時(shí)刻記為T5,q,報(bào)文中包含T4,q和T5,q,節(jié)點(diǎn)A收到響應(yīng)報(bào)文時(shí)間記為T(A)6,q,有T(A)6,q=T(A)5,q-θ(A)1+dO,A+Yq。同樣節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C可以監(jiān)聽到響應(yīng)報(bào)文并將監(jiān)聽時(shí)刻記為T(B)6,q和T(C)6,q。3)同步數(shù)據(jù)保存階段:通過N次同步過程節(jié)點(diǎn)A、B、C分別獲得一組同步信息序列{T(A)3,q,T4,q,T5,q,T(A)6,q}(q=1,2,…,N)、{T(B)3,q,T4,q,T5,q,T(B)6,q}(q=1,2,…,N)、{T(C)3,q,T4,q,T5,q,T(C)6,q}(q=1,2,…,N)。4)同步校正階段:通過式(7)校正自身的時(shí)鐘頻偏,式(9)校正自身的時(shí)鐘相偏,達(dá)到節(jié)點(diǎn)同步目的。這里節(jié)點(diǎn)A為直接的雙向同步,而節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C通過監(jiān)聽節(jié)點(diǎn)A的同步過程間接獲得同步所需同步信息。盡管節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C沒有直接向基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)O發(fā)送同步請(qǐng)求報(bào)文,通過監(jiān)聽節(jié)點(diǎn)A的同步交互可以模擬節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)C向基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)O發(fā)送同步請(qǐng)求的過程,如圖3中的虛線部分。由圖3中時(shí)間記錄時(shí)間先后順序可以獲得式(10)和式(11)。T4,q=T(A)3,q+θ(A0)1+dA,O+XAΟq(10)T(B)3,q=T(A)3,q+θ(AB)1+dA,B+XABq(11)式中:θ(AΟ)1、θ(AB)1分別表示節(jié)點(diǎn)A和基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)O和節(jié)點(diǎn)B之間的相偏,dA,O、dA,B分別為節(jié)點(diǎn)A到基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)O和節(jié)點(diǎn)B的傳輸延遲,XAΟq、XABq分別為A到O和B傳輸延遲中的隨機(jī)部分。由式(10)和式(11)可以獲得式(12):T(B)3,q=T4,q+(θ(AB)1-θ(AΟ)1)+dA,B-dA,O+XABq-XAΟq(12)由于θ(AΟ)1、θ(AB)1分別表示節(jié)點(diǎn)A和基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)O和節(jié)點(diǎn)B之間的相偏,可以獲得θ(AB)1-θ(AΟ)1=-θ(BΟ)1,而由于節(jié)點(diǎn)A為選定節(jié)點(diǎn),可以獲得dA,B-dA,O=-dBO,同理有XABq-XAΟq=-XBΟq,代入式(12)可以得到式(13):T4,q=T(B)3,q+θ(BΟ)1+dB,O+XBΟq(13)式(13)使得節(jié)點(diǎn)B虛擬出一個(gè)同步請(qǐng)求報(bào)文發(fā)送到基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)O,也就是節(jié)點(diǎn)達(dá)到了雙向報(bào)文同步的要求。同理節(jié)點(diǎn)C也滿足雙向同步報(bào)文的要求。算法擴(kuò)展到多跳,需要執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)分簇,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示,分簇過程根據(jù)節(jié)點(diǎn)自身獲得級(jí)別與周圍同級(jí)別鄰居之間無(wú)線報(bào)文交互情況進(jìn)行。分為以下幾個(gè)方面。首先根節(jié)點(diǎn)將自身級(jí)別定為0級(jí),并周期性廣播包含節(jié)點(diǎn)級(jí)別和節(jié)點(diǎn)號(hào)分級(jí)信息的無(wú)線報(bào)文,所有接收到該報(bào)文的節(jié)點(diǎn)將自己的級(jí)別定為該級(jí)別加1并把報(bào)文發(fā)送方的節(jié)點(diǎn)號(hào)和級(jí)別加入鄰居列表。其次級(jí)別1的節(jié)點(diǎn)在確定自身級(jí)別后向外廣播分級(jí)信息,接收到該分級(jí)信息的節(jié)點(diǎn)如果沒有節(jié)點(diǎn)級(jí)別則把自己的級(jí)別定為該級(jí)別加1,并把該節(jié)點(diǎn)號(hào)和級(jí)別加入鄰居列表。以此類推,直到所有節(jié)點(diǎn)都有自己的級(jí)別,形成如圖4所示不同級(jí)別節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過以上分級(jí)操作網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分為父節(jié)點(diǎn)、同級(jí)鄰居節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)3種類型。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)為一簇,并選取同級(jí)節(jié)點(diǎn)中度數(shù)最大(互為鄰居個(gè)數(shù))的節(jié)點(diǎn)作為的該節(jié)點(diǎn)和所有其同級(jí)鄰居節(jié)點(diǎn)簇頭。當(dāng)然也可能出現(xiàn)如圖4中12號(hào)節(jié)點(diǎn),雖然同樣是節(jié)點(diǎn)3的鄰居,但不在簇首節(jié)點(diǎn)10通信范圍內(nèi),只能單獨(dú)成簇。通過以上步驟生成一個(gè)分級(jí)分簇的樹形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò),每個(gè)節(jié)點(diǎn)和它的子節(jié)點(diǎn)形成了一個(gè)連通的單跳區(qū)域,并將網(wǎng)絡(luò)劃分為很多單跳算法可以直接應(yīng)用的單跳區(qū)域,通過式(7)和式(9)完成各簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步校正。實(shí)際應(yīng)用中,可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需要布設(shè)大功率路由節(jié)點(diǎn)作為簇首,使之可以覆蓋更大范圍通信距離并能有效減少簇的個(gè)數(shù),對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)更為有效的低能耗運(yùn)行。選用簇頭節(jié)點(diǎn)和父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行雙向同步,其他簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)被動(dòng)監(jiān)聽同步的方式,相對(duì)于傳統(tǒng)雙向時(shí)間同步協(xié)議可以大大減小同步報(bào)文的消耗。從多跳機(jī)制的原理可以看出,一次全網(wǎng)同步只需要2n次報(bào)文傳輸,其中n為拓?fù)錁渲械姆侨~子節(jié)點(diǎn)(有子節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn))個(gè)數(shù)。4實(shí)驗(yàn)配置和結(jié)果分析4.1實(shí)驗(yàn)方案和機(jī)制設(shè)置為了更真實(shí)地反映客觀的物理環(huán)境,對(duì)同步開銷和精度的測(cè)試主要通過物理實(shí)驗(yàn)完成。物理實(shí)驗(yàn)使用由中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制的SIA2420模塊。SIA2420采用符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線射頻芯片CC2420和低功耗16位微控制器TIMSP430,并且在射頻前端分別增加PA和LNA,提高了發(fā)射功率和接收靈敏度,在室外可視通信距離能達(dá)到1000m以上,由于采用了先進(jìn)功耗管理技術(shù),在典型的Mesh網(wǎng)絡(luò)中工作的最小電流僅30μA。無(wú)線通信速率能夠提供最大250Kb/s。SIA2420裝配2個(gè)不同頻率晶振(32kHz和8MHz)都可以用作時(shí)鐘源。對(duì)TimerA配置使用高速晶振(8MHz)的8分頻作為時(shí)鐘源,從而獲得分辨率為1μs的時(shí)鐘源。實(shí)驗(yàn)中將20個(gè)實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)均勻布設(shè)在100m×200m的實(shí)驗(yàn)工廠環(huán)境中,環(huán)境中有一些機(jī)器遮擋物,以及少量大功率電機(jī)工作。通過降低發(fā)射功率將節(jié)點(diǎn)通信半徑降低到百米以內(nèi),根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄形成如圖5所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),通過該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)算法性能進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)其他設(shè)置如圖5所示。網(wǎng)絡(luò)中使用能夠覆蓋全網(wǎng)的查詢節(jié)點(diǎn)和監(jiān)聽節(jié)點(diǎn),查詢節(jié)點(diǎn)在固定時(shí)刻向全網(wǎng)發(fā)送同步查詢報(bào)文,網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在收到查詢報(bào)文后發(fā)送響應(yīng)報(bào)文,此時(shí)監(jiān)聽節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到這些報(bào)文并上傳到上位機(jī),上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析工作。性能評(píng)價(jià)指標(biāo)主要從時(shí)間同步精度(包括最大誤差、平均誤差),以及誤差分布進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。4.2同步精度測(cè)試圖6給出了通過實(shí)驗(yàn)獲得的相同節(jié)點(diǎn)使用不同算法電流曲線圖。圖中在測(cè)試時(shí)間內(nèi),本文的HTSP算法發(fā)送報(bào)文次數(shù)明顯少于另外2種,TPSN次之,RBS需要交互報(bào)文次數(shù)最多,因此消耗的電流也最