-●_●___l-●_●I_llI■EE II EE m■I 文章编号：1671—4598(2010)06—1465一03 I一————…■Em oI■IlIl■_ 中图分类号：TH873．7 文献标识码：A 无线传感器网络TPSN的优化算法 夏小凤1，严赋宇1，刘方圆1，卢 苇2 (1．四川大学电子信息学院，四川I成都610065；2．北京交通大学软件学院，北京 100024) 摘要：通过对无线传感器网络时钟同步算法TPSN(传感器网络时间同步协议)的研究，提出一种TPSN的优化算法；在TPSN算 法时钟同步的过程中，由于节点时钟的不稳定性以及节点间消息交换延迟会引起同步误差．针对引起同步误差的这两个因素，基于已经 存在的TPSN时钟同步算法，利用贝叶斯估计的先验和后验分布对TPSN算法进行优化．来达到减小同步误差的目的；使用NS2仿真软 件进行的仿真实验显示优化后的算法比原算法的同步误差明显减小。同步精度显著提高。 关键词：无线传感器网络；时钟同步；TPSN；贝叶斯估计；同步误差 Improved Algorithm of TPSN for Wireless Sensor Networks Xia Xiaofen91，Yan Binyul，Liu Fangyuanl，Lu Wei2 (1．School of Electronics and Information Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China； 2．School of Software Engineerb：ag，Beijing Jiaotong University，Beijing 100024，China) Abstract： Based on studying on time synchronization algorithm TPSN(timing—sync protocol for sensor network)in wireless sensor network，improved time synchronization algorithm is proposed．During the TPSN algorithm time synchronization，the cumulative synchroni— zation error introduced by instability of the clock frequency and variable delays of message exchange between pair—wise synchronization nodes；it can be reduced by Bayesian estimation’ S prior information and posterior distribution based on existing synchronization algorithms． The simulation shows that the improved algorithms are better than the original one in the synchronization precision． 1￡ey words： wireless sensor network；time synchronizatjon；TPSN； Bayesian estimation；synchronjzatjon eryor 0 引言 无线传感器网络(WSN)是一种特殊的ad hoc网络，由 大量部署在监测区域中具有感知、运算和无线通信能力的传感 器节点以自组织的方式构成网络，无需任何网络基础设施(如 传统网络中的路由器)。传感器节点彼此协同工作，以多跳方 式将数据由数据源沿多个节点传送至目的地。无线传感器网络 属于分布式系统，而时钟同步技术作为分布式系统的一项关键 技术，在无线传感器网络中有着极其重要的作用。无线传感器 网络的一些特殊应用，如传感器节点的数据融合，休眠唤醒节 能机制，基于TDMA调度机制的MAC协议以及移动节点的 定位等[11]，都需要时间同步技术的支持。 无线传感器网络的时钟同步是指使网络中所有或部分节点 拥有相同的时间基准，即不同节点保持相同的时钟，或者节点 是由加州大学网络和嵌入式系统实验室S．Ganeriwal等人提出 的。其同步过程如图1所示。假定两个节点1和2，1为待同 步节点，2为参照节点，节点1向节点2发送同步请求并记录 此时的本地时间丁。，节点2收到该请求后记录本地时间Tz， 经过一段时间后发送同步回复消息，捎带此时的时钟L以及 瓦，节点1收到回复消息后记录本地时间T4。那么在假定来 回传输延迟固定和相对漂移为1的情况下，利用公式(2)和 (3)估算往返时延d和时间偏差盯，并调整自己的时钟为t。= t，+盯(t。为节点1的本地时钟)，从而达到与参考节点2同步 黧# 可以彼此将对方的时钟转换成本地时钟[3]。传统的同步方法 NTP和GPS因复杂度和能量问题、代价及尺寸因素均不适合 的目的。 无线传感器网络使用[4]，因此WSN中的时钟同步技术就成为 一个研究热点。本文对现有的一种时钟同步技术TPSN进行 分析，针对节点时钟的不稳定性，以及节点间消息交换延迟引 起的同步误差，在贝叶斯估计的支持下，提出了一种优化算 法，最后利用NS2仿真软件对优化后的算法进行了仿真测试。 1 TPSN算法 TPSNC53(timing--sync protocol for sensor network)算法 收稿日期：2009—12—11；修回日期：2010—01—10。 基金项目：国家自然科学基金(60773168)。 作者简介：夏小凤(1986～)，女，重庆人，在读研究生，主要从事移 动传感器网络等方向的研究。 d=[(T2一T，)+(L—T3)]／2 盯=[(7"2一T1)一(L一7"3)]／2 (2) (3) TPSN协议分为两个阶段： (1)层次发现阶段(1evel discovery phase)。该阶段目的 是在网络中产生一个分层的拓扑结构，并赋予每个节点一个层 次号。在网络布置完成后开始，首先选取一个根节点并赋予层 次号0，然后由它广播一个level—discovery包，该包中封装 有发送者的标志和层次号，根节点的直接相邻节点收到这个包 后将包中的层次号加1作为自身的层次号，然后再广播一个新 的level—discovery包，重复这个过程直至网络中的所有节点 均被赋予一个层次号。 (2)同步阶段(synchronization phase)。该阶段基本任务 万方数据 中华测控网 chinamca．COIII 

·1466- llll 计算机测量与控制 II 就是节点间成对的消息交换，由根节点的time—sync包发起。 3．2算法实现 第18卷 第一层的节点接收到此包时发起与根节点进行成对同步，接着 为了更好地描述此优化算法，这里先做如下假设： 第i层的节点与第i一1层的节点进行成对同步．这个过程最 1)T。(i∈n)为TPSN算法得出的当前节点的时钟时间； 终使所有节点都与根节点同步。该过程中，下层节点不可避免 地会与多个上层节点同步。 TPSN算法在MAC层为发送节点和接收节点标记时间 2)r。(i∈行)为通过贝叶斯估计方法估算的当前节点的实 际时间值； 3)r一(i∈咒)为通过贝叶斯估计方法估算的上一层节点 戳，提高了算法的精度，使得即使在大型网络中，TPSN仍能 的实际时间值，并且服从方差为a7}。的正态分布。 提供较好的性能。任意节点的同步误差取决于它距离根节点的 跳数，而与网络中节点总数无关，因此TPSN同步精度不会 在TPSN中，由于时钟时间观测值的随机误差，通过信 息交换得到的节点时钟值总是和未知的准确时间值有偏差。前 随节点数目增加而降级，算法具有较好的扩展性。但是当路径 长度增长，跳数增加时，由时钟频率不稳定性和每对同步节点 面提到的，这个随机误差服从正态分布，～N(o，口；)，d?可 以从前面的记录中提取得到。根据上一层节点时间值的先验分 之间信息交换的延迟引起的误差将会聚集起来，从而影响同步 布～N(r。，盯7I，)，当前节点观测时钟值L，结合贝叶斯 精度。由此基于TPSN算法提出一个优化的时间同步算法， 理论，可得到优化后的估计：N(丁，。，盯7；)。其中的参数由式 通过贝叶斯估计减小同步误差，提高同步精度。 2贝叶斯估计MJ 贝叶斯估计就是把未知参数0视为一个具有已知分布万(口) 的随机变量，从而将先验信息数学形式化并加以利用的一种方 法。通常称，r(口)为先验概率。 在已知样本空间D的情况下，对先验概率进行修正可得 到后验概率p(8／D)，根据贝叶斯理论，可得： p(O／D)一警= 垒!旦』生!垒!!! J‘。户(DMp(删妒 假设一个观测值．27∈D，z为一个正态分布的随机变量， 即z～N(O，口)。其中均值日未知，方差a已知，对应(4)中 也就是p(z／O)～N(8，n)。假设0的先验分布也是正态分布， 即日～N(80，a。)，其中，岛，a。均已知。那么由式(4)可知， 由正态的先验分布可以得到正态的后验分布： p(O／z)～N(Ot，a，) (5) 因户(z)为一个数值，由式(4)可知，p(O／x)ozp(x／O)户(口)， cx3为正比例符号。即： p(0／z)。。。xp卜丢(绁+型)＼ 6 “ 口0 l J 对应式(5)可计算得到后验分布的两个参数： a1=(a01+a一1)1 01一口1(Oo／口o+z／a) (6) (7) 3 TPsN算法优化 3．I误差分析 在TPSN算法中，节点的同步是通过逐级消息交换实现 的，而消息的交换必然会引起消息传递延迟，这样就会引起同 步误差。并且在多跳网络中，误差随着跳数的增加而增大。算 法优化是通过减小消息交换延迟带来的误差来提高时间同步的 精度。 时间同步算法中的同步误差可看作两部分：一个为确定性 部分，另一个为非确定性部分。确定性部分也就是时钟漂移问 题，可以采用最小平方线性回归方法进行线性拟合，直线斜率 就是两个节点的时钟漂移，直线在纵坐标的裁距表示两个节点 时钟的时间偏移‘73；非确定性部分是由消息传递延迟引起的。 而在文献[8]中提到，由消息传递延迟引起的时间同步误差 可以看作一个均值为0的正态分布。算法中确定性部分引起的 误差利用线性拟合已经解决，优化算法只需解决由消息传递延 迟引起的误差。 中华测控网 ctnnamca．corn 万方数据 (4) 2)上层节点把它的估计时间r，，和估计误差的标准偏差 (6)，式(7)计算可得： 盯77一丢萼 仃；1十茁 ，， ' 2 ， r。一1—譬1T7H+1旦!号1丁， O i-1—f Ot 6 r、弋Ot (8) (9) 利用贝叶斯估计提高时间同步精度的具体算法为： 1)首先令r。一丁。，d7，一们。丁，为根节点的时间值，口。 是根节点的时钟分辨率[6]。 ∥。传送给下层节点。 3)下层节点通过观测得到本地时间f，从前面的记录中 提取标准方差蠢，然后结合T7。，d’r1利用式(8)，式(9) 计算出r。和盯7。。如此逐级同步进而达到全网节点同步。 4仿真结果 利用NS2网络仿真软件对TPSN以及优化算法进行模拟， 同时进行性能评估，其中主要对节点在同步过程中的累积误差 和节点间的同步时间差值进行了分析比较。 设置仿真环境为10km*10km的正方形区域，均匀布置 11个节点，1个根节点，10个待同步节点，网络拓扑图如图2 所示，相邻节点间的距离为300 m，设置数据传输速率为30 km／s，节点的无线通信距离为500 m，即只有相邻的节点可以 互相交换消息。设根节点的时钟分辨率为l肚s，也就是说，根 节点产生数据包时的时钟偏差为1“s。算法的仿真时间为200 s，每20 S取一次试验结果。回…∞ 图2网络拓扑图 在算法仿真时，分别对两种算法使用以上相同的模拟参 数。运行算法，可以得到同步过程中节点的同步累积误差。图 3显示随着同步跳数的增加，使用贝叶斯估计进行时间同步的 累积误差增加的较缓慢，而TPSN算法误差累积相对快很多。 使用TPSN算法完成一次全网同步后，节点lo的累积误差为 17．52,us，而使用优化算法得到的累积误差为6．2“s^ 图4所示为在仿真过程中根节点和节点10在同步过程中 的同步时间差，在算法的实现过程中取两个节点时间差的绝对 值。在贝叶斯估计的算法中，两个节点之间的同步时间差值最 

第6期 夏小凤，等：无线传感器网络TPSN的优化算法 ·1467· 大仅有6．91“s，而在TPSN算法的同步过程图3节点时间同 步累积误差中，两个节点的同步时间差值最大达到20．46Fs， 最小差值也有13．32弘s。 由图3，图4可以看出，对10跳的线性网络进行时间同 步，优化后的算法比原算法的同步累积误差小了很多，同步精 度明显提高。 ∞ j 蒯 厘 窖 龋 匡 ∞TI＼撇蝼氍壕 仿真时间差／s 图4根节点和节点10的同步时间差值 [1]康冠林，王福豹，段渭军．无线传感器网络时间同步综述[J]．计 算机测量与控制，2005，13(10)：1021—1023． E2]杨宗凯，赵大胜，王玉明，等．无线传感器网络时钟同步算法综述 EJ]．计算机应用，2005，25(5)：1170—1172． [3]任丰原，董恩颖，何涛，等．基于锁相环的时间同步机制与算法 图3节点时间同步累积误差 [J]．软件学报，2007，18(2)：372—380． 5 结束语 本文的主要工作是在原有的TPSN算法基础上进行了优 化，利用贝叶斯理论来减少消息交换延迟，从而提高时间同步 精度，从仿真实验可以看出优化算法确实提高了时间同步精 度。由于实验条件和环境的限制，我们只是在NS2仿真软件 上对优化的算法进行了实现，仍需要在实际的硬件平台上对该 E4]严斌宇，刘戈，夏小风，等．无线传感器网络时钟同步技术[J]． 计算机测量与控制．2009，17(6)：1235—1238． [5]Ganeriwal S，Kumar R，Srivastava MB．Timing—sync protocol for sensor networks[J]．ACM Press，2003：138—149． [6]李贤平，沈崇圣，陈子毅．概率论与数理统计[M]．上海：复旦 大学出版社，2003． [7]Gao Q。Blow K J，Holding D J．Simple algorithm for improving time synchronization in wireless sensor networks[J]． Electronics 优化算法进行进一步测试验证。 Letters，2004，40(14)：889—891． [8]孙利民，李建中，陈渝，等．无线传感器网络[M]．北京：清华 参考文献： 乎哆淳哆罐哆罅哆谆蛆谆蚪守蚋诤旦，守i增臼诤蛐社牡社弘辩，乎哆泓哆濞站水鹞水曼宴孕哆孚哆守哆罐略水牡尊曲4皇9诤曲诤明曹韭馥哆出蚌净口担哆孕肚淖曲诤韭社蚰诤韭诤鲫社!桫泳鹞淳哆秽球啦半9社蚋搏哆孛蜱秽乒非≈P肚 大学出版社，2006． (上接第1464页) 由试验结果可知，利用数据传输的方法计算两节点的距离 依据GLL语句协议可得到信标节点位置信息分别为 是完全可行的，虽然这种方法的误差较大，但它只需通过自身 (34．7969N，113．6470E)， (34．7971N，113．6471E)， (34．7972N，113．6477E)。 检验未知节点与信标节点信息传输能力。将3个信标节点 分别上电，同时将未知节点上电；未知节点向信标节点发送位 置请求，当信标节点收到请求，电路板红色LED亮，否则红 色LED不亮；一段延时之后信标节点发送位置信息给未知节 点，未知接点接收到位置信息后关闭定时器并使自身红色 LED亮，否则红色LED不亮。该实验证明信标节点与未知节 点之间的数据传输是正常的。可以此计算传输时间。未知节点 与信标节点之间的数据传输格式如表3所示。 表3定位系统数据传输格式 的数据传输就可以获得节点距离，而不像TOA算法在节点都 时间同步的前提下才能计算节点距离。 5结束语 利用JENNIC平台，我们搭建了一种MESH网络，并通 过一种测量数据到达节点时间差的方法，取得数据传输的时 间，从而实现节点的定位。这种基于信息传输时间的方法突破 了传统的TOA定位方法的硬件局限，不需要系统的时间同 步，利用传播过程中的时差测量节点之问的距离，能够很好地 应用到小型的无线传感器网路中。实验证明这种新型的节点定 位方法简单易行，适合低成本，低精度的无线传感器网络。 ＆ Address Data *校验码 参考文献： 3个信标节点16位 未知节点16位 帧头 短地址或未知 节点短地址 短地址或经 纬度信息 帧尾 [1]武君胜，段荣平．基于测距技术的无线传感器网络定位算法研究 [J]．计算机测量与控制，2008，16(12)：2006—2008。 将整个系统全部上电，可以获得未知节点的位置信息为 (34．7975 N，113．6471 E)；将未知节点加装GPS模块测得其 位置信息为(34．7974 N，113．6470 E)；前者为测量坐标，后 [2]马兴传．目前几种无线传感器网络节点定位技术分析[J]．电脑 知识与技术，2008，(24)：1155一1158． [3]崔光照，李浩宾，李翠玲，等．融合有源RFID和WSN的集装箱 监控系统[J]．电测与仪表，2009，(7)：53—56． [4]文举，金建勋，袁 海．一种无线传感器网络四边测距定位算 者为实际坐标，两者地球表面距离为14．1m。 法[J]．传感器与微系统，2008。(5)：108—1lO／113． 万方数据 中华测控圈 chinamca．COm 

无线传感器网络TPSN的优化算法 作者： 夏小凤， 严斌宇， 刘方圆， 卢苇， Xia Xiaofeng， Yan Binyu， Liu Fangyuan， Lu Wei 作者单位： 夏小凤,严斌宇,刘方圆,Xia Xiaofeng,Yan Binyu,Liu Fangyuan(四川大学,电子信息学院 ,四川,成都,610065)， 卢苇,Lu Wei(北京交通大学,软件学院,北京,100024) 刊名： 计算机测量与控制 英文刊名： COMPUTER MEASUREMENT & CONTROL 年，卷(期)： 2010，18(6) 0次 被引用次数： 参考文献(8条) 1.孙利民;李建中;陈渝 无线传感器网络 2006 2.Gao Q;Blow K J;Holding D J Simple algorithm for improving time synchronization in wireless sensor networks 2004(14) 3.李贤平;沈崇圣;陈子毅 概率论与数理统计 2003 4.Ganeriwal S;Kumar R;Srivastava MB Timing-sync protocol for sensor networks 2003 5.严斌宇;刘戈;夏小凤 无线传感器网络时钟同步技术[期刊论文]-计算机测量与控制 2009(06) 6.任丰原;董思颖;何涛 基于锁相环的时间同步机制与算法[期刊论文]-软件学报 2007(02) 7.杨宗凯;赵大胜;王玉明 无线传感器网络时钟同步算法综述[期刊论文]-计算机应用 2005(05) 8.康冠林;王福豹;段渭军 无线传感器网络时间同步综述[期刊论文]-计算机测量与控制 2005(10) 相似文献(10条) 1.期刊论文 严斌宇.刘戈.夏小凤.黄如皓.苟旭.Yan Binyu.Liu Ge.Xia Xiaofeng.Huang Ruhao.Gou Xu 无线传感 器网络时钟同步技术 -计算机测量与控制2009,17(6) 在无线传感器网络中,时钟同步是一项重要的支撑技术;诸如数据融合、TDMA调度、休眠唤醒节能模式和移动节点定位等应用均需要传感器节点本地 时钟保持同步;由于传感器网络一些独特的内在特性,NTP等传统同步技术无法适用于这种新型网络;因此,越来越多的研究者开始关注传感器网络时钟同步 协议的研究与设计;通过回顾时钟同步的问题及传感器网络对时钟同步的需求,介绍了时钟的数学模型,并基于该模型讨论了时钟同步的3个重要概念:时钟 漂移、时钟偏移和分组的传输延迟;之后简要阐述了3种专门为传感器网络设计和提出的典型传感器网络时钟同步协议. 2.学位论文 陈超 基于ZigBee的无线传感器网络时钟同步算法研究与改进 2008 随着无线网络技术的快速发展，无线传感器网络是一种以数据为中心的自组织无线网络。网络中的节点密集，数量巨大且部署在十分广泛的区域 ；网络拓扑结构动态变化，网络具有自组织和自调整的特点。 时钟同步技术作为无线传感器网络的一项支撑技术，对无线传感器网络的应用是至关重要的应用。由于传感器节点(本文采用ZigBee节点)受到能量 ，成本等因素的限制，传统网络中的时钟同步算法显然不能满足无线传感器网络的要求。因此，在满足一定的时钟同步精度的要求下，设计一种高效节 能的传感器网络时钟同步算法是本文研究的重点。 在ZigBee这个新技术中，对于需要通过休眠机制来降低功耗，同时又要保证各设备协同工作的ZigBee网络来说，时钟同步显得更为重要，它为系统 中的每个设备提供正确的时钟信息，提高系统的传输质量和效率。 本文对IEEE802.15.4/ZigBee的协议栈做了分析，全面深入地对现存的几种主要的无线传感器时钟同步算法做了研究分析，总结了这些算法的优缺点 。重点针对ZigBee技术的特点，利用ZigBee技术中判定两个节点之间的距离的RSSI(Received Signal Strength Indicator，接收信号强度指示)参数选 取出ZigBee节点单跳通信距离范围内边缘地带的节点作为与下层节点联系的路由节点。在单跳通信距离范围内其它节点仅作为普通节点(即在同步过程中 不起路由功能的节点，仅与其上层的路由节点达到同步)。在此基础上，本文提出了一种减少同步过程中的路由节点数量算法，路由节点之间相对于路由 节点与普通节点之间同步过程所需的消息交换次数要多，从而节省了时钟同步时所需的信息交换次数，大大降低了同步所需的通信开销，延长了 ZigBee节点在同步应用中的工作寿命。 本文在Linux环境下，基于开放源代码的Network Simulation 2软件，构建了一个网络仿真平台，对本文所采用的改进算法、TPSN算法和STSP算法进 行了仿真，给出了三种算法的仿真结果对比，改进算法的性能得到了成功验证。基于Jennic公司的JN5121-ZigBee控制器和BOS(Basic Operation System)的基本操作系统搭建了实验开发平台，在平台上实现了本文提出的改进无线传感器网络时钟同步算法，并在自己组建的简易无线传感器网络上实 现了时钟同步应用。在准备实验过程中作者还设计和制作了一个ZigBee设备的UART口与普通PC机的串口RS-232通信模块和一个串口输入八个串口输出的 转换器。在文中介绍了该平台的设计方法，实验过程和测试结果。 3.期刊论文 熊焰.GUO Liang.郭亮.吕天行.苗付友 无线传感器网络时钟同步的研究 -小型微型计算机系统 2006,27(12) 在无线传感器网络中,时钟同步是十分必要的.有限的电池能量,存储以及带宽限制等传感器固有的特性的存在,导致传统的时钟同步算法不适合无线 传感器网络.本文阐述了时钟同步问题和时钟同步的必要性,介绍了一些传感器网络的时钟同步算法,并深入研究了在考虑节点移动的情况下,利用节点的 移动来传递时钟信息的思想,模拟证明我们的算法性能良好. 4.学位论文 方瑜 无线传感器网络时钟同步的研究与开发 2007 无线传感器网络扩展了人们的信息获取能力，将客观世界的物理信息和传输网络结合在一起，为人们提供最直接、最有效和最真实的信息。时钟同 步作为无线传感器网络的重要模块，是无线传感器网络实现TDMA接入、协同休眠、通信调度和目标定位等技术的基础，也是将无线传感器网络技术可靠 地应用在工业控制领域的技术基础。 

论文以此为研究背景，对无线传感器网络的时钟同步算法进行研究与开发。 论文首先论述了时钟同步软硬件平台的设计和实现，为了获得良好的同步性能，需要有相应的硬件平台和软件平台的支持。软硬件平台的性能是时 钟同步方案设计和实现的基础，也是制约同步性能的重要因素。 硬件平台是进行无线传感器网络开发的基础，同时也是时钟同步方案需要考虑的重要因素。硬件平台主要包括无线传输、处理器、传感器和电源供 应这四个主要的硬件模块。各个模块的工作性能直接影响了无线传感器网络时钟同步的性能。论文详细论述了硬件平台的设计和各模块的主要性能参数 、节点的通信性能和能量消耗等性能指标。 软件平台对时钟同步任务提供了良好的任务调度、能量管理、消息触发和定时触发支持。传感器软件平台以超轻量级任务调度器为核心，并结合了 传感器网络协议栈基本结构框架，以及各个模块的信息接口，为传感器网络协议栈、模块和应用提供了高效的支持。 在无线传感器网络软硬件平台的基础上，论文分析了同步误差的来源，分析了当前主要的无线传感器网络同步算法，在该研究基础上，针对同步误 差来源以及现有时钟同步算法的优缺点，设计和开发了一种基于双时钟源反馈补偿的同步算法，使用两个高同步精度的时钟源，对多跳同步过程中的误 差积累进行反馈补偿，并且对该算法的同步精度和能量成本等指标进行了分析。 5.期刊论文 徐玉锋.XU Yu-Feng 无线传感器网络的时钟同步和校准技术 -通信技术2010,43(6) 无线传感器网络得到广泛应用,成为是C4ISRT系统中不可或缺的一部分.时钟同步和校准技术是无线传感器网络中的关键技术.无线传感器网络的数据 标记,协同睡眠、时分多址接入和数据融合等都需要时钟同步和校准,文章分析了影响时钟同步的主要因素,并重点介绍了几种同步算法和校准算法,将其 进行了比较. 6.学位论文 邓戈燕 无线传感器网络中的同步算法及能耗研究 2009 无线传感器网络是一个典型的分布式无线通信网络系统。组成无线传感器网络的各节点因各种固有原因都有自己的时钟，有必要制定适用于无线传 感器网络的同步算法保证传感器节点达到一定精度的时钟同步，才能够保证传感器节点之间相互稳定、协调的工作。
　　 另外，同步算法一般是由传感器节点间相互通信，交换大量包含时间信息的数据包来达成传感器节点间高精度的时钟同步，因此传感器节点会在时间同 步过程中消耗大量的能量。由于传感器节点是由有限能量的电池供电，因此，必须制定一个优化策略兼顾较高的时钟同步精度和低能耗。
　　 本文根据以上两点作了如下几方面工作：
　　 (1)介绍用于无线传感器网络的同步算法的相关理论知识以及能耗知识，为下文的同步算法设计及节能策略研究做好理论基础。
　　 (2)研究一种新型的应用于无线传感器网络的概率参考广播同步算法。
　　 由于算法本身的限制以及延迟测量误差的不确定性，参考广播同步算法要达到某一确定的较高时钟同步精度，只能采用重复同步过程这个办法来减少误 差。重复同步需要节点进行大量的同步信息包传输以及同步计算，这将使节点消耗大量的能量，不符合无线传感器网络低能耗的要求。
　　 应用于传统分布式系统的概率时钟同步算法主要适用于在不能确切知道传输延迟分布的网络中。该算法充分考虑存在通信故障，如通信冲突、信息包丢 失情况下，确保节点时钟在一定概率下的同步精度。本文根据无线传感器网络的特点，将概率时钟同步的方法应用在参考广播同步算法中，使之能在无 线传感器网络中使节点以较低的失效概率得到较高的同步精度。经过理论推导验证了该算法的可靠性和可行性，最后，在改进的MICA节点实验平台上了 ，验证了概率参考广播同步算法的同步精度高于参考广播同步算法的同步精度。
　　 (3)研究一种新型时间序列同步算法。
　　 由于一般的同步算法的同步精确度受传输延迟影响，有可能不符合某些实际应用的高精度要求，如用于结构健康监测的无线传感器网络，因此研究一种 时间序列同步算法。该算法的基本实现方法是，首先利用传统的时钟同步算法使网络中传感器节点进行初步时钟同步，然后传感器节点记录无损信号序 列并存在本地，接着根据比较传感器记录的有损信号序列和无损信号序列的“序列能量”差异，用自排列的方法使时间序列达到较高的同步精度，从而 得到更精确的损伤散射模型。经实验证明时间序列同步算法精确度与采样精度相当，精确度明显高于传统的时间同步算法。
　　 (4)同步算法的能耗优化研究。
　　 本文分析了在同步算法中影响能耗的几个因素：无线通信质量、同步对象、时钟偏移率、时钟同步精度、同步范围等，并根据这几个方面研究节能策略 。另外，对于节省节点能耗，最有效的方法就是通过切换传感器节点上器件的工作方式，使器件进入休眠状态，减少不必要的工作时间来达到节能的目 的。但由于传感器节点间时钟偏移率不同，节点进入休眠期后，时钟同步的精确度会降低。同时保证高精度的时钟同步和低功耗在实际应用中是很难实 现的。因此，必须制定一个优化策略兼顾较高的时钟同步精度和低能耗。文中针对一种时钟概率同步算法研究一种能耗优化策略，分析显示，优化策略 能以尽量小的能量达到所需的同步精度要求。 7.期刊论文 杨博.廖明宏.YANG Bo.LIAO Ming-hong 基于统计的无线传感器网络时钟同步协议 -哈尔滨工业大学学 报2007,39(1) 在Arvind提出的概率时钟同步算法基础上针对传感器网络进行了改进,采用在线测量传感器节点间消息传输时延值的方法,从根本上解决了传感器网 络进行时钟同步时即要保证同步精度又要降低能耗和带宽消耗的矛盾.针对不同网络拓扑结构设计了簇内时钟同步协议和全局时钟同步协议,针对节点的 事件触发工作模式设计了主动同步协议.实验结果表明,基于统计的时钟同步协议能够适应传感器网络的工作特性和需求. 8.学位论文 曹建军 基于GPS和无线传感器网络的时钟同步系统 2008 本论文提出了民用场合下一定区域内多地点、多房间的时钟同步问题，设计出一套基于GPS技术和无线传感器网络的时钟无线同步系统。该系统是由 一台授时器和多台电子时钟组成无线网络。 论文设计了基于无线传感器网络的授时系统结构，定义了通信数据帧格式。 论文给出授时器和电子时钟的硬件框图，硬件实现采用ATMEL89S52作为微处理器，采用SiRF Star ⅢGPS接收模块接收卫星信号，采用Nordic公司的 nRF905射频实现数据的发送和接收，采用DS1302电路作为本机时间，采用74LS373锁存、ULN2003驱动大尺寸数码管来显示时间。 论文的软件编写采用C51，给出了授时器、电子时钟的主程序和中断子程序框图。以模块的方式，给出GPS接收程序、nRF905芯片收发、DS1302读写 和显示程序。 课题制作了实验板，并进行实地调试。 9.期刊论文 王鹏.李思敏.WANG Peng.LI Si-min 无线传感器网络时钟同步研究 -广西通信技术2008(2) 根据无线传感器网络(WSN)时钟同步机制的作用及研究现状,针对大规模无线传感器网络提出了基于PCO同步模型的无线传感器网络时钟同步算法.由 于PCO模型同步机制的可扩展性极好,可以有效地消除上层干扰,可以只通过物理层的相互作用有效地完成同步,因此它非常适用于大规模无线传感器网络 的时间同步. 10.期刊论文 王鹏 无线传感器网络时钟同步研究 -大众科技2008(3) 根据无线传感器网络(WSN)时钟同步机制的作用及研究现状,针对大规模无线传感器网络提出了基于PCO同步模型的无线传感器网络时钟同步算法.由 于PCO模型同步机制的可扩展性极好,可以有效的消除上层干扰,可以只通过物理层的相互作用有效的完成同步,因此它非常适用于大规模无线传感器网络 的时间同步. 本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_jsjzdclykz201006074.aspx 授权使用：曹先生(wfnjyd)，授权号：ab9dfb55-1d22-46ca-b94f-9f0b0113f20d 下载时间：2011年6月23日