无线自组织网络时钟互同步算法分析

则节点 1 与节点 2 的时钟误差的差值为 τ △ 1 -△ 2 = τ -T2 2 T1 2 T1 22 t-τ 2 t-τ 2 t -T2 22 t τ -τ （3 ） 在重复预置与不断调整中，节点之间的差值不 即可认为到达同步 。 断减小， 最终使得 △1 -△2 →0， 由于重复的预置脉冲的发送时间，将导致大量的信 道带宽被占用，这在无线通信带宽资源十分有限的 通信环境中是难以容忍的。
Technology of Interactive Synchronization for Self-organized Network
KANG Jin-cui, LI Hong-juan
（ShiJiazhuang University, Shijiazhuang 050035, China）
Abstract:Time synchronization is an important support technology for wireless network, especially the wireless self -organized network. This paper reviews common challenges for time synchronization schemes, then presents in detail the several important interactive synchronization methods designed, proposed and compared them for self-organized networks. Key words:self -organized network; synchronization; burst position measurement; correlation; clock-sampling 在无线自组织网络中的很多服务， 包括协调 、 调性。 通信。 安全 、 电源管理和分布式登陆等， 都依赖于时 无线自组网时钟同步算法主要可分为： 集中 钟同步。 式同步和分布式同步。 分布式同步又可分为主－从同 步和互同步 。 前者， 通过开环式的分层方法， 将组中 而后者， 则 的时钟调整到参考或主节点的时钟上去。 是一种闭环式的分布式方法，每一个节点都试图与 其它节点进行同步， 而不需要参考主节点时钟。 它的
这 种 包 结 构 与 时 钟 同 步 中 的 TDMA、 时 隙 ALOHA 等的时帧包结构非常相似。 时钟的每个分帧 都有固定的时隙， 而且发送包的数目都是固定的。 每 该算法 个数据包的最前端是 20 个字符的训练序列。 具体包括 2 个部分： 时钟检测和本地时钟的更新。 3.1 时钟检测算法 所有的接收节点，将收到的信号与预知的训练 序列进行卷积， 可以找到最大的相关值。 而这个最大 相关值所对应的就是接收时间 τmax,k， 此时， 未更新前 算法中， 的本地时钟与检测到的接收时间误差最小。 为了避免同时有 2 个最大相关峰值出现造成判断错 误， 规定了门限值， 只有高于这个门限值的时隙才被 认为是同步时隙， 否则将被忽略。
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时间信号的连续相关性算法
Bin ZHU 等人提出了一种时间信号的连续相关 在此算法中， 网络中的节点不再发送参考时 性算法。 钟， 而是每个节点不断地发送信号以跟踪接收节点。 在与之相对应的接收节点，每个节点通过已知的训 练序列和接收的同步序列之间的最大时钟误差， 测 量出接收到的包的同步值，再根据检测值和期望值 之间的基于权重的误差平方和的同步算法来调整本 每个时帧里都有数个时隙， 而每个时隙里又 地时钟。 由接收时间、 训练序列和信息包组成。 如图 3 所示。
收稿日期:2010-10-26;修订日期:2011-04-29 作者简介:康金翠 （1969） ， 女， 河北行唐人， 实验师， 研究方向： 计算机硬件与网络技术。
第6期
康金翠， 等： 无线自组织网络时钟互同步算法分析
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好处在于发现、管理特殊的参考节点上的开销非常 有限或者没有， 特别是在军事中， 自同步技术得到广 泛应用，由于该技术的自然分散非常适合分布式和 移动性强的网络。无线自组织网络的时钟分布式的 在这种方法中， 没有 同步方法也即熟知的互同步法。 主节点发送参考时钟，而是每个节点都参与到同步 过程的角色中。
第 30卷第 6 期 2011 年6 期
煤
炭
技 术
Coal Technology
Vol.30,No.06 June,2011
无线自组织网络时钟互同步算法分析
康金翠，李红娟
（ 石家庄学院，石家庄 050035 ） 摘 要:时钟同步是无线网络的一项重要支撑技术 。 介绍了影响时钟同步的主要因素并对现有的几种无线自组织 网络的时钟互同步技术作了介绍， 并将几种互同步算法进行了分析比较。 关键词:无线自组网；时钟脉冲；相关性；时钟采样 中图分类号:TN929.5 文献标识码:A 文章编号:1008-8725 （2011 ） 06-0214-03
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引言
无线Ad Hoc 网络是自组织的网络， 由多个移动 每个节点不需要通过已有的线路连接， 而 终端组成。 是采用多跳的路径实现互连。网络中所有的节点或 部分节点可以发送信息或者转发别的节点的信息 。 在这种分布式的系统中，网络通常需要一个适应性 比较好的时间同步服务，以保证数据的一致性和协
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 的开关又是系统中电磁阀的控制开关，真正达到一 （4 ） 巡视检查各保温部位是否有破损， 如发现应 及时修复， 防止增大热损失。 阀多用， 不需要另外的按钮， 操作更加方便。 （5 ） 应随时检查保温储水箱中的水的液位， 防止 5 维护注意事项 保温储水箱中的水溢出，做到每次都是先使用保温 （1 ） 清除太阳能热水器真空集热管上的灰尘、 灰垢， 储水箱中的热水。 以防止降低集热管的热效率。如果要用自来水冲刷， 应 （6 ） 暴露在室外的电磁阀要经常检查， 稍有异常 在第 2 天早晨或晚间日照微弱、 气温较凉时进行。 此时 应引起注意并及时处理，防止大量跑水和造成人身 真空管的温度较低， 能防止玻璃管被冷水激碎。 事故。 （2 ） 定期进行系统排污工作， 以防止管路阻塞 。 （7 ） 使用过程中防止四通阀门内部互相串水， 要 水一般在 60℃以上容易发生结垢， 真空集热管内的 定期的查看阀门内的密封圈，注意阀门出限位开关 水在 60℃以下运行， 通常不会结垢。 有时真空集热管 的密封性能， 防止漏电。 内的水高达 100℃以上， 因此需要定期排污 。 系统长 参考文献： 刘满平.建筑环保节能给水方式[J]. 煤炭技术， 2010 （4 ） ： 时间运行， 使得有些组件如储水箱、 补水箱长期被水 [1] 史正元， 123-124. 浸泡， 难免发生锈蚀或防腐漆脱落， 这些垢污也要定 [2] 罗运俊， 陶桢主.太阳热水器及系统[M]. 北京： 化学工业出版社， 期排除。 2007. （3 ） 巡视检查各管道的连接点是否有渗漏现象， [3] 王草华.能源与可持续发展[M].北京： 化学工业出版社， 2005. 如发现应及时修复， 以防渗漏加重而造成修理困难。 （责任编辑 张欣 ）
脉冲。随后将真正的数据脉冲接收位置与定义的位 置相比较。这个差值与发送时钟和接收时钟及时间 比如说， 假设节点 1 的时钟 延迟的总和是相对应的。 为 T 1 22 节点 2 的时钟为 T2 22 两者的时间误差 t ， t ， 其中 τ 为由于脉冲信号产生的时延误差， 在节 值 △， 点 1 处得到的差值为 △1 =T2 2 -T1 22 （1 ） t-τ 2 t 在节点 2 处得到的差值为 △2 =T1 2 -T2 22 t-τ 2 t （2 ）
图 3 时隙边界和接收包
图1
主－从同步的拓扑图
图 2 互同步的拓扑图
常见的互同步方法有 3 种： 脉冲位置测量法， 时 间信号的连续相关性法和时钟采样法 。 3 种方法都 是通过加权平均来调整时间，可以比主从同步法获 得更高的同步精度。
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脉冲位置测量算法
在脉冲位置测量方法中，已同步的节点重复预 置脉冲的发送时间，接收端的节点周期的发送ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ钟
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时钟互同步概述
1.1 影响时钟同步的几个主要因素 （1 ） 发送时间： 这段时间主要是发送方用于构建 信息， 包括内核协议处理和各种操作系统的延迟； （2 ） 接入时间 （访问时间 ） ： 等待接入传输通道的 基于争用的 MAC 层必须在传输前等待信 延迟时间。 道的清空， 如果出现冲突还必须进行重传； （3 ） 传送时间和接受时间： 主要是发送方把信息 传送出去的时间或接收方接受信息的时间。这段时 间依赖于信息的长度和电波的速度和信道带宽， 一 般是毫秒级； ） 传播时间： 主要指从离开发送方开始计时的 （4 用于信息从发送方到接收方的传播时间，也即信息 在介质中的传播时间，可能还包括排队和每个节点 间的切换延迟； ） 接收中断处理时延： 因为在接收时， 可能会 （5 有中断处理带来的时延； （6 ） 接收时间： 到达的信息从 MAC 层到达应用 层所需的时间。 1.2 互同步的基本思想 在无线自组网里，互同步与分层的主从同步最 大的不同就在于它没有主控节点，所有节点的地位 都是平等的，通过网络中相邻节点时间基准的相互 交换和相互控制使得分散在网络各地的节点实现同 步。分层的主－从同步与互同步的拓扑差别如图 1， 图 2 所示：
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3.2 本地时钟的更新 了改进， 提出将时钟采样算法与互同步算法相结合， 在 ad hoc 网络中， 每个节点都有一个自己的本 实现多跳同步。 地时钟，它们用检测到的接收时间和最小二乘原理 4.2.1 控制时钟的设立 得到本地时钟的真实值 δ 来更新本地时钟。 原有的许多同步算法都是通过估计发送节点的 k 这 时钟频率来调整接收节点的时钟的误差或频率 。 2 k-j tmax,j -η Σ δt =argmin Σλ Σ （4 ） 些调整时钟的算法都不能使误差降为最低。 CS-MNS η j=k-N+1 ek=tmax,j -η （5 ） 提出了在每个节点设置一个控制时钟和一个真正的 其中， 真正的时钟即 TSF 中的本地时钟 Tex_times－ 其中 ek，不仅包括发送节点与接收节点之间的 时钟。 。 而控制时钟 Tctr_timestamp 与 Trx_timestamp 的比值定义为调 时间误差， 还包括了时间延迟误差。 λ 是遗忘因子， N tamp 且 s 的初始值为 1。 每接收到的一个时钟， 为发送间隔的时隙长度， 服从指数分布。 每个节点之 整因子 s， s 再与本地时 随着时间的增长， 就将它与控制时钟相比较，以更新 s。 间的时间更新过程是相互独立的。 又得到一个新的控制时钟， 如此周而复始， t 值不断加大， δ 越来越接近真实值，此时即为完成 钟相乘， 。 直至误差降到一个可以容忍的范围之内 同步。 仿真结果显示， 遗忘因子取 0.3， N 取 30， 节点 数目 100， 当时隙达到 110 以后， 误差概率<0.005。 4.2.2 数据转发 为了降低冲突概率， CS-MNS 算法规定只有网 4 时钟采样-互同步算法 络中的节点子集可以发送时间信息。具体描述为节 时钟采样算法： Clock-Sampling Mutual Network 点只有在窗口等待计数器为 0 时才可以按照 TSF 的 Synchronization for Mutual Mutli -hop Wireless Ad 算法去竞争发送信标帧；如果节点还未发送自己的 （CS-MNS ） 与其它互同步算法不同的 时间戳就收到了邻节点的时间信息或者计数器的值 Hoc Networks 则节点放弃本次发送， 转而等待下一个信标 是：算法中每个节点利用具有周期性且含有时间戳 大于 0， 的信标帧交换时间信息， 正因如此， 此算法可广泛应 发送竞争时隙再发送时间信息，并根据接收到的时 用于 IEEE802.11 的协议中。 它的思想最早由 A.Ger－ 间信息调整 s 值。 sho 和 B.J.Karafin 于 1966 年提出，即将经典的控制 论思想运用再多输入锁相环中，并通过锁相环控制 分布在各地的振荡器实现同步。之后，IEEE802.11 里的 TSF （Timing Synchronization Function ）引 用 了 这一思想。 它利用时钟采样的算法实现同步。 4.1 IEEE802.11 TSF 的基本原理 该算法通过在 MAC 层以一定周期设置同步时 隙， 各节点通过竞争同步时隙向外发送同步报文。 对 同步时隙的竞争采用随机退避的方法，各节点在每 个同步时隙随机退避一段时间，退避时间内若监听 到其他节点发送同步报文，则放弃同步报文发送权 等待下个同步时隙；如果退避时间到时仍未听到有 节点发送同步报文则向外发送包含本地时钟的同步 时钟调整遵循向快时钟调整的原则， 即节点接 报文。 收大于自己时钟的同步报文时，根据报文调整本地 时钟， 反之丢弃。 4.2 CS-MNS 算法 TSF 只研究了单跳同步并且所有的节点必须向 全网的最快节点进行同步，这在一定程度上浪费了 大量资源而且效率很低 。 CS-MNS 在此基础上进行