无线传感器网络中的时钟同步与人员定位技术解析

# 无线传感器网络中的时钟同步与人员定位技术解析 ## 1. 时钟同步算法实验 ### 1.1 测试平台实验设置 在时钟同步相关研究中，进行了测试平台实验。实验采用了 11 个 Telos B 节点，其中 1 个作为根节点，另外 10 个作为普通节点。在软件层面构建了一个线性拓扑结构，根节点位于一端。根节点和所有普通节点的 UserINT 端口连接到一个触发源，该触发源每两秒发出一次触发信号。当根节点接收到触发信号时，会发送当前时间；而其他节点则会将该时刻的上下限发送到 PC 端。为避免无线信道拥塞，采用 USB 端口进行串行通信与 PC 端交互。 ### 1.2 与仿真结果对比 通过实验得到了相关数据，并与仿真结果进行对比。图 7 展示了 10 个节点（不包括根节点）的误差边界情况。图 8 则对测量结果和仿真结果进行了对比。从图中可以看出，误差边界的变化在初始的瞬态状态（图 8(a)）和长时间后的稳态状态（图 8(b)）都与仿真结果紧密匹配。不过，实验中的平均误差边界比仿真结果略高（9 - 13%）。第一跳的误差边界为 9.2 个时钟滴答，在 32768.5Hz 的时钟频率下，这相当于 280.0 微秒，并且误差边界大致与到根节点的跳数距离成正比。 ### 1.3 改进的时钟估计及与 FTSP 对比 为了提高时钟估计性能，对算法进行了改进。在每个消息中，除了包含全局时间的下限外，还增加了当前的全局时间估计值。对于时钟估计，采用了一种常见的方法：每个节点考虑接收和发送之间的时间间隔，制作一个（本地时间，全局时间）对的表格，并使用线性回归来获取估计值。 图 9 展示了 10 节点线性拓扑结构中第一跳的上下限和估计值情况，纵轴表示与全局时间的误差。由于上下限是确定性边界，上限误差始终为正，下限误差始终为负，而估计值则分布在零附近。图 10 对比了所提出的算法和 FTSP 在 10 跳线性拓扑结构中每一跳的平均估计误差。可以观察到，在近距离时，所提出算法的平均误差与 FTSP 相当；在远距离时，所提出算法的性能比 FTSP 提高了多达 40%（在第 10 跳时，分别为 1.54 和 2.65 个时钟滴答，提高了 42%）。 ## 2. 相关时钟同步工作 ### 2.1 区间同步方法 时钟同步算法与区间同步方法密切相关。一些研究致力于解决时间同步问题，例如 Marzullo 和 Owicki 研究了每个时间服务器返回包含真实时间的区间，通过在多个时间服务器之间交换消息来最小化区间长度的问题。Blum 等人对该算法进行了修改以适用于传感器网络，并提高了平均情况性能。Römer 提出了一种适用于自组织网络的区间同步算法。Schmid 和 Schossmaier 在给定传输延迟边界和漂移边界等性能参数的假设下提供了边界。本研究首次尝试仅根据硬件组件规格中容易获得的信息来给出边界，当拥有更多关于硬件和环境的信息时，有望进一步改进结果。 ### 2.2 凸多边形与时钟函数估计 使用凸多边形和将时钟函数估计为其切线的方法最早由 Duda 等人提出，并由 Berthaud 进行了更详细的研究。一些工作设计了最优和近似算法来保留成为支撑的约束条件。这些工作大多假设时钟漂移是恒定的，而本算法在确定边界线时采用了相同的思想，但不做恒定漂移假设。 ### 2.3 延迟补偿与其他相关算法 延迟补偿的概念在一些研究中已有讨论。本研究在有界漂移波动假设下扩展了这些结果，并设计了一种适用于 MAC 层时间戳的方法。由于 MAC 层时间戳将传输延迟降低到几微秒，时钟漂移成为同步的主要问题，因为许多传感器节点由于能量和成本限制使用具有较大漂移的普通晶体振荡器而非 TCXO 或 OCXO。 FTSP 通过线性回归高精度地估计时钟漂移和偏移，假设在短时间内漂移恒定。GTSP 通过调整逻辑时钟速率来最小化相邻节点之间的局部误差，基于对相邻节点时钟漂移的估计。PulseSync 通过引入脉冲式传播模式提高了远距离跳数的性能。后两者的研究包含了关于性能（包括准确性）的收敛性和最优性结果，但这些结果要么是渐近的，要么是在恒定漂移和有界传输延迟假设下的概率性结果。本研究则专注于确定性准确性保证，并且证明了所提出的算法可以与这些算法结合以获得良好的估计效果。 ### 2.4 温度补偿方法 Schmid 等人提出了一种补偿温度变化导致的漂移变化的方法，这本质上是 TCXOs 功能的软件实现。每个节点使用板载温度传感器制作一个存储温度和相对漂移对的表格，当表格中有足够的条目时，节点可以高精度地估计漂移并进行补偿，而无需与其他节点通信。本算法与这种方法是正交的，因为较小的漂移波动边界可以实现更严格的误差边界，因此，任何减少漂移波动并提供确定性保证的技术都可以提高所提出算法的准确性保证。 ### 2.5 时钟同步算法总结 所提出的时钟同步算法能够提供确定性的准确性保证。其主要思想是找到满足通过通信因果关系获得的所有约束条件的时钟函数的上下限。虽然该思想与经典的区间同步方法类似，但不做恒定漂移或可忽略传输延迟等简化假设。通过实验证明，由于有界漂移波动假设