无线传感时间同步学习------RBS协议

2002年12月，Jeremy Elson等提出参考广 MB3881PFF-G-BND-E1 播同步机制(Reference Broadcast Synchronization，RBS)，该机制利用了无线数据链路层的广播信道特性，一个节点发送广播消息，接收到广播消息的一组节点通过比较各自接收到广播消息的同步时刻，来实现它们之间的时间同步。消息延迟中，发送时间和访问时间依赖于发送节点CPU和网络的瞬间负荷，所以随时间变化比较大且难于估计，是时间同步误差非确定因素的最主要部分。而广播消息相对所有接收节点而言，它的发送时间和访问时间都是相同的。通过比较接收节点之间的时间，就能够从消息延迟中抵消发送时间和访问时间，从而显著提高局部网络内节点之间的同步精度。

    RBS算法通过接收节点对时抵消发送时间和访问时间，发送节点广播一个信标分组，广播域中两个节点都能接收到这个分组，交换接收时间，两个接收时间的差值相当于两个接收节点间的时间差值，其中一个节点可以根据这个时间差值更改它的本地时间，从而实现两个节点的时间同步，如图4-19所示。

                           
    RBS机制中不是通告发送节点的时间值，而是通过广播同步指示分组实现接收节点间的相对时间同步。beacon分组本身并不需要携带时标，何时准确发送出去也不是非常重要的，正是由于无线信道的广1播特性，beacon分组相对所有接收节点而言同时发送到物理信道上，才能够去除发送时间和访问时间引入的时间同步误差。
    对于传播时间，RBS机制只关心各个接收节点之间消息传播时间的差值，对于RF信号来说这种传播时间差值非常小，所以RBS机制忽略了传播时间带来的时间偏差。如果用声音作为信息传输手段，因为声音的传播速度较慢，所以这种传播时间偏差将不能忽略。

                             
    分组的接收时间主要由接收节点底层硬件决定。系统时钟能够在分组接收中断时间时读取，这就去除了接收节点的接收协议处理、上下文切换和网络接口向主机传送等时间。同样两个节点的接收时间差值对RBS机制才具有意义，接收时间差值相对很小，RBS机制也忽略了接收时间差值。
    影响RBS杌制性能的主要因素包括接收节点间的时钟偏差、接收节点非确定因素和接收节点的个数等。为了提高时间同步精度，RBS机制采用了统计技术通过发送节点发送多个消息，获得接收节点之间时间差异的平均值。对于时钟偏差问题，采用了最小平方的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偏差，直线上的点表示节点间的时间差异。
    RBS机制可用于多跳网络，如图4-20所示。非邻居节点A和B分别发送beacon分组，在相同广播域内的接收节点之间能够时间同步，节点4处于两个广播域的交集处，能够接收节点A和节点B两者发送的beacon分组，这使得节点4能够同步两个广播域内节点间的时间。
    为了得到网络中时间的全局时间信息，需要进行多跳网络中的时间转换。考虑发生在节点1和节点7附近的两个事件，分别记为Ei和E7。假设节点A和节点B分别在只和Pb时间点发送beacon分组，节点1在接收到节点A发送的分组后2s观察到事件Ei，节点7在观察到事件局后4s才收到节点B发送的beacon分组。其他节点从节点4知道节点A发送分组比节点B晚lOs，Pa=Pb +10，由此推出：曩=E7 +16。传统多眺网络的时间同步方法是节点重新广播它收到的时间信息，RBS机制不依赖于发送节点与接收节点的时间关系，从消息延迟中去除所有发送节点的非确定因素，减少了每跳的误差积累。
    RBS机制利用信道的广播特性来同步接收节点时间，去除了时间同步误差中所有发送节点引入的部分，比采用往返时间的时间同步机制具有更高的精度。RBS机制的时间同步精度主要由接收节点接收时间差决定，如果接收时间存在较大差异，就降低RBS机制的时间同步精度。通过多次广播分组获得平均值，能够提高RBS机制的时间同步精度。RBS机制可以用来构造逻辑时间，对于需要时间同步但不需要绝对时间的传感器网络非常有用。
    对于两个接收节点，RBS机制需要3个发送消息和4个接收消息。对于单个广播域内的阳个节点和m个广播信息，RBS机制的复杂度是0（mn）。在实际传感器网络中，发送节点往往也需要同步，需要另一个节点成为发送节点。多跳网络要保证簇之间有共同节点，误差随跳数增加而增加。
    传感器网络存在能量约束，为了节省传感器节点的能量，最好尽可能长地让它们保持在低功耗的睡眠状态。基于这种考虑，J.Elson提出了后同步(post-fact)的思想，就是通常情况下节点的时间不必同步，只有监测到一个事件发生时，节点才首先用它的本地时间记录事件发生时间，然后采用RBS机制，一个“第三方”节点广播beacon消息给区域内的所有节点，接收节点利用这个同步消息作为一个瞬间的时间参考点，同步它们监测到的事件发生时间。
    后同步机制能够实现瞬间的节点问时间同步，但是受限于广播beacon分组的传输范围，它不适应于需要长距离或长时间通信的时间同步。使用这种算法可以构造精确的局部时间，如波束形成、定位以及需要比较信号相对到达时间的传感器应用。

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