一种基于一种基于Ad hoc网络测距的时钟同步协议方法分析网络测距的时钟同步协议方法分析
摘 要： Ad hoc网络是一种特殊的无线移动通信系统，具有无中心、多跳等特点。 Ad hoc网络的前身是分组无
线网（Packet Radio Network）。Ad-Hoc（点对点）模式：ad-hoc模式就和以前的直连双绞线概念一样，是
P2P的连接，所以也就无法与其它网络沟通了。一般无线终端设备像PMP、PSP、DMA等用的就是ad-hoc模
式。 在家庭无线局域网的组建，我想大家都知道最简单的莫过于两台安装有无线网卡的计算机实施无线互联，
其中一台计算机连接Internet就可以共享带宽。如下图所示，一个基于Ad-Hoc结构的无线局域网便完成了组建。
同所有的分布式系统一样，时钟同步
摘 摘 要要： Ad hoc网络是一种特殊的无线移动通信系统，具有无中心、多跳等特点。 Ad hoc网络的前身是分组无线网
（Packet Radio Network）。Ad-Hoc（点对点）模式：ad-hoc模式就和以前的直连双绞线概念一样，是P2P的连接，所以也
就无法与其它网络沟通了。一般无线终端设备像PMP、PSP、DMA等用的就是ad-hoc模式。 在家庭无线局域网的组建，我想
大家都知道最简单的莫过于两台安装有无线网卡的计算机实施无线互联，其中一台计算机连接Internet就可以共享带宽。如下
图所示，一个基于Ad-Hoc结构的无线局域网便完成了组建。
同所有的分布式系统一样，时钟同步也是Ad hoc网络技术研究中的一个关键问题。因为网络节点内部的硬件时钟具有一
定的误差，所以节点的本地时间会存在偏差。然而，Ad hoc网络的许多应用需要全网络中的节点或一定范围内的部分节点具
有高度的时间一致性，因此Ad hoc网络需要进行时钟同步。现有的有线网络和无线网络上的时钟同步协议并不能完全满足Ad
hoc网络应用的需要，迫切需要进一步研究，探索出适合Ad hoc网络的时钟同步方法。
由于Ad hoc网络的特殊性，它的应用领域与普通的通信网络有着显着的区别。它适合被用于无法或不便预先铺设网络设
施的场合、需快速自动组网的场合等。针对Ad hoc网络的研究是因军事应用而发起的。因此，军事应用仍是Ad hoc网络的主
要应用领域，但是民用方面，Ad hoc网络也有非常广泛的应用前景。
1 相关研究相关研究
1.1 有线网络上的时钟同步方法有线网络上的时钟同步方法
传统的时钟同步方法中最典型的是利用GPS 或NTP协议实现设备间的同步。Ad hoc网络，尤其是传感器网络的节点，必
须考虑移动终端的成本代价。GPS装置价格昂贵，并且在建筑物或水下，其服务质量并不能得到很好的保证，尤其在军事应
用中，利用GPS来获得无线网络节点的时钟同步是极不可靠的。因此，在众多Ad hoc网络的应用中利用GPS获得时钟同步是
不可取的。
网络时间协议（NTP）的首次实现记载在Internet Engineering Note之中，其精确度为数百毫秒。稍后出现了首个时间协
议的规范，即RFC-778,它被命名为DCNET互联网时间服务，而它提供这种服务还是借助于Internet control Message Protocol
（ICMP），即互联网控制消息协议中的时间戳和时间戳应答消息作为NTP. 名称的首次出现是在RFC-958之中，该版本也被
称为NTP v0,其目的是为ARPA网提供时间同步。它己完全脱离ICMP,是作为独立的协议以完成更高要求的时间
NTP协议假设网络中2个节点的时间请求、回复报文具有相同的时延，由于Ad hoc网络多跳的无线环境存在非对称链路、
前向链路和反向链路，这些链路往往具有不同的时延，因此NTP协议不适合直接应用于Ad hoc网络；另外，NTP协议需要在
网络中配置时间服务器，Ad hoc网络是一种移动自组织网络，没有中心节点，这也导致了NTP协议无法直接应用于Ad hoc的
网络时钟同步。
1.2 无线传感器网络上的时钟同步协议无线传感器网络上的时钟同步协议
感器网络系统通常包括传感器节点（sensor node）、汇聚节点（sink node）和管理节点。大量传感器节点随机部署在监
测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程
中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传
感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。
时间同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制。Jeremy Elson和Kay Romer在2002年8月的HotNets-I国际会
议上首次提出并阐述了无线传感器网络中的时间同步机制的研究课题，在传感器网络研究领域引起了关注。目前已提出了多个
时间同步机制，其中RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN被认为是三个基本的同步机制。
参考文献[2]提出了一种适合无线传感器网络的参考广播时钟同步协议（RBS），该协议利用了"第三方"的广播时钟同步信
息来完成2个单跳节点的时钟同步。其基本思路是：在广播域内周期性地广播1个数据分组，所有接收到这个数据分组的接收
方对该数据分组做时间标记。所有接收方互相交换它们的时间标记，并以此获得邻近节点的时钟。重复以上过程，所有节点不
仅知道它们相互之间的相位偏移，而且知道它们相互之间的频率漂移率。所有节点都不调整它们的本地时钟，但要为每个邻近
节点建立一个调整时钟所需要的参数表。仿真结果表明，在Berkeley Motes平台上30次同步后取平均所获得的同步精度为1.6
?滋s.RBS协议虽然可以获得比较高的同步精度，但其只能应用于单跳范围内节点间的时钟同步，将RBS协议扩展到多跳是该
协议能否应用于Ad hoc网络的关键。
TPSN（Time-synchronization Protocol for Sensor Networks）[3]是一种用于多跳传感器网络的时钟同步协议，该协议的
目标是全网时钟同步。TPSN包括两个阶段，第一阶段是拓扑发现阶段，或称为全网络同步阶段，目的是要建立一个分级的网
络拓扑，其本质就是建立生成树。如果根节点能访问一个外部的高精度时钟，那么网络中的所有节点都与这个高精度的时钟同
步。第二阶段为比对同步阶段，由时钟参考节点周期性地广播一个同步标志发起，等级为1的节点接收到标志后即和时钟参考
节点同步，同步策略采用类似NTP的"two-way message exchange",随后同步依照节点等级向外扩散，每个等级为i的节点向等
级为i-1的节点同步，最后完成全网节点与时钟参考节点的同步。
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