3 ZigBee時鐘同步算法設計

　　ZigBee技術在低功耗無線傳感器網絡中的應用越來越廣泛。目前，在整個傳感器網絡中節點設備主要采用電池供電的方式，如何有效降低整個無線傳感器網絡的整體功耗是ZigBee無線傳感器網絡中一個亟待解決的問題。本文通過研究無線傳感器時鐘同步算法，路由器、終端節點同步進入周期性進入休眠，將有助于降低整個網絡的能耗，延長電源工作壽命。

　　3.1 常用無線網絡時鐘同步算法及其實現原理

　　在整個無線傳感器網絡中，影響時鐘同步的原因主要有硬件時鐘頻率差別、傳輸延遲等。目前較為成熟的時鐘同步算法主要有基于發送者—接收者的雙向時鐘同步算法，基于發送者—接收者的單向時鐘同步算法：

　?、倩诎l送者—接收者的雙向時鐘同步算法，例如TPSN時鐘同步算法。

　　TPSN協議是基于雙向報文交換的時間同步機制，每個節點與它上一級的節點通過兩路消息交換進行時間同步，最后實現所有節點與根節點的同步。算法示意圖如圖4所示。

　　節點B向節點A發送同步請求報文并記錄此刻的本地時間T2，A收到該請求報文時記錄本地時間T2，并立即向節點B返回一個應答報文，并在該報文中嵌入T2和該報文的發送時刻T3，B收到應答報文時記錄本地時間T4 。

　　基于報文傳輸的對稱性，可以認為請求報文時間和應答報文時間相等，當節點B的本地時刻為T2時，節點A和B之間的時鐘偏差為Δ，那么：T2=T1+Δ+d，在忽略A和B之間增加的時鐘偏差的情況下：T4=T3-Δ+d。

　　可計算出：

　　節點B在T4時刻將本地時間改為 T4+Δ，就可以達到與節點A在這一時刻的同步。

　?、诨诎l送者—接收者的單向時鐘同步算法，例如DMTS時鐘同步算法。

　　DMTS算法，即延遲測量時鐘同步算法，發送者在廣播的同步信息的報文中加人發送時間戳T0，假設發送報文的長度為NA個比特(包括前導碼和同步字)，報文發送速率是t/bit。接收者在接收完前導碼和同步字時記錄下本地時間T1，并在調整自己本地時間記錄之前記錄此刻時間T2，調整本地時間為T0+t·NA+T2-T1，從而實現與發送者時鐘同步。DMTS算法示意圖如圖5所示。

　　針對上述TPSN、DMTS時鐘同步算法的優缺點進行比較，可以得到結果如表1所示。

　　3.2 ZigBee時鐘同步算法設計

　　本文結合DMTS與TPSN特點，在充分利用兩者優點的基礎上并結合ZigBee無線火災監控網絡的基本情況，設計了一種新型的ZigBee無線傳感器時鐘同步算法。將整個無線傳感器網絡時鐘同步過程中分成兩步[4]：第一步，路由器到路由器采用TPSN同步時鐘算法;第二步，路由到終端節點DMTS時鐘同步算法。傳感器網絡所有節點設備通過循環進入休眠工作模式減少設備功耗，實現延長網絡壽命的目的。

　　(1)路由器到路由器的時鐘同步

　　TPSN路由器到路由器的時鐘同步算法包括兩個階段：層次發現階段和同步階段。

　　層次發現階段：確定網絡中所有路由器節點的層次結構，賦予每個路由器節點一個層次號，本無線火災監控網絡采用樹形網絡結構，便于層次的發現。在層次發現過程中，選取一個路由器根節點并賦予層次號0，根節點向其子節點路由器發送一個層次發現數據包，該數據包中封裝有發送者的物理地址和層次號，此子節點路由器將收到的層次號加1作為自身的層次號，然后再向自己的子節點路由器發送封裝有自身物理地址和層次號的層次發現數據包，重復這個過程直到網絡中所有的路由器節點均被賦予一個層次號。