物聯(lián)網(wǎng)傳輸層存在著一個功能性問題，即時間同步問題。時間同步問題具體發(fā)生在無限傳感網(wǎng)絡(luò)中，例如，傳感網(wǎng)從感知節(jié)點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)，而在獲取這些數(shù)據(jù)的同時，會相應(yīng)地記錄獲取數(shù)據(jù)的時間和位置，這樣才能構(gòu)成一個有用的信息。相反，如果不能確定采集數(shù)據(jù)的時間，該數(shù)據(jù)就不能構(gòu)成完整的信息，數(shù)據(jù)對應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用也十分有限。同時，在物聯(lián)網(wǎng)傳輸層的其他方面也需要做到時間同步，比如TDMA定時、數(shù)據(jù)融合、同步休眠等。

　　因此，設(shè)計一種時間同步算法，是解決物聯(lián)網(wǎng)傳輸層時間同步問題的重要手段。在設(shè)計這種時間同步算法時，需要考慮多種問題，比如成本問題、自組織性、抗干擾性、及時性等。此外，還要結(jié)合傳感網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，系統(tǒng)地進(jìn)行相關(guān)算法的設(shè)計。

　　（1）通用時間同步設(shè)計

　　時間同步可以從兩個方面得以實(shí)現(xiàn)，一個是硬件方面，另一個是軟件方面。要實(shí)現(xiàn)時間同步，就必須了解時間同步的組成部件，也就是重新同步事件檢測部件、遠(yuǎn)程時鐘估計以及時鐘校準(zhǔn)等部件。

　　通過重新同步事件檢測部件來實(shí)現(xiàn)時間同步時，既可以借助初始化同步時鐘數(shù)，又可以借助初始化同步消息。一般來說，一個感知節(jié)點(diǎn)在一些情況下會重新調(diào)整它們的時鐘時間，使不一致的時間重新同步，因此就會用到重新同步事件檢測。利用第一種方式進(jìn)行時間同步，需要將初始化的同步時鐘數(shù)作為調(diào)整時間的依據(jù)，在進(jìn)行時間同步時，需要一個固定的速率kR，其中，k是一個實(shí)數(shù)，且大于1，而R則表示時間周期。利用這個公式，可以有效避免在兩輪同步過程中出現(xiàn)時間重疊。第二種方式要求利用初始化消息進(jìn)行時間同步，具體過程是，使一個較為特殊的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)向其他所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個初始化消息，這樣一來，其他所有節(jié)點(diǎn)都會根據(jù)這個消息進(jìn)行時間同步校準(zhǔn)。如果發(fā)送的消息延時過長，時間同步的精度就會越低，反之越高。

　　遠(yuǎn)程時鐘估計部件可以通過調(diào)節(jié)一個遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的本地時鐘來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的時間同步，這里又可采用兩種方式，第一種是將遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的本地時鐘時間通過網(wǎng)絡(luò)消息向其他節(jié)點(diǎn)傳輸，第二種是節(jié)點(diǎn)讀取其他遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的時間。

　　時鐘校準(zhǔn)部件同步時間的原理是：當(dāng)一個重新同步事件發(fā)生后，時鐘校準(zhǔn)部件就會根據(jù)這一事件估計出遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的時鐘信息，然后進(jìn)行本地時鐘時間調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)時間同步。

　　（2）傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步設(shè)計

　　傳統(tǒng)的時間同步機(jī)制有兩種，一種是網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議，另一種是GPS。但是傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步設(shè)計并沒有采用這兩種相對成熟的機(jī)制，因?yàn)檫@兩種同步時間機(jī)制的算法相對復(fù)雜，組建成本比較高。

　　在設(shè)計傳感器網(wǎng)絡(luò)時間方案時，不僅要考慮時間同步的精確性，還要考慮算法的復(fù)雜性，如果算法太過復(fù)雜，就會產(chǎn)生過多的電能損耗，這對于傳感網(wǎng)絡(luò)是一個致命的打擊。因此，設(shè)計傳感網(wǎng)絡(luò)必須同時從精確性和復(fù)雜度兩方面來考慮。簡單來說就是，要在精確性和復(fù)雜度之間找到一個平衡點(diǎn)，以便既能保證時間同步的精度，又能降低時間算法的復(fù)雜度，從而確保傳感網(wǎng)絡(luò)的高效、持續(xù)工作。具體來說，需要從以下幾個方面考慮：

　　①低能耗。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的供電電源無法經(jīng)常更換，所以，為了節(jié)約用電，確保傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠長時間持續(xù)工作，時間同步算法的復(fù)雜度要低，這樣可以降低能耗。

　?、诰_度。不同的應(yīng)用具有不同的時間同步精度，對時間同步精度要求不高的應(yīng)用，只要確保它們正常工作便可，不需要過分要求精度；對于時間同步精度要求在毫秒級以上的應(yīng)用，要著重進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，確保精度可行。

　?、劭煽啃?。傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，很少需要人工干涉，這就要求在惡劣的自然環(huán)境下仍能繼續(xù)工作，而相關(guān)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力足夠強(qiáng)，才能保持時間協(xié)議的有效性。

　　④可擴(kuò)充性。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)會根據(jù)應(yīng)用的需要進(jìn)行增添，所以，設(shè)計出的時間同步協(xié)議要隨時能夠滿足增添傳感器節(jié)點(diǎn)的需要，同時還要滿足高容量、高密度的需要。

　?、菁皶r性。一些應(yīng)用的時間同步需要在緊急情況下實(shí)現(xiàn)，這就要求時間同步協(xié)議具有高效執(zhí)行性，也可以稱為“工作及時性”。

　?、蕹杀玖畠r性。一般來說，傳感器節(jié)點(diǎn)具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、成本低廉的特點(diǎn)。而類似GPS等設(shè)備雖然能實(shí)現(xiàn)時間同步，但一方面其體積較大，無法安裝在較小的傳感器節(jié)點(diǎn)上，另一方面，這類設(shè)備的成本較高，無法大規(guī)范普及，因此，設(shè)計傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步算法要遵循成本低、設(shè)備尺寸小的原則。

　　（3）成對節(jié)點(diǎn)間的時間同步設(shè)計

　　如果說全網(wǎng)的時間同步是一個整體，那么成對節(jié)點(diǎn)間的時間同步就是組成這個整體的單元。例如，節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B要實(shí)現(xiàn)時間同步，只需要將兩者之間的時間數(shù)據(jù)相互交換便能實(shí)現(xiàn)。具體過程如下：

　　首先節(jié)點(diǎn)A要在某一時間點(diǎn)T1向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送一個同步脈沖分組，之后，節(jié)點(diǎn)B會接收這個脈沖中分組，并記錄分組到達(dá)時的對應(yīng)時間T2，而從節(jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)B所用的傳輸時間用D表示，則T2=T1+D。但由于節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B的時鐘可能出現(xiàn)時間偏差d，所以最終的T2=T1+D+d。其中，D未知，影響其時間長短的因素一般有兩個，一個是節(jié)點(diǎn)間的傳播距離，另一個是無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的傳播特性。

　　然后，節(jié)點(diǎn)B也會反饋發(fā)射一個分組給節(jié)點(diǎn)A，假設(shè)節(jié)點(diǎn)B發(fā)送分組時的時間是T3，節(jié)點(diǎn)A接收分組的時間是T4，則T4=T3+D-d。

　　如圖所示：

　　根據(jù)對應(yīng)關(guān)系，可以計算出偏差d和傳輸時間D，公式為：


　　將計算出的時間差d傳輸以分組的形式傳輸給節(jié)點(diǎn)B，就可以實(shí)現(xiàn)時間同步。但是上述內(nèi)容的成立必須基于節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B之間的傳輸時間一致，也就是必須保證D1=D2。然而實(shí)際上它們并不相同，仍然會存在同步誤差，如果應(yīng)用對時間同步精度的要求不高，這樣的計算就省時省力，且能祈禱實(shí)際作用，否則，還需進(jìn)一步進(jìn)行計算。

　　（4）成對同步誤差分析

　　傳輸時間由發(fā)送時間、傳播時間、接收時間以及訪問時間構(gòu)成。

　?、侔l(fā)送時間。發(fā)送時間由兩部分組成，一是處理時間，二是緩沖時間，總體來說就是裝配消息的時間。發(fā)送時間與傳輸時間不存在交叉和干擾，這是因?yàn)閮蓚€時間是分開進(jìn)行的，發(fā)送時間完成后，系統(tǒng)才會為分組加上時間戳。

　?、趥鞑r間。傳播時間受節(jié)點(diǎn)間距離的影響，是一個節(jié)點(diǎn)通過物理介質(zhì)向另一個節(jié)點(diǎn)傳播分組的時間。理論上，傳播時間在兩個節(jié)點(diǎn)間的雙向傳輸時間是一樣的。

　?、劢邮諘r間。接收時間符合高斯分布，是節(jié)點(diǎn)接收消息后的時間與節(jié)點(diǎn)告知計算機(jī)的處理時間之和。它的方差為8，均值為0，一般8等于11μS。

　?、茉L問時間。節(jié)點(diǎn)將分組傳到MAC層，訪問信道需要一定的等待時間，這個時間與載波監(jiān)聽的時間之和便是訪問時間。其節(jié)點(diǎn)發(fā)送的分組會經(jīng)過同一個信道，并在同一個MAC傳輸。因此，訪問時間也符合高斯分布，其中的均值也為0。

　　通過以上分析可以看出，只有接收時間以及訪問時間才是誤差的來源。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測算，它們的方差最大相差4倍，兩者同步的概率是99%，精確度公式為：