分组通信网的同步与定时技术（3）

[编者按]分组通信网同步与定时，其技术需求源于分组网与传统通信网的互连互通，是分组网承载电路仿真业务和实时型业务的前提条件，是移动回传网、音视频桥和无线传感网等应用的关键技术之一。无线分组网的定时与同步，面向无线传感网和物联网的控制与应用，具有广阔的发展前景。本讲座从技术发展、有线和无线环境3个方面，分期论述分组网同步与定时技术：第1讲概要介绍同步与定时的技术概念、需求和现状，第2讲着重讨论以太网为的同步技术标准，第3讲对无线分组网的同步算法及性能进行综述和介绍。

8 无线传感网的同步技术
    从原理上讲，有线分组通信网采用的同步技术，都可以自然地延用到无线分组通信网，包括无线传感网。但在实际中，无线分组通信系统通常对能耗非常敏感，使得基于专用信号链路和不计带宽限制的同步技术，在无线环境下可能不再适用。而无线信道的广播特性，则为同步信号和定时信息的传递，提供了一种独有的技术手段。无线传感网应用的广泛性，又决定了同步与定时的性能指标要求，存在较大的可变范围。因此，无线传感网的同步技术具有多样性的特点，标准化也不是一个十分迫切的问题。

8.1 运用时标参照广播的同步技术
    早在2002年，研究人员就针对无线传感网的同步需求提出了名为“参照广播同步”(RBS)的方法。所谓参照，是指一个起信号作用的脉冲或分组，用做为同步处理的参考。与常规同步方法不同的是，RBS存在一个中心节点，该节点发送同步定时分组的目的只是为需要同步的节点提供一个对时参照，中心节点本身不参与时间同步。

    图1是RBS同步过程的简要说明，中心节点(C)周期性地向其他节点(比如A和B)发出参照广播，接收到该参照的节点记录下相应的本地时间。

    具体实现时，时标参照的广播可借助地址解析协议(ARP)分组或无线局域网络(WLAN)中请求发送/清除发送(RTS/CTS)帧的传送，以节省同步信号的传输开销。而对于接收过程的抖动，则可采用较为简单的线性回归算法进行处理和过滤[1]。

8.2 传感网定时同步协议
    针对可扩展性的要求，研究人员延用网络时间协议(NTP)双向校时方法设计出传感网定时同步技术(TPSN)，以实现全网与真实时间同步的目标[2]。TPSN的同步，包括树型同步结构建立和同步操作两个阶段。树型同步结构的根节点，等级为0，在网络部署之初人为指定。

    图2是TPSN同步生成树建立的过程。其中，圆内数值表示节点等级。节点A为根，节点B发出的1级广播通告被C丢弃，节点D发出的2级广播通告被E丢失。

    在树型结构建立阶段，根节点通过特定分组通告邻近节点，以确定等级为1的节点。而等级为1的节点，继续向外围节点通告，以确定等级为2的节点。如此扩散到全部可达节点，如图2所示。已确定等级的节点不再接受通告，以避开同步循环。

    在同步操作阶段，首先由根节点广播时间同步分组，所有等级为1的节点等待一个独立的随机时间，再向根节点发出延时测量请求，并由根节点给出应答。其间，采用了与NTP类似的时戳传递和延时计算方法，由1级节点调整本地时钟并同步到0级节点。

8.3 基于延时测量的时间同步
    为继承RBS单向同步优点，克服TPSN的灵活性缺点，人们又设计了基于单向延时估测的时间同步方法(DMTS)[3]。在DMTS中，主时钟节点向外广播时标，接收节点测出传输延时并将其与主节点时标之和用于设置本地时间。

    图3是DTMS的同步分组收发时序示意图，其中假定信道传输延时小到可以忽略。因此，接收节点同步的目标时间为tr = t + (t2 -t1) + nτ，其中，t为物理层发送前导的时间，t1为物理层开始接收前导的时间，n为前导的码长，τ为单位码的发送时间。对于一个特定协议(比如WLAN)，nτ是一个固定值。由图3可见，DTMS的精度主要取决于t2和t1的测量准确度。

    DTMS的一次同步操作，所有邻近节点都可以完成同步，因而整个同步区具有较好的节电性能。对于多跳网络，在选取等级为0的主钟后，所有邻近节点等级自动取1，这些1级节点采用相同广播和同步方法，以便外围2级节点达到同步。最终，网内全部节点均同步到0级主时钟。

    DTMS避免了同步回路，但他的最大弱点是同步精度相对较低。

8.4 其他同步方法
    概率性时钟同步(PCS)，在RBS的基础上采用误差概率预测的方法来过滤时戳本身的偏差[4]。
时间同步洪泛协议(FTSP)，在TPSN的基础上，引入了RBS的线性回归方法来过滤主时钟漂移对同步性能的影响，引入了动态根节点选取方法来提高同步等级树的灵活性[5]。在等级树建立时，或节点发生故障时，或新节点加入时，FTSP的节点会周期性地发出通告广播以告知其节点标志。节点间相互比较标志，其值较大者成为根。

    此外，针对同步树构造和抖动或漂移的补偿，研究人员又提出了为数众多的各种无线传感网同步方案，包括时间扩散同步协议(TDP)[6]、小型/微型同步(TS/MS)[7]和基于反馈控制的同步(FBS)[8]等。但上述技术方案，都忽略了信道传播延时对同步性能的影响，同步性能难以达到亚微秒级。

9 PTP在无线分组网的应用
    对于30 m长的无线信道，其信号传播延时约为100 ns。因此，如果无线节点频繁移动，并导致信号传播路径的变化超过30 m、抖动大于100 ns，则现有无线传感网同步技术的平均时钟偏差不易稳定在100 ns之内。

    为以太网环境设计的精确定时协议(PTP)，通过在物理层到媒体访问控制(MAC)层之间探测双向传播延时，并用于补偿时间偏差的计算，易于实现亚微秒级同步性能。

9.1 基于硬件时戳的PTP应用
    H. Cho等人提出将PTP应用于Zigbee节点同步的技术方案[8]，如图4所示。在图4中，主时钟通过以太网和PTP网关连接到Zigbee无线传感网内的从时钟。PTP网关根据消息长度，在无线传感网一侧完成分组拆装和中继。主时钟和从时钟按PTP要求从媒质无关接口(MII)读取时戳，并由从时钟对本地时钟进行校准。为获得高精度同步性能，从时钟采用了具有温度补偿功能的晶振作为本地时钟信号源。

    文献[8]报道，针对图4的配置，并由500次实验测试得到，从时钟的平均偏差为19.3 ns，最大偏差小于160 ns，标准偏差小于54.67 ns，优于上文介绍的无线传感网同步方案。

9.2 基于软件时戳的PTP应用
    2010年，A. Mahmood提出了一个无需硬件支持的PTP应用于WLAN同步方案[9]，如图5所示，并对同步性能进行实验测试。实验中，时戳值取自于网络驱动软件所提供的、符合IEEE 802.11规范的MAC管理实体高层同步原语(MLME -HL- SYNC)，以避免MII读取时戳所涉及的硬件变更。实验室环境下，无其他业务分组干扰时，从时钟的平均偏差为397 ns，标准偏差为3.17 μs；有其他业务流量争用信道时，从时钟的平均偏差为529 ns，标准偏差为5.27 μs。相比于本文第8节介绍的同步技术方案，仍有较好的同步性能。

10 结束语
    近年来，分组通信网的同步与定时，成为网络融合和业务融合发展的一个重要支撑技术，也是技术研究和应用标准重点关注的问题之一。本讲座对分组网同步与定时的技术需求、发展过程、实现方案、性能特点和相关标准进行了较为全面的综述，涵盖同步与定时的基本概念和性能指标，相对成熟的NTP、PTP同步协议，以及同步以太网和无线传感网等分组网的同步方法。目前，以分组技术为基础的骨干通信网和位于网络边缘的无线分组网，其同步与定时的技术方案、关键算法和协议标准，有待进一步深入研究。 （续完）

11 参考文献
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收稿日期：2011-03-20