时钟同步模拟器simsync软件结构与使用说明书.doc

时钟同步模拟器（Simsync）软件 目录 前言 2 第一章 设计基础 3 §1.1 系统简介 3 §1.2 基本概念 4 第二章 软件实现 7 §2.1 基本数据结构 7 §2.2 程序模块的划分 10 §2.3 neighbor类 10 §2.4 simnode类 11 §2.5 alg类 16 §2.6 timequeue类 17 第三章 使用示例 20 §3.1 RBS_algorithm类 20 §3.2 main主函数 20 前言 无线传感器网络是当今的一个研究热点，大量的具有运算和无线传输能力的传感器节点分布在监测现场，以自组织的方式组织起来，协作完成各种复杂的监测任务。无线传感器网络具有高鲁棒性、高灵活性和高智能性的特点，在国防、环保、交通、医疗等人们生产生活的各个方面具有广泛的应用前景。 时间同步是无线传感器网络中的一项重要的支撑性技术，它不仅是线传感器网络应用的基础，也是无线传感器网络自身协议运行的必要条件。例如它可以应用于：标记数据采集时间、数据融合、协同休眠、时分多路系统以及定位等多种场合中。 目前在无线传感器网络时间同步的研究中，对于局部区域的节点之间的同步已经研究的比较成熟，针对这些场合的算法多以提高同步精度为目的。但是由于缺乏一个统一的基准测试和评估平台，因此很难对各种算法的性能进行客观的比较。 造成无线传感器网络节点间时间不同步有两个因素：一为晶体振荡器频率的不稳定性和不准确性；二为无线收发延迟的不确定性。Simsync时间同步模拟器通过对这两个因素的建模，为对各种时间同步算法的模拟提供了统一和客观的平台，方便了各种时间同步算法性能的比较，同时也能快速的实现对算法性能的评估。 本文第一章介绍了本软件的基本概念，主要介绍了本软件的一些技术特点和与其相关的基础知识。第二章介绍了设计原理，主要介绍了几个类的实现，作为一个有益的补充，第三章在simsync的基础上实现了参考报文同步算法（RBS）和main例程以作为使用示例。 第一章 设计基础 §1.1 系统简介 无线传感器网络广阔的应用前景使得它成为当今的研究热点，作为其中的一项基本支撑性技术，对网络的节点间进行时间同步不仅是许多应用的需求，也是无线传感器网络自身协议运行的必要条件。在功耗、计算能力等外界条件允许的前提下，最大限度的提高同步的精度是研究者们不断追求的目标。目前对同步算法的评估存在很大的问题，一方面由于目前传感器网络时间同步算法的精度已经达到微秒级，已经很难通过仪器来测量。另一方面，由于不同的算法实现者在不同的软硬件平台实现各自的算法，因此仅仅根据他们各自得出的同步精度数据很难对这些算法的性能有一个客观的比较。 通过模拟来比较各种同步算法的性能是一个很好的选择，在相同的软件平台下，不同的同步算法所得出的实验结果完全具有可比性。不仅如此，通过模拟甚至可以发现同步算法的某些特性乃至错误，因此对于进一步提高算法程序的适应性和健壮性也是不无裨益的。 Simsync时间同步模拟器采用VC++语言开发，运行在Windows平台上，采用了面向对象的编程方法。对用户来说，编程接口就是一个算法类和main主函数，用户可通过对算法类的继承和对该类中若干成员函数的重载和调用实现自定义的时间同步算法。在定义了main主函数进行初始化和算法的测试策略之后，就可进行算法的模拟。用户还可定义输出函数，通过该函数以文件形式输出用户所感兴趣的信息。此后，用户可以分析该文件来获得算法性能的信息。 Simsync对影响时间同步算法性能的两个主要因素进行建模，一个为晶体振荡器的频率，另一个为无线收发的延迟。由于无线传感器网络各个节点的晶体振荡器的振荡频率不可能完全相同，因此带来了彼此之间计时的不同步。相对于其他各种振荡电路来说，由石英晶体和一个正反馈放大器组成的晶体振荡器具有频率准确性和稳定性好的特点，因而被绝大多数系统所采用。但其频率的精度和稳定度受到石英晶体和外部反馈电容的影响，由于制造工艺的限制，不可能制造出两个完全相同的石英晶体和电容，因而不可能制造出完全相同的两个晶体振荡器。因此，无线传感器网络节点之间存在频率偏差是必然的。因而对时间同步的研究是必然和必须的。不仅如此，晶体振荡器的振荡频率还受到温度、压力、供电电压等多方面因素的影响，因此很难对晶体振荡器的振荡频率做一个准确的数学模型。研究认为：晶体振荡器的振荡频率在一个长的时间内服从正态分布，该分布的数学期望即为晶体振荡器的平均振荡频率。它和晶体的表征频率可能会存在一定的偏差。而该分布的方差则反映了晶体振荡器的稳定性，一般为1ppm~100ppm。 无论是传统的分布式系统还是现代的无线传感器网络，任意两个节点之间要达到同步，节点必须获得同步对象的时间信息，通过对该信息的处理来实现两者之间的同