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近年来,随着无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)的快速发展,其相关技术也得到进一步研究。作为WSN的重要技术之一,时间同步技术是维持WSN组成节点时间一致性,保证节点协同工作的前提,在信息采集、狙击定位和数据融合等相关技术中都发挥着至关重要的作用。因此,研究时间同步技术具有重要的理论意义和宝贵的工程实现价值。然而,可靠的同步精度通常需要大量的信息交互,从而导致较大的同步开销。针对同步精度和同步开销的相互制约关系,本文以典型的双向成对时间同步算法(Timing-sync Protocol for Sensor Network,TPSN)为基础完成了相关算法的设计,并基于CC2530硬件平台完成了实验验证和分析。为保证同步精度,在TPSN算法的基础上,本文设计了基于帧首定界符(Start of Frame Delimiter,SFD)的改进TPSN算法(S-TPSN)。S-TPSN算法采用SFD硬件捕获时间戳的方式消除部分延迟,保留TPSN算法即时补偿时钟偏差的同时,利用最小二乘法估计、补偿时钟漂移。星状、链状和树状结构下的实验结果表明,S-TPSN算法将星状单跳误差控制在0.968μs,将4跳链状误差控制在4.576μs,将4跳树状误差控制在3μs左右(最大为3.061μs,最小为2.868μs)。S-TPSN算法将同步精度控制在微秒级,保证了同步精度。在保证同步精度的基础上,针对同步开销大的问题,本文在S-TPSN算法的基础上引入广播机制,充分结合接收方-接收方、发送方-接收方的同步方式,设计了一种具备监听机制的时间同步算法(OS-TPSN)。在保留S-TPSN算法硬件捕获时间戳和同步误差补偿方式的同时,OS-TPSN算法利用通信范围内节点监听双向同步包的方式实现全网同步。星状、树状结构下的实验结果表明,OS-TPSN算法将单跳同步误差控制在2.047μs;在多跳同步时,4跳监听误差中两个监听节点的同步精度分别为8.193μs和5.241μs。相比S-TPSN算法单跳同步精度0.968μs,OS-TPSN算法虽然损失了一定的同步精度,但是采用节点监听同步的方式,减少了大量的信息交互,使同步开销得到明显降低,实现了精度和能耗的相对均衡。