基于WBSNs時間同步算法的研究

摘 要：基于ZigBee通信協(xié)議而日漸成熟的WSN技術(shù)已經(jīng)越來越廣泛的得到應(yīng)用，時間同步技術(shù)是實(shí)現(xiàn)WSN網(wǎng)絡(luò)正常應(yīng)用的重要基礎(chǔ)保障，但目前存在的時間同步算法在投入WSN系統(tǒng)中部署時，現(xiàn)有的時間同步算法不能夠有效的降低系統(tǒng)功耗，數(shù)據(jù)精度也無法滿足要求，針對這些問題本文提出了TPSN的改進(jìn)算法，綜合驗(yàn)證得改進(jìn)的TPSN算法能夠更好的支撐無線傳感器技術(shù)平臺。

關(guān)鍵詞：WBSNs；時間同步；TPSN

中圖分類號：TP274.4

所謂時間同步即各節(jié)點(diǎn)之間的通信時延幾乎可以忽略。但目前傳感器網(wǎng)絡(luò)中，不同節(jié)點(diǎn)之間的系統(tǒng)時鐘無法保持一致，由于WSN網(wǎng)絡(luò)需要全網(wǎng)協(xié)作運(yùn)行，因此時間同步對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的影響是非常重要的。

1 TPSN算法

TPSN（Timing-syncProtocol for Sensor Networks）采用了最傳統(tǒng)的類似于NTP網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議的時間同步模式，它的算法機(jī)制是建立在Pair- Wise時間同步機(jī)制上的，該算法采用客戶端/服務(wù)器（Client/Server）的時間同步模式，主要是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的時間同步。此算法之所以被廣泛應(yīng)用于WSN無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，正是得益于其較高的時間同步精度。

2 TPSN算法的改進(jìn)

2.1 WBSNs時間同步需求

WBSNs是WSN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的細(xì)化，即指WSN在人體生理數(shù)據(jù)監(jiān)測方面的應(yīng)用，WBSNs具有重要的應(yīng)用前景和應(yīng)用價值，這主要體現(xiàn)在如下兩個方面：

2.1.1 WBSNs繼承了WSN的最基本的技術(shù)優(yōu)勢，即數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)控與傳輸，它應(yīng)用于人體生理數(shù)據(jù)監(jiān)測時，能夠做到對人體生理數(shù)據(jù)信息的及時掌握并發(fā)送給相關(guān)醫(yī)療工作者，做到個體病情的及時發(fā)現(xiàn)和預(yù)警。

2.1.2 WBSNs能夠通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中存在的固定節(jié)點(diǎn)，通過節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)和地理信息技術(shù)，能夠迅速定位生理數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常的節(jié)點(diǎn)，即發(fā)生病情的病人，這樣當(dāng)病人處于危險狀態(tài)時，醫(yī)療救助工作能夠在第一時間啟動并迅速找到病危者。WBSNs時間同步要求：（1）高精度；（2）低能耗。因此，在WBSNs系統(tǒng)中對TPSN算法的改進(jìn)，主要是對其功耗和時間精度方面的改進(jìn)。

2.2 TPSN算法的改進(jìn)

目前對時間同步算法改進(jìn)的研究主要有兩方面，即縮小同步誤差來提高同步精度和降低能耗使算法更高效、節(jié)能。所以我們從兩方面對TPSN算法進(jìn)行了改進(jìn)：（1）利用概率論知識中的參數(shù)估計(jì)方法來盡可能的所轄同步誤差，以此來提高時間同步算法的精度；（2）時間同步周期不合理是造成能耗過大的主要原因，本文采用可變同步周期來實(shí)現(xiàn)低功耗。

2.2.1 改進(jìn)方法的選擇。參數(shù)估計(jì)是根據(jù)從總體中抽取的樣本估計(jì)總體分布中包含的未知參數(shù)的方法，是統(tǒng)計(jì)推斷的一種基本形式。因此在參數(shù)不斷變化的算法中，可以用參數(shù)估計(jì)來估計(jì)算法的參數(shù)變換趨勢?，F(xiàn)有的參數(shù)估計(jì)方法有：最小誤差無偏估計(jì)、最佳線性無偏估計(jì)、最大似然估計(jì)、最小二乘估計(jì)和貝葉斯估計(jì)，最小二乘估計(jì)法的優(yōu)勢在于比較容易在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，且其求得的時間偏差最小，因此本文選擇此參數(shù)估計(jì)對TPSN進(jìn)行改進(jìn)。

2.2.2 算法改進(jìn)。WBSNs是由節(jié)點(diǎn)自組織形成的多跳網(wǎng)絡(luò)，其時間同步誤差主要是在數(shù)據(jù)信息網(wǎng)路傳輸中產(chǎn)生的，且隨著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)過大或者國語復(fù)雜，其精度越受影響，因此要解決時間同步誤差過大的問題，就是需要解決各級網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)臅r延。（1）參數(shù)估計(jì)。若每個節(jié)點(diǎn)的時鐘頻率一樣，那么只需考慮時間偏差，但實(shí)際上每個節(jié)點(diǎn)的時鐘頻率并不一樣，所以必須考慮時間漂移。設(shè)傳輸延遲為d，時間偏差為σ，若實(shí)際接收時間為T2，令T2在節(jié)點(diǎn)2上對應(yīng)的時間為T2′，節(jié)點(diǎn)2可以利用計(jì)算出來的時間偏差值σ和時間漂移α來修正自身的本地時間，達(dá)到與節(jié)點(diǎn)1同步。在確定了最小二乘估計(jì)法參數(shù)估計(jì)模型后，我們在matlab軟件中實(shí)現(xiàn)模型的迭代仿真，仿真次數(shù)為100組，每組中取其迭代中產(chǎn)生的同步誤差，通過仿真結(jié)果可以看出，改進(jìn)后的TPSN算法在前20此中同步誤差較大，誤差值約為10μs，在其后的迭代中，同步誤差保持在10μs，而原有的TPSN算法其同步誤差保持在16μs，因此可以看出，采用最小二乘估計(jì)參數(shù)估計(jì)對TPSN算法進(jìn)行改進(jìn)后，有效地降低了時間同步誤差，提高了算法精度；（2）可變周期同步可變周期的思想就是取最近一次時間偏移差和最近的一次時間同步周期來重新確定時間周期長度，這樣就實(shí)現(xiàn)了周期可自動適應(yīng)時間同步的時延，減少算法的開銷一次來降低功耗。

當(dāng)時間同步的精度在不斷擴(kuò)大時，時間同步的周期也相應(yīng)增長，這就減少了系統(tǒng)調(diào)用時間同步協(xié)議的頻率，因此就降低了能耗，同步精度相同時，最大同步周期隨最大漂移值的增加而減小，二者成反比例關(guān)系。

最大偏移值與同步周期和最大漂移值成正比，最大漂移量越大，最大偏移值越大，其偏移范圍也就越大，相應(yīng)的精度越小。所以我們要盡量減少漂移值從而縮小偏移值的波動范圍，進(jìn)而提高時間同步的精度。

3 結(jié)束語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于生理監(jiān)測具有非常巨大的市場價值，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對個人身體生理數(shù)據(jù)的監(jiān)測，保證了個人的身體健康，同時大量的生理數(shù)據(jù)對于醫(yī)學(xué)研究也具有重要的價值。本文基于WBSNs提出的時間同步改進(jìn)算法，大大提高了時間同步精度，同時也降低了能耗，滿足了WBSNs需求。

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作者簡介：任偉（1978-），男，內(nèi)蒙古人，高級工程師，碩士，天津峰業(yè)教育信息咨詢有限公司總經(jīng)理，副校長，主要從事軟件工程、教育管理等方面的研究。

作者單位：天津北洋求實(shí)職業(yè)培訓(xùn)學(xué)校，天津 300000