大規(guī)模水下傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步研究

郭 瑛 張 震

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大規(guī)模水下傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步研究

郭 瑛*張 震

(青島科技大學 青島 266061)

該文針對大規(guī)模水下傳感器網(wǎng)絡(luò)，對信標節(jié)點覆蓋內(nèi)的節(jié)點，設(shè)計了基于靜態(tài)信標節(jié)點的時間同步算法；對信標節(jié)點覆蓋范圍外的節(jié)點，設(shè)計了動態(tài)節(jié)點輔助的時間同步算法。減少了節(jié)點移動對同步精度的影響。同時，根據(jù)水下聲速變化規(guī)律，設(shè)計了水下傳感器網(wǎng)絡(luò)分層時間同步機制，有效克服了已有算法在處理大規(guī)模水下傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步問題上的不足。仿真結(jié)果表明，該方法的同步效果明顯好于現(xiàn)有的算法。

水下傳感器網(wǎng)絡(luò)；時間同步；信標節(jié)點；動態(tài)節(jié)點；分層

1 引言

海洋在人類生活中所起的作用日益顯著，水下傳感器網(wǎng)絡(luò)得到人們越來越多的關(guān)注，并廣泛應用在海洋環(huán)境監(jiān)測、污染監(jiān)控、資源勘測、目標探測、跟蹤定位等領(lǐng)域[1,2]。時間同步是水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)和時間信息匹配才有意義，它也是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作、協(xié)同休眠等技術(shù)的基礎(chǔ)[3]。

現(xiàn)階段，研究者們已經(jīng)取得了大量陸地傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步算法的研究成果[4,5]，傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步算法按數(shù)據(jù)包交換方式的不同可分為3類：基于“接收者-接收者”的算法，基于“發(fā)送者-接收者”的雙向算法和基于“發(fā)送者-接收者”的單向算法。參考廣播同步(Reference Broadcast Synchronization, RBS)[6]算法是一個典型的基于“接收者-接收者”的同步算法。節(jié)點間通過交換接收時間戳，對比本地時鐘，經(jīng)過計算實現(xiàn)接收節(jié)點時間的彼此同步?；凇鞍l(fā)送者-接收者”的雙向時間同步協(xié)議(Timing-sync Protocol for Sensor Networks, TPSN)[7]采用逐層同步方式實現(xiàn)全網(wǎng)的時間同步，文獻[8]提出通過犧牲一定精度來減少能量開銷的時間同步算法(Light Weight Tree-based Synchronization, LTS)。為了避免往返傳輸時間估計，減少交換消息的數(shù)量，產(chǎn)生了基于“發(fā)送者-接收者”的單向時間同步機制，洪泛時間同步協(xié)議(Flooding Time Synchronization Protocol, FTSP)[9]利用節(jié)點間交換時鐘信息和線性衰減來實現(xiàn)同步。文獻[10]提出全局同步算法(Global Clock Synchronization)，每個節(jié)點周期性地向其鄰居節(jié)點廣播包含它當前時間信息的數(shù)據(jù)包，接收者計算出這些時間的平均值并發(fā)送到其鄰居節(jié)點，再將該值當作新的時間值，如此循環(huán)直到達到整個網(wǎng)絡(luò)的同步。

由于沒有考慮水下傳輸?shù)奶厥庑?，陸地傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步算法不能直接用于水下環(huán)境。水下傳感器網(wǎng)絡(luò)采用水聲通信，與采用無線電通信的陸地傳感器網(wǎng)絡(luò)有許多不同之處。水聲通信的傳播速度比較低，聲音在水中的速度約為1500 m/s，比無線電相差5個數(shù)量級。而且聲速在水中受溫度、深度和鹽度等因素的影響，具有動態(tài)變化的特點，使傳播延遲難以準確預測和計算。在海流等因素的作用下，傳感器節(jié)點具有一定的移動性[11]。節(jié)點的移動導致節(jié)點間的距離發(fā)生變化，還會產(chǎn)生多普勒頻移效應[12]，也增加了傳播延遲的估計難度。此外，水聲通信的可用帶寬窄，數(shù)據(jù)率低，誤碼率高，受海洋內(nèi)波、背景噪音、信號多徑傳播、多普勒頻移等因素影響，信號不穩(wěn)定，具有高度時空多變性。

針對水下傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步問題，研究者們做了一系列的研究，并取得了一些成果[13]。Syed等人[14]提出了高延遲網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議(Time Synchronization for High Latency networks, TSHL)。Tian等人[15]借鑒了RBS算法中的漂移率建模的思想和TPSN算法中的MAC層打時間戳以減小抖動的思想，提出一種輕量級、高延遲傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步算法。但是它們假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點是靜止不動的，節(jié)點間的傳播延遲固定不變，而水下節(jié)點會受海流的影響而移動，導致時間同步的誤差比較大。MU-Sync[16]采用分簇的方法實現(xiàn)簇首和簇內(nèi)節(jié)點之間的時間同步，但需要較多的信標節(jié)點均勻部署在網(wǎng)絡(luò)中作為簇首節(jié)點，導致節(jié)點部署成本高，部署方案容易受水下環(huán)境的影響。用于層次水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的Mobi-Sync[17]通過節(jié)點間的幾何關(guān)系消除節(jié)點移動的影響，其要求自定位的浮漂節(jié)點和能量充足的超級節(jié)點，并要在計算中使用節(jié)點的位置關(guān)系。D-Sync[18]利用多普勒頻移來進行時間同步，但是需要用多普勒頻移測量值和節(jié)點的速度推算傳播延遲。

這些水下傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步算法都是基于“成對節(jié)點”(pair wise)的同步方式，主要研究具有標準時間的信標節(jié)點和單個待同步節(jié)點之間的關(guān)系，而沒有考慮水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署規(guī)模。對于大規(guī)模部署的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有標準時間的信標節(jié)點難以覆蓋整個部署區(qū)域，而且水聲通信傳播延時長，速率低，易受環(huán)境影響，簡單地把“成對節(jié)點”的時間同步算法擴展到整個網(wǎng)絡(luò)，必然降低時間同步的精度。

本文針對大規(guī)模水下傳感器網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)地研究了基于信標節(jié)點的同步算法，以及對于信標節(jié)點覆蓋范圍外的節(jié)點，利用已經(jīng)同步的動態(tài)節(jié)點輔助同步的方法，并基于水聲的傳播規(guī)律，設(shè)計了水下傳感器網(wǎng)絡(luò)分層同步機制，以保障時間同步算法的有效性。本文主要內(nèi)容如下：(1)設(shè)計基于靜態(tài)信標節(jié)點的移動水下傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步算法。(2)研究水下信息傳輸和節(jié)點移動的規(guī)律，設(shè)計動態(tài)節(jié)點輔助的時間同步算法，同步信標節(jié)點覆蓋范圍外的節(jié)點。(3)分析水聲速度變化特點，設(shè)計分層的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步機制，進一步提高時間同步精度。

2 算法設(shè)計

本節(jié)首先介紹水下傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的基本思想，然后針對大規(guī)模水下傳感器網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計基于靜態(tài)信標節(jié)點和動態(tài)節(jié)點的時間同步算法。

2.1 時間同步基本思想

傳感器節(jié)點的時間由內(nèi)部時鐘控制，而內(nèi)部時鐘與振蕩器的頻率有關(guān)，由于硬件、制作工藝等方面的原因，不同節(jié)點有不同的頻率變化，因而有不同的內(nèi)部時鐘，導致不同節(jié)點的時間不同步。節(jié)點的本地時間和標準時間之間關(guān)系為

式中代表節(jié)點編號，T代表標準時間，t代表節(jié)點的當?shù)貢r間，a為時鐘漂移，b為時鐘偏移。

時間同步的基本思想是節(jié)點通過數(shù)據(jù)交換的方式，估計時鐘漂移和偏移，修正本地時鐘，使得本地時鐘和標準時鐘保持同步。

2.2 靜態(tài)信標同步算法

為了減少節(jié)點移動對時間同步精度的影響，避免節(jié)點移動帶來的誤差，在時間同步的過程中，具有標準時間的信標節(jié)點在同步過程中保持靜止狀態(tài)，這種基于靜態(tài)信標同步(Beacon Node based Clock Synchronization)算法簡稱為B-Sync。

如圖1所示，節(jié)點是信標節(jié)點，具有標準時間，它在同步的過程中不移動位置。節(jié)點是待同步的普通節(jié)點，隨海流等因素而運動。為了提高精度，同步數(shù)據(jù)包中的時間信息是來自MAC層的時間戳。

圖 1 靜態(tài)信標同步示意圖

信標節(jié)點發(fā)送同步信息，該信息包含其發(fā)送時間T1，經(jīng)過時間1后，信息到達待同步節(jié)點，其記錄下該信息到達的本地時間T1。然后，待同步節(jié)點立即向信標節(jié)點發(fā)送同步信息，信息中包含其發(fā)送時間T2。由于待同步節(jié)點在接收到同步信息后，立即發(fā)送新的信息，兩個信息間的時間間隔只有短短的幾微秒，節(jié)點的移動能力有限，在如此短的時間內(nèi)，其移動距離可以忽略，而信標節(jié)點的位置保持不變，因此，假設(shè)該信息從待同步節(jié)點到達信標節(jié)點的時間也是1。此信息到達信標節(jié)點后，信標節(jié)點記錄下到達時間T2。可以得到

接下來，信標節(jié)點在T3再次發(fā)送同步信息，由于水下信息傳播速度慢，傳播延遲長，信息傳播需要幾十毫秒甚至幾百毫秒的時間，待同步節(jié)點在這段時間里的移動不可忽略，該信息到達待同步節(jié)點所經(jīng)過的時間不再是1，而是2，這也是許多時間同步算法在設(shè)計過程中忽略的問題。該信息到達待同步節(jié)點后，待同步節(jié)點記錄下該信息到達的本地時間T3。待同步節(jié)點立即向信標節(jié)點發(fā)送同步信息并含發(fā)送時間T4。信息經(jīng)過時間2后到達信標節(jié)點，信標節(jié)點記錄下該信息到達時間T2。可以得到

聯(lián)立式(2)~式(5)，即可得到如式(6)的節(jié)點的時鐘漂移和時鐘偏移。

由于信息傳播過程中，傳播延遲具有時變性，會影響時間同步精度，可以用線性擬合的方式提高同步精度。根據(jù)式(4)和式(5)，可以得到如式(7)的時鐘漂移和時鐘偏移函數(shù)：

2.3 動態(tài)節(jié)點同步算法

在大規(guī)模水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中，信標節(jié)點的傳播范圍有限，不能達到所有節(jié)點。此時，需要由已經(jīng)同步的節(jié)點作為新的參考節(jié)點，輔助時間同步算法的運行，直到所有節(jié)點都完成同步。但是，這些已同步的節(jié)點與信標節(jié)點不同，它們不能保持靜止，而是隨水流移動。故適用于靜態(tài)信標節(jié)點的時間同步算法不能直接應用在動態(tài)節(jié)點輔助同步的過程中。因此，設(shè)計了動態(tài)節(jié)點輔助的時間同步(Dynamic Node assisted Clock Synchronization)算法D-Sync。

如圖2所示，動態(tài)節(jié)點是一個已經(jīng)同步的普通水下節(jié)點，作為新的參考節(jié)點；節(jié)點是待同步的普通節(jié)點，兩節(jié)點都隨海流等因素運動。

圖2 動態(tài)節(jié)點同步示意圖

節(jié)點發(fā)送同步信息，其發(fā)送時間為T1，經(jīng)過時間1后，該信息到達待同步節(jié)點，節(jié)點記錄下信息到達的本地時間T1。然后，節(jié)點向節(jié)點發(fā)送同步信息，信息中包含其發(fā)送時間T2。由于節(jié)點的移動在信息傳播過程中不可忽略，信息經(jīng)過時間2后到達節(jié)點，而不再是時間1。節(jié)點記錄下到達時間T2。可以得到

假設(shè)，節(jié)點的移動速度為1，節(jié)點的移動速度為2，水下信息的傳播速度為V，可以得到

即

其中，節(jié)點的移動速度可以通過攜帶的硬件設(shè)備(比如：多普勒速度計)測量得到，也可以利用一些較成熟的算法[19]計算得到。

節(jié)點在時間T3再次發(fā)送同步信息，該信息經(jīng)過時間3后，到達節(jié)點，到達的當?shù)貢r間為T3，可以得到

其中

同理可得

其中

對于動態(tài)節(jié)點，同樣可以針對多組數(shù)據(jù)，采用線性擬合的方法，提高同步精度。此時，時鐘漂移和時鐘偏移的函數(shù)為

在上述算法中，沒有考慮水聲傳播速度V變化的影響。水聲傳播速度與水下環(huán)境密切相關(guān)，只有滿足一定條件時，才可將其視為常量，該問題將在下節(jié)詳細討論。

3 水下分層時間同步

在上一節(jié)的算法設(shè)計中，假設(shè)信息的傳播速度保持不變，但在實際情況下，水下聲音傳播速度受到多種因素的影響，具有動態(tài)變化的特點。本節(jié)通過對水聲速度變化規(guī)律的分析，針對大規(guī)模海洋傳感器網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計分層的時間同步方式L-Sync (Layering Clock Synchronization)，減少水聲速度變化對算法的影響，進一步提高同步精度。

3.1 水聲傳播規(guī)律

與陸地傳感器網(wǎng)絡(luò)不同，水聲的速度不是固定值，而是有規(guī)律的變量。海洋中的聲速V(m/s)隨溫度(℃)，鹽度(‰)和壓力(kg/cm2)的增加而增大[20]。目前，應用較多的經(jīng)驗公式是威爾遜公式：

式中

海水中鹽度變化不大，典型值為35‰，同層海水的溫度變化也不大，經(jīng)常用深度替代靜壓力，每下降10 m水深近似增加1個大氣壓的壓力，也就是說海水中的聲速具有垂直分層特性，聲速近似為水平分層變化。這種水平分層變化規(guī)律對動態(tài)節(jié)點時間同步算法具有重要影響，應保證信息傳輸盡可能的發(fā)生在相同的水平面。

3.2 分層同步

為了使函數(shù)式(19)中的水聲傳播速度V近似常量，同步節(jié)點應在同一水平面。本文采用分層的方式進行時間同步，而不是簡單的選擇相鄰節(jié)點進行時間同步。

如圖3所示，把水下部署區(qū)域按照深度劃分層次。在時間同步過程中，僅同層節(jié)點之間進行時間同步，不同層次的節(jié)點不互相發(fā)送同步信息，不參與彼此的時間同步計算。這種分層同步的方式需要每層都有至少一個具有標準時間的信標節(jié)點，或者一個具有自主移動能力的信標節(jié)點，它可以移動到不同的層面并保持靜止，逐層實現(xiàn)時間同步。

圖3 分層時間同步

在第1層上，具有標準時間的信標節(jié)點首先同步其傳播范圍內(nèi)的節(jié)點1。節(jié)點1同步完成后作為新的參考節(jié)點，同步其傳播范圍內(nèi)的節(jié)點2，依次類推，節(jié)點2同步節(jié)點3和節(jié)點4，節(jié)點4再同步節(jié)點5。在第2層和第3層上，也按照相同的方式同步全部節(jié)點。

這種時間同步方式會帶來累積誤差，也就是說待同步節(jié)點離信標節(jié)點的距離越遠，誤差越大。這是由于采用已經(jīng)同步的動態(tài)節(jié)點輔助時間同步的時候，該節(jié)點會把自己的時間偏差代入到新的同步過程中，帶來更大的時間偏差，這個偏差隨著同步節(jié)點的增加而逐漸積累。

有很多方法可以減少累積誤差，比如采用具有移動能力的信標節(jié)點，在多個不同的位置發(fā)起時間同步，或者在每層都部署多個信標節(jié)點。待同步節(jié)點以其到不同信標節(jié)點的跳數(shù)作為權(quán)重，距離信標節(jié)點越近，權(quán)值越大，取各個同步運算結(jié)果的加權(quán)平均值作為最終結(jié)果，以降低累積誤差的影響。

4 仿真及結(jié)果分析

本節(jié)對B-Sync, D-Sync和L-Sync算法進行模擬仿真分析，并與時間同步算法TSHL[14], MU-Sync[16]和Global[10]進行比較。

仿真中，待同步節(jié)點擁有不同的內(nèi)部時鐘，其移動速度在0.1 m/s~1 m/s之間。信標節(jié)點發(fā)送消息包的時間間隔1 s，時鐘粒度1 μs。TSHL和MU-Sync采用25個參考信息包用于線性回歸運算。仿真中使用的時間均來自MAC層時間戳。

首先，研究B-Sync和D-Sync算法的精度。圖4顯示的是采用靜態(tài)信標節(jié)點進行時間同步，經(jīng)過一段時間后，本地時鐘偏差的變化趨勢。從圖中可以看出，B-Sync算法的誤差小于TSHL和MU-Sync。TSHL假設(shè)每次信息傳播延遲相同，對于移動水下傳感器網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點移動使得節(jié)點間相對位置改變，從而產(chǎn)生不同的信息傳播延遲。MU-Sync在第1次線性回歸估計過程中，沒有考慮到傳播延遲，引入較大的誤差。

圖5是采用動態(tài)節(jié)點作為標準時間節(jié)點，運行不同的時間同步算法一段時間后的時間偏差。D-Sync算法明顯好于TSHL和MU-Sync，這是由于后兩種算法沒有考慮標準時間節(jié)點移動的影響。

然后，研究B-Sync和D-Sync算法的能耗。由于仿真中采用相同的傳輸協(xié)議和時間格式，不同算法發(fā)送的數(shù)據(jù)包長度相同，為了簡化計算，采用數(shù)據(jù)包數(shù)目來衡量算法能耗。圖6展示了時間同步100次，TSHL, MU-Sync, B-Sync和D-Sync需要的數(shù)據(jù)包數(shù)目。TSHL和MU-Sync需要一定數(shù)量的數(shù)據(jù)包才能滿足運算要求，能耗較高。而B-Sync和D-Sync計算所需要的數(shù)據(jù)包數(shù)目大幅度降低。其中，B-Sync不必考慮信標節(jié)點移動帶來的影響，比D-Sync更加節(jié)省能量。

接下來分析L-Sync算法的精度和能耗。假設(shè)水中均勻部署100個節(jié)點，每個節(jié)點具有不同的內(nèi)部時鐘，且只能和一跳內(nèi)的鄰居通信，把L-Sync和同樣考慮全局時間同步的Global進行比較。圖7顯示了時間同步完成一段時間后，L-Sync和Global的時間偏差，圖8顯示了時間同步10次，L-Sync和Global的能耗。由于Global沒有考慮傳播延遲和節(jié)點移動的影響，其精度低于L-Sync, Global需要和全部鄰居節(jié)點交換時間，比L-Sync需要更多的數(shù)據(jù)包。

仿真結(jié)果表明，在大規(guī)模水下傳感器網(wǎng)絡(luò)中，本文的時間同步方案精度高、能耗低，其效果好于現(xiàn)有的時間同步算法。

5 結(jié)束語

本文針對大規(guī)模水下傳感器網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了基于信標節(jié)點的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步算法；對于信標節(jié)點覆蓋范圍外的節(jié)點，采用動態(tài)節(jié)點輔助時間同步；結(jié)合水下聲速的變化規(guī)律，設(shè)計了分層的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步機制。在今后的工作中，要進一步研究水聲信道的特點，分析算法對不同環(huán)境的適應性，并通過海洋實驗驗證算法性能。

圖4 靜態(tài)時間同步后的時鐘偏差變化

圖5 動態(tài)時間同步后的時鐘偏差變化

圖6 時間同步所需數(shù)據(jù)包數(shù)目

圖7 大范圍時間同步后的時鐘偏差變化

圖8 大范圍時間同步所需數(shù)據(jù)包數(shù)目

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郭 瑛： 女，1981年生，博士，講師，研究方向為傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng).

張 震： 男，1989年生，碩士生，研究方向為傳感器網(wǎng)絡(luò).

Clock Synchronization Study for Large Scale Underwater Sensor Networks

Guo Ying Zhang Zhen

(&,266061,)

For large scale underwater sensor networks, the characteristics of underwater acoustic channel are investigated. A static beacon node based clock synchronization algorithm is presented for the nodes inside the beacon node’s coverage area, and a dynamic node assisted clock synchronization algorithm is designed for the nodes outside the beacon node’s coverage area. These methods reduce the effect of node mobility. A layering clock synchronization mechanism based on the feature of underwater sound velocity is proposed, which solves the clock synchronization problem of large scale underwater sensor networks. The simulation results show that, the proposed synchronization method is obviously better than existing algorithms.

Underwater sensor network; Clock synchronization; Mobile beacon; Dynamic node; Layering

TP393

A

1009-5896(2014)06-1498-06

10.3724/SP.J.1146.2013.01128

郭瑛 guoying@qust.edu.cn

2013-07-30收到，2013-11-15改回

青島市科技計劃項目(12-1-4-3-(16)-jch)，國家自然科學基金(61103196, 61170258)和山東省優(yōu)秀中青年科學家科研獎勵基金(BS2012DX011)資助課題