無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步優(yōu)化算法的研究

史志軍

【摘要】本文主要圍繞著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步問題展開分析，具體分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系的基本原理和和體系結(jié)構(gòu)，進(jìn)而分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同

步優(yōu)化的一些算法和新技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】無線傳感器；網(wǎng)絡(luò)時(shí)間；同步；算法

一、前言

目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步問題已經(jīng)備受關(guān)注，經(jīng)過了多年的研究，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的算法已經(jīng)得到了優(yōu)化，為了能夠進(jìn)一步提升無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的效果，需要再次深入研究其優(yōu)化方法。

二、無線傳感網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

1.傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)以無線多跳通信方式形成的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其中的傳感器節(jié)點(diǎn)能夠協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給用戶。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最基本的組成要素是傳感器節(jié)點(diǎn)，它由數(shù)據(jù)采集單元、處理器單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和能量供應(yīng)單元四部分組成。

數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，借助形式多樣的傳感部件，傳感器節(jié)點(diǎn)能夠感知溫度、濕度、噪聲、移動物體的大小、速度和方向等信息。處理單元負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作、存儲和處理數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)傳輸單元負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)交換控制信息和傳輸采集到的數(shù)據(jù)信息。能量供應(yīng)單元為傳感器節(jié)點(diǎn)各部件提供運(yùn)行所需的能量，通常采用微型電池。

2.網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨即部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，以自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以不同的路由方式沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳傳輸，在傳輸?shù)倪^程中，可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，然后傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)。最后，通過互聯(lián)網(wǎng)或者衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。用戶通過管理節(jié)點(diǎn)對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理。

3.無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

與傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更加面向應(yīng)用，為適應(yīng)特定的應(yīng)用目標(biāo)其組織和結(jié)構(gòu)在很大程度上進(jìn)行了優(yōu)化，以減少系統(tǒng)開銷、提高網(wǎng)絡(luò)性能并延長網(wǎng)絡(luò)壽命。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧將信息傳輸與功耗感知相結(jié)合，將數(shù)據(jù)處理融入網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，從而可以通過無線媒體高效地交互網(wǎng)絡(luò)的功耗狀態(tài)，充分發(fā)揮節(jié)點(diǎn)協(xié)作的效果。

4.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般是為了某個(gè)特定的需要而設(shè)計(jì)的，有著獨(dú)特的體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)用背景，使它具有不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的諸多特點(diǎn)。

三、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步算法

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有無全局標(biāo)識、節(jié)點(diǎn)較少移動、多對一通信、數(shù)據(jù)冗余大和資源受限強(qiáng)等特點(diǎn)，包括無線AdHoc網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步算法已經(jīng)無法直接應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，目前已經(jīng)從不同角度提出了許多新的時(shí)間同步算法。

1.RBS算法

RBS（ReferenceBroadcastSynchronization）算法，是Elson等人以“第三節(jié)點(diǎn)”實(shí)現(xiàn)同步的思想而提出的。該算法中，節(jié)點(diǎn)發(fā)送參考消息給它的相鄰節(jié)點(diǎn)，這個(gè)參考消息并不包含時(shí)間戳。相反的，它的到達(dá)時(shí)間被接收節(jié)點(diǎn)用作參考來對比本地時(shí)鐘。此算法并不是同步發(fā)送者和接收者，而是使接收者彼此同步。

由于RBS算法將發(fā)送者的不確定性從關(guān)鍵路徑中排除，所以獲得了比傳統(tǒng)的利用節(jié)點(diǎn)間雙向信息交換實(shí)現(xiàn)同步的方法較好的精確度。由于發(fā)送者的不確定性對RBS算法的精確度沒有影響。誤差的來源主要是傳輸時(shí)間和接收時(shí)間的不確定性。首先假設(shè)單個(gè)廣播在相同時(shí)刻到達(dá)所有接收者，因此，傳輸誤差可以忽略。

2.TPSN算法

TPSN（TiminSyncProtocolforSensorNet—works）算法是Ganeriwal等人提出的適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的時(shí)間同步算法。該算法分兩步：分級和同步。第一步的目的是建立分級的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有個(gè)級別。只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)定為零級，叫做根節(jié)點(diǎn)。在第二步，級節(jié)點(diǎn)與i一1級節(jié)點(diǎn)同步，最后所有的節(jié)點(diǎn)都與根節(jié)點(diǎn)同步，從而達(dá)到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步。

3.LTS算法

第一種算法是集中算法，首先要構(gòu)造樹狀圖，然后沿著樹的n—l子葉邊緣進(jìn)行成對同步。希望通過構(gòu)造樹狀圖使同步精度最大化，因此，最小深度的樹是最優(yōu)的。如果考慮時(shí)鐘漂移，同步的精確度將受到同步時(shí)間的影響，為了最小化同步時(shí)間，同步應(yīng)該沿著樹的枝干并行進(jìn)行，這樣所有的子葉節(jié)點(diǎn)基本同時(shí)完成同步。在集中同步算法中，參考節(jié)點(diǎn)就是樹的根節(jié)點(diǎn)，如果需要可以進(jìn)行“再同步”。通過假設(shè)時(shí)鐘漂移被限定和給出需要的精確度，參考節(jié)點(diǎn)計(jì)算單個(gè)同步步驟有效的時(shí)間周期。因此，樹的深度影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的同步時(shí)間和子葉節(jié)點(diǎn)的精確度誤差，為了利用這個(gè)信息決定再同步時(shí)間，需要把樹的深度傳給根節(jié)點(diǎn)。

第二種多跳ITS算法通過分布式方法實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)范圍內(nèi)的同步。每個(gè)節(jié)點(diǎn)決定自己同步的時(shí)間，算法中沒有利用樹結(jié)構(gòu)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)i決定需要同步（利用預(yù)想得到的精確度，與參考節(jié)點(diǎn)的距離和時(shí)鐘漂移），它發(fā)送一個(gè)同步請求給最近的參考節(jié)點(diǎn)（利用現(xiàn)存的路由機(jī)制）。然后，所有沿著從參考節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)i的路徑的節(jié)點(diǎn)必須在節(jié)點(diǎn)i同步以前已經(jīng)同步。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)就是一些節(jié)點(diǎn)可以減少傳輸事件，因此可以不需要頻繁的同步。

四、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步新技術(shù)

1.傳統(tǒng)時(shí)間同步協(xié)議

傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)問同步協(xié)議可分為發(fā)送眷者、接收者同步和接收者、接收者同步兩類。發(fā)送者在報(bào)文中嵌入發(fā)送時(shí)刻而接收者記錄下報(bào)文接收到時(shí)刻，利用這些時(shí)刻信息可估算出收發(fā)雙方的時(shí)問偏移，通過對時(shí)問偏移的補(bǔ)償，達(dá)到收發(fā)雙方的時(shí)問同步。可以看出，發(fā)送者一接收者同步協(xié)議的關(guān)鍵路徑為從發(fā)送者應(yīng)用程序?qū)拥浇邮照邞?yīng)用程序?qū)?。TPSN（timeprotocolforsensornetworks）協(xié)是典型的發(fā)送眷接收者同步協(xié)議，它通過MAC層時(shí)問戳技術(shù)，及雙向報(bào)文交換方法來抑制和減小傳輸延遲及延遲不確定性的影響。與發(fā)送臺二接收者同步協(xié)議不同，接收者-接收者同步協(xié)議的目的不是為了同步收發(fā)雙方，而是去同步多個(gè)接收者。

2.螢火蟲同步技術(shù)

與傳統(tǒng)時(shí)問同步協(xié)議相比，螢火蟲同步技術(shù)具有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

（1）同步可直接在物理層而不需要以報(bào)文的方式實(shí)現(xiàn).直接用硬件實(shí)現(xiàn)，使得同步精度不會受到MAC延遲、協(xié)議處理與軟件實(shí)現(xiàn)等方面的影響，并且也不會加重處理器的負(fù)擔(dān)。

（2）由于對任何同步信號的處理方式均相同，與同步信號的來源無關(guān)，因此其可擴(kuò)展性以及適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化的能力很強(qiáng)。

（3）同步機(jī)制非常簡單，不需要存儲任何時(shí)問信息.目前的螢火蟲同步算法的一個(gè)限制是要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有相似性，但這種機(jī)制在非相似節(jié)點(diǎn)所組成的網(wǎng)絡(luò)下能否起到同步的作用，目前還不清楚，螢火蟲同步的理論研究還遠(yuǎn)未結(jié)束.

五、結(jié)束語

總而言之，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步是當(dāng)前一個(gè)重點(diǎn)的課題，在研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步優(yōu)化算法的過程中，本文主要分析了如何采取合理的算法來優(yōu)化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步工作，可以為同行提供一些參考。

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