無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)分析

摘要：時(shí)間同步是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理的重要內(nèi)容，它是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用可以可靠運(yùn)行的前提。本論文分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘偏差的根源，闡述了同步技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分別介紹了目前三種時(shí)間同步機(jī)制中的典型算法，探討了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)領(lǐng)域的難題，最后提出了今后在該領(lǐng)域的研究方向。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；時(shí)間同步；典型算法

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)：2095-2163（2016）02-

The Analyzing of time synchronization technique for

Wireless Sensor Networks

LIN Xiaopeng

（Xiamen Ocean Vocational College， Xiamen，F(xiàn)ujian，361012， P.R.China，）

Abstract： Time Synchronization is one of important content and is definitely a prerequisite for the applications of Wireless Sensor Network. The reason of network time offset is analyzed and current research statuses of time synchronization are summarized in this paper. Three forms of typical time synchronization algorithm are discussed. Finally， the challenged and further research directions of wireless sensor networks are presented.

Keywords： WSN； Time Synchronization； Typical algorithm

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]（Wireless Sensors Network，WSN）是在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部署大量傳感器節(jié)點(diǎn)，以無線通信方式形成的單跳或多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以協(xié)同感知、采集和處理監(jiān)測區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能大大提高人類對物理環(huán)境的遠(yuǎn)端監(jiān)視和控制能力，在國防軍事、環(huán)境監(jiān)測、智能交通、醫(yī)療保健、物流管理、農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)等方面有著廣泛的應(yīng)用[2]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)往往需要大規(guī)模地部署于野外環(huán)境，其節(jié)點(diǎn)的計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源都十分有限，與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相比較，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、終端節(jié)點(diǎn)、工作環(huán)境等方面與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)存在顯著差異，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理無法完全應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)是實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠、安全、有效運(yùn)行的保障，而時(shí)間同步是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理的關(guān)鍵技術(shù)之一[3]。

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，如目標(biāo)定位和追蹤、協(xié)同數(shù)據(jù)處理、能量管理等都需要時(shí)間同步的保障。如在目標(biāo)定位和追蹤應(yīng)用中，除了要檢測目標(biāo)的位置、速度、前進(jìn)方向等信息外，還必須有采集信息的時(shí)戳，才能正確繪制出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。由于傳感節(jié)點(diǎn)的能量有限，為了節(jié)約能耗以延長網(wǎng)絡(luò)生存周期，傳感節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間要處于休眠狀態(tài)，在準(zhǔn)備工作時(shí)需及時(shí)喚醒，這也要求各節(jié)點(diǎn)要有準(zhǔn)確的時(shí)間同步。此外，數(shù)據(jù)融合、通信信道復(fù)用等也都需要時(shí)間同步的保障。

目前，學(xué)術(shù)界和業(yè)界對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步技術(shù)進(jìn)行了一定的研究，本文總結(jié)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)的研究現(xiàn)狀，對三種不同時(shí)間同步機(jī)制的經(jīng)典算法進(jìn)行分析和比較，討論了同步技術(shù)下一步研究的方向。

1 時(shí)鐘描述及時(shí)鐘偏移

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，各傳感節(jié)點(diǎn)分布于一定的物理區(qū)域內(nèi)，因節(jié)點(diǎn)內(nèi)部時(shí)鐘晶振的頻率偏差、各節(jié)點(diǎn)所處的工作環(huán)境差異、電磁干擾等原因，使得各節(jié)點(diǎn)時(shí)間出現(xiàn)偏差，所以節(jié)點(diǎn)間需要周期性進(jìn)行本地時(shí)鐘信息的交互，以保證各節(jié)點(diǎn)的時(shí)間一致性。只有整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)時(shí)間達(dá)到同步，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用才有效果實(shí)現(xiàn)的強(qiáng)大理想保障。

1.1 時(shí)鐘描述

表示t0時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i的硬件時(shí)間， 表示節(jié)點(diǎn)i的硬件時(shí)鐘因環(huán)境溫度和干擾等產(chǎn)生的偏差。這是節(jié)點(diǎn)間時(shí)間偏差的硬件因素。

1.2 信息傳輸延遲

在發(fā)送端，需要對檢測到的信息進(jìn)行處理，并按一定的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)封裝成數(shù)據(jù)包，其中存在延時(shí)主要取決于處理器的性能和負(fù)荷，可能高達(dá)幾百毫秒。排隊(duì)延時(shí)是指封裝后的數(shù)據(jù)包從進(jìn)入傳輸通道直至開始發(fā)送的時(shí)間，這一過程主要取決于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況，可能從幾毫秒到幾秒。發(fā)送延時(shí)是發(fā)送節(jié)點(diǎn)將信息全面發(fā)出需要的時(shí)間。傳播延時(shí)是數(shù)據(jù)包從發(fā)送節(jié)點(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)花費(fèi)的時(shí)間，主要取決于兩者的通信方式和距離。接收延時(shí)是接收節(jié)點(diǎn)全部接收到數(shù)據(jù)包的時(shí)間，接受延時(shí)是對收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，再傳遞給上層應(yīng)用程序的時(shí)間。

延遲的產(chǎn)生也會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的同步時(shí)間偏差，需要對信息傳遞過程的延時(shí)進(jìn)行分析補(bǔ)償，以消除同步信息傳輸過程的不確定性，提高系統(tǒng)的同步精度。

2 同步技術(shù)研究現(xiàn)狀

自從2002年J.Elson和K.Romer在學(xué)術(shù)會(huì)議HotNets上首次提出時(shí)間同步這一研究課程后，到目前為止，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步技術(shù)取得了一定進(jìn)展，開發(fā)出了多種時(shí)間同步算法。這些算法可以分為基于接收者—接收者的時(shí)間同步算法、基于成對同步的雙向時(shí)間同步算法、基于發(fā)送者—接收者的單向時(shí)間同步算法等3類。RBS[5]、TPSN[6]、FTSP[7]分別是這3類同步機(jī)制的典型代表算法，其他代表性的同步算法還有DMTS[8]、LTS[9]、TSync[10]、GCS[11]等。在此，則針對RBS、TPSN和FTSP這3類典型算法給出性能概述與分析。

首先，RBS算法是無線傳感器時(shí)間同步技術(shù)領(lǐng)域的開創(chuàng)性成果。改算法通過指定的“時(shí)標(biāo)”節(jié)點(diǎn)周期廣播時(shí)間信息分組，位于廣播域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)用各自的時(shí)鐘記錄接收到該分組的時(shí)間，隨即接收節(jié)點(diǎn)再兩兩互換消息以確定節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘偏移量，最終達(dá)到各節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步。在Mote試驗(yàn)平臺(tái)上，RBS可以達(dá)到29微秒的同步精度。但RBS同步誤差與跳數(shù)的平方根成正比，并且僅能夠?qū)崿F(xiàn)在廣播域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的局部時(shí)間同步，卻難以應(yīng)用于密集多跳的網(wǎng)絡(luò)中。

其次，TPSN算法將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)按層次進(jìn)行劃分，指定根節(jié)點(diǎn)初始化分層消息后逐層擴(kuò)散，發(fā)送者與接收者依次成對同步來實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的時(shí)間同步。TPSN擴(kuò)展性好，結(jié)果的同步精度也優(yōu)于RBS，但其根節(jié)點(diǎn)的失效將嚴(yán)重影響同步過程。

第三，F(xiàn)TSP算法形成一個(gè)Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來將全局時(shí)間從根節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換到所有節(jié)點(diǎn)，對鏈路故障、動(dòng)態(tài)拓?fù)涓淖冇休^強(qiáng)的魯棒性，可以達(dá)到很高的同步精度，且算法的復(fù)雜度和功耗低，在實(shí)際需要中也已得到廣泛應(yīng)用。

目前對于單跳網(wǎng)絡(luò)的同步研究已趨于成熟，但由于同步誤差的累積，導(dǎo)致單跳網(wǎng)絡(luò)的同步技術(shù)難以擴(kuò)展到多跳網(wǎng)絡(luò)，使得多跳網(wǎng)絡(luò)的同步技術(shù)研究較為薄弱。若再考慮節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性，則會(huì)極大增加同步技術(shù)的研究難度。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步技術(shù)還有很大的研究空間。

3 時(shí)間同步經(jīng)典算法

3.1 基于接收者—接收者機(jī)制的同步算法

各節(jié)點(diǎn)可通過式（2）得到相對其他所有節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘偏移量的平均值，經(jīng)多輪同步獲得接收節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間偏差值，并據(jù)此調(diào)節(jié)本地時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。RBS算法允許節(jié)點(diǎn)構(gòu)建本地的時(shí)間尺度，并且通過同步信息包的多輪發(fā)送，極具現(xiàn)實(shí)優(yōu)勢地消除傳輸過程中的時(shí)間不確定性；另一方面，其缺點(diǎn)卻在于當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量增多時(shí)，將會(huì)使得同步收斂時(shí)間大大延長。

節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)到自身時(shí)間，按層次結(jié)構(gòu)分層逐級(jí)執(zhí)行同步，如此操作直至全網(wǎng)同步完成為止。TPSN算法容易擴(kuò)展，同步計(jì)算量也較小，但該算法還不能應(yīng)用于快速移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，而且也不支持多跳網(wǎng)絡(luò)。

FTSP算法對鏈路故障、動(dòng)態(tài)拓?fù)涓淖兙哂休^強(qiáng)的魯棒性，可以達(dá)到很高的同步精度，且算法的復(fù)雜度和功耗低，在實(shí)際的研究發(fā)展中得到廣泛應(yīng)用。

4 結(jié)束語

本文介紹了節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘的模型，分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中時(shí)鐘偏差的原因，對目前時(shí)鐘同步技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，分別介紹了基于接收者-接收者機(jī)制、基于發(fā)送者-接收者機(jī)制、基于發(fā)送者-接收者機(jī)制等3種同步類型中的典型算法。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，時(shí)間同步不僅要關(guān)注同步精度，還要考慮算法復(fù)雜度、同步能耗、可擴(kuò)展性、網(wǎng)絡(luò)尺寸、魯棒性等性能參數(shù)。目前對于單跳網(wǎng)絡(luò)的同步研究已趨于成熟，能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用場合的現(xiàn)實(shí)需求，在多跳網(wǎng)絡(luò)中則要進(jìn)一步考慮同步誤差累計(jì)、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性的影響等因素。

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