無線傳感器網(wǎng)絡同步算法的研究與探討

摘要：時間同步是無線傳感器網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)融合、TDMA調(diào)度、定位等基本應用的基礎。從時間同步的概念和定義出發(fā)，首先對幾種經(jīng)典的常用的時間同步算法及新型的螢火蟲同步和梯度同步算法進行了介紹，然后主要分析分布式的時隙互同步算法，最后展望了未來時間同步算法的研究方向。
關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；梯度同步；分布式時隙同步算法

引言
無線傳感器網(wǎng)絡技術融合了傳感器、低功耗嵌入式計算器、無線網(wǎng)絡和通信、分布式信息處理等技術，利用傳感節(jié)點通過自組網(wǎng)絡對監(jiān)測對象進行實時監(jiān)測、感知和采集，在環(huán)境、資源、智能交通、礦井安全等領域都有著良好的應用前景，是近年來國內(nèi)外信息領域研究和競爭的焦點。而時間同步技術是無線傳感器網(wǎng)絡中一項非常關鍵的基礎技術。網(wǎng)絡時間協(xié)議NTP(Network Time Protocol)是傳統(tǒng)網(wǎng)絡的時間同步協(xié)議，最早由美國Delaware大學的Mill教授提出。然而NTP是應傳統(tǒng)網(wǎng)絡的能量效率、網(wǎng)絡動態(tài)、基礎設施和系統(tǒng)而構建，因此并不適合低功耗、低成本、微型化、高集成、協(xié)作式多跳自組織的無線傳感器網(wǎng)絡。另外，無線傳感器網(wǎng)絡時間同步算法還要考慮能量消耗、可拓展性、精確度、魯棒性等問題，這些都對無線傳感器網(wǎng)絡的時間同步算法提出了新的要求和挑戰(zhàn)。
在2002年的HotNets上，J Elson和Kay Romer首次提出并闡述了無線傳感器網(wǎng)絡時間同步技術的課題，在國際上引發(fā)了廣泛的關注和思考，吸引了許多大學和研究機構參與研究，已經(jīng)提出許多種不同的實現(xiàn)算法及改進算法，典型的有RBS算法、TPSN算法、還有TDP算法、FTSP算法、DMTS算法、LTS算法、TS／MS算法、HRTS算法、OFDC算法、CHTS算法、CRIT算法以及最新的基于螢火蟲技術和協(xié)作技術的時間同步算法等。

1 概念與定義
在計算機體系結構中，時鐘通常用品體振蕩器脈沖來度量，即

式中C(t)為構造的本地時鐘，t為真實時間變量，k為依賴于晶振的物理特性常量，ω(τ)為晶振的頻率，間隔c(t)-c(t0)被用來作為度量時間。對于理想的時鐘，有r(t)=dc(t)／dt=1，也就是說，理想時鐘的變化速率r(t)為1。但在工程實踐中，因為溫度、壓力、電源電壓等外界環(huán)境的變化，往往會導致晶振頻率產(chǎn)生波動。因此構造理想時鐘比較困難，但在一般情況下晶振頻率的波動幅度并非任意的，而是局限在一定范圍之內(nèi)。為了方便描述與分析，定義了速率恒定模型、漂移有界模型和漂移變化有界模型。
假定c(t)是一個理想的時鐘。如果在t時刻有c(t)=ci(t)，則稱ci(t)在t時刻是準確的；如果dc(t)／dt=dci(t)／dt。則稱時鐘ci(t)在t時刻是精確的；如果ci(t)=ck(t)，則稱時鐘ci(t)在t時刻與時鐘ck(t)是同步的。上述定義表明，兩個同步時鐘不一定是準確或精確的，時間同步與時間的準確性和精度沒有必然的聯(lián)系。
如果采用時鐘速率恒定模型，由式(1)，時鐘ci(t)可以簡化表示為：
ci(t)=ai·t+bi (2)
由此可知，時鐘ci(t)和ck(t)之間應該存在如下的線性關系：
ci(t)=aik·ck(t)+bik (3)
式中aik、bik為相對漂移量和相對偏移量。

2 典型同步算法
Elson、Girod和Estrin在參考文獻中以“第三節(jié)點”實現(xiàn)同步的思想提出了RBS算法，這是一種基于接收者一接收者的時間同步協(xié)議。根節(jié)點周期性地向其廣播域中的子節(jié)點發(fā)送不包含時間戳的參照廣播(Referenccs Broadcast)消息。接收到廣播消息后，鄰居子節(jié)點用自已
的本地時鐘記錄各自的接收時刻作為參考比對時鐘，然后相互交換它們記錄的時間信息，這樣接收節(jié)點就能知道彼此之間的時鐘偏移量。然后利用式(4)計算相對其他各個節(jié)點的時鐘偏移的平均值，并相應進行調(diào)整。當所有節(jié)點都獲得相對其他節(jié)點的時鐘偏移量平均值時，所有接收同一參照廣播消息的接收節(jié)點便獲得了一個相對網(wǎng)絡時間，即：

式中：n為待同步節(jié)點數(shù)，m為參考廣播的次數(shù)，Ti,k為第i個節(jié)點接收第k次參考廣播的本地時刻。顯然，由offset(i，j)形成的矩陣為對稱矩陣，且對角線元素為0。
TPSN算法是由Ganeriwal等人提出的，是一種基于發(fā)送者和接收者的時間同步算法。采用層次型網(wǎng)絡結構。算法分兩步：首先是層次發(fā)現(xiàn)階段，建立網(wǎng)絡拓撲結構；然后每個節(jié)點與上一級的一個節(jié)點進行時間同步，最終實現(xiàn)所有節(jié)點都與根節(jié)點的時間同步。
FTSP協(xié)議是一種單向廣播的發(fā)送者和接收者的時間同步辦議。協(xié)議首先要網(wǎng)絡動態(tài)地選擇一個節(jié)點作為網(wǎng)絡的根節(jié)點，其時間作為全網(wǎng)的參考時間，根節(jié)點把含有當前本地時間的信息包發(fā)送給它單跳廣播域內(nèi)的鄰居節(jié)點；鄰居節(jié)點在收到信息后分別記錄相應的接收時間，采用參數(shù)擬合技術算出相對于根節(jié)點的時間漂移和時間偏移；然后這些與根節(jié)點同步了的鄰居節(jié)點也作為參考節(jié)點，采用與根節(jié)點同步的相同的辦法，使它們的鄰居節(jié)點也實現(xiàn)與其同步。