無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型時(shí)間同步技術(shù)分析

摘要 從無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合三種時(shí)間同步模型及已有的時(shí)間同步算法，根據(jù)評(píng)價(jià)時(shí)間同步算法性能的指標(biāo)，對(duì)典型的時(shí)間同步算法性能進(jìn)行了分析評(píng)估，為進(jìn)一步改進(jìn)時(shí)間同步算法的性能提供了幫助。
關(guān)鍵詞 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；時(shí)間同步；模型

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集微機(jī)電系統(tǒng)、傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、信息處理技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線通信技術(shù)和數(shù)字電子學(xué)于一體的新一代面向任務(wù)的分布式網(wǎng)絡(luò)。它是由在物理空間上密集分布的大量各類集成化的傳感器節(jié)點(diǎn)，通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，借助節(jié)點(diǎn)中不同類型的微型傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境或被監(jiān)測(cè)對(duì)象信息，協(xié)作地進(jìn)行處理，并以自組織多跳的方式將信息傳送到用戶終端，實(shí)現(xiàn)物理世界、計(jì)算機(jī)世界以及人類社會(huì)三元世界的連通。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有廣闊的應(yīng)用前景，主要應(yīng)用在工業(yè)控制、生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)、防災(zāi)救災(zāi)、醫(yī)療保健、軍事國(guó)防、智能家居、空間探索、物流等領(lǐng)域。時(shí)間同步是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)的重要組成部分。研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間同步首先要分析其應(yīng)用需求，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于傳感器節(jié)點(diǎn)分布密度高，而且自身資源有限，因此傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中高精度、不計(jì)成本和能耗的時(shí)間同步技術(shù)就不再適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，例如NTP協(xié)議。因此，研究適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步就成為個(gè)國(guó)內(nèi)外熱點(diǎn)問題。

1 時(shí)間同步模型及算法
1．1 時(shí)間同步模型
隨著時(shí)間同步概念的提出，其根據(jù)應(yīng)用需求經(jīng)歷了3種模型的演變。
(1)模糊模型。是指所謂的時(shí)間同步僅需知道事件發(fā)生的先后次序，無(wú)需了解事件發(fā)生的具體時(shí)間。它是將時(shí)間同步簡(jiǎn)化為先來(lái)后到的問題，給人直觀的印象，無(wú)須將細(xì)節(jié)具體化。
(2)相對(duì)模型。指在維持節(jié)點(diǎn)間的相對(duì)時(shí)間。在該模型中，節(jié)點(diǎn)間彼此獨(dú)立，不同步，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己的本地時(shí)鐘，且它知道與其他節(jié)點(diǎn)的時(shí)間偏移量。根據(jù)需要，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可與其他節(jié)點(diǎn)保持相對(duì)同步。
(3)精準(zhǔn)模型。特點(diǎn)在于它的惟一性，它要求全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)都與基準(zhǔn)參考點(diǎn)保持同步，維持全網(wǎng)惟一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。
1．2 時(shí)間同步算法
隨著應(yīng)用需求的不斷提高，時(shí)間同步趨于第3種模型，而時(shí)間同步算法也逐步成熟，完成級(jí)間的跳躍。
1．2．1 RBS
RBS(Reference Broadcast Synchronization)由J．Elson等人于2002年提出基于參考廣播接收者與接收者之間的局部時(shí)間同步。具體描述為：第三方節(jié)點(diǎn)定時(shí)發(fā)送參考廣播給相鄰節(jié)點(diǎn)，相鄰節(jié)點(diǎn)接收廣播并記錄到達(dá)時(shí)間，以此時(shí)間作為參考與本地時(shí)鐘比較。相鄰節(jié)點(diǎn)交換廣播到達(dá)時(shí)間利用最小方差線性擬合的方法，估算兩者的初始相位差和頻率差，以此調(diào)整本地時(shí)鐘，達(dá)到接收節(jié)點(diǎn)間的同步。為提高同步精度，可以增加參考廣播的個(gè)數(shù)，也可以多次廣播。
RBS消除了發(fā)送節(jié)點(diǎn)的時(shí)延不確定性，誤差來(lái)源于傳輸和接收時(shí)延，同步精度較高；但由于多次廣播參考消息，能耗較大，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模及節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增多，開銷也會(huì)越來(lái)越大，不適用于能量有限的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
1．2．2 TPSN
TPSN(Timing-sync Protocol for Sensor Networks)是由Saurabh Ganeriwal等人于2003年提出的基于成對(duì)雙向消息傳送的發(fā)送者與接收者之間的全網(wǎng)時(shí)間同步。具體描述如下：同步過程分為分層和同步兩個(gè)階段。分層階段是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕⑦^程。首先確定根節(jié)點(diǎn)及等級(jí)，此節(jié)點(diǎn)是全網(wǎng)的時(shí)鐘參考節(jié)點(diǎn)，等級(jí)為0級(jí)，根節(jié)點(diǎn)廣播包含有自身等級(jí)信息的數(shù)據(jù)包，相鄰節(jié)點(diǎn)收到該數(shù)據(jù)包后，確定自身等級(jí)為1級(jí)，然后1級(jí)節(jié)點(diǎn)繼續(xù)廣播帶有自身等級(jí)信息的數(shù)據(jù)包，以此類推，i級(jí)節(jié)點(diǎn)廣播帶有自身等級(jí)信息的數(shù)據(jù)包，其相鄰節(jié)點(diǎn)收到后確定自身等級(jí)為i+1，直到網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都有自身的等級(jí)。一旦節(jié)點(diǎn)被定級(jí)，它將拒收分級(jí)數(shù)據(jù)包。同步階段從根節(jié)點(diǎn)開始，與其下一級(jí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行成對(duì)同步，然后i級(jí)節(jié)點(diǎn)與i-1級(jí)節(jié)點(diǎn)同步，直到每個(gè)節(jié)點(diǎn)都與根節(jié)點(diǎn)同步。成對(duì)同步的過程如圖1所示。

節(jié)點(diǎn)i在本地時(shí)刻T1時(shí)向節(jié)點(diǎn)j發(fā)送同步請(qǐng)求，該請(qǐng)求中包含節(jié)點(diǎn)i的等級(jí)和T1，節(jié)點(diǎn)j在本地時(shí)刻T2時(shí)收到請(qǐng)求并在T3時(shí)回發(fā)同步應(yīng)答，該應(yīng)答包含T2和T3，節(jié)點(diǎn)i于本地時(shí)刻T4收到應(yīng)答信息，根據(jù)時(shí)間關(guān)系可列出方程

節(jié)點(diǎn)i計(jì)算出時(shí)間偏差△，從而調(diào)整自己的時(shí)鐘，達(dá)到同步。
TPSN采用層次分級(jí)形成拓?fù)錁浣Y(jié)構(gòu)，從根節(jié)點(diǎn)開始完成了所有葉子節(jié)點(diǎn)與根節(jié)點(diǎn)的同步，在MAC層打時(shí)間戳，降低了發(fā)送端的不確定性，減少了傳送時(shí)延、傳播時(shí)延和接收時(shí)延。該算法中任意節(jié)點(diǎn)的同步誤差與其到根節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)有關(guān)，跳數(shù)越多，誤差越大，而與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總數(shù)無(wú)關(guān)，所以該算法具有較好的可擴(kuò)展性；但由于全網(wǎng)參考時(shí)間由根節(jié)點(diǎn)確定，一旦根節(jié)點(diǎn)失效，就要重新選取根節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步，其魯棒性不強(qiáng)，再同步還需要大量計(jì)算和能量開銷，增加整個(gè)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。
1．2．3 DMTS
DMTS(Delay Measurement Time Synchronization)是由Ping S于2003年提出的基于基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)廣播的發(fā)送者與接收者之間的全網(wǎng)時(shí)間同步。具體描述為：選擇一個(gè)基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)，廣播包含時(shí)間的同步消息，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)時(shí)間信息估算消息傳輸時(shí)延，調(diào)整自身本地時(shí)間為同步消息所帶時(shí)間加傳輸時(shí)延，消息傳輸時(shí)延td等于發(fā)射時(shí)延ts加接收處理時(shí)間tv，發(fā)射時(shí)延為發(fā)射前導(dǎo)碼和起始符所需的時(shí)間，等于發(fā)射位數(shù)n乘以發(fā)射一位所需的時(shí)間t，接收處理時(shí)間等于接收處理完成時(shí)間t2減消息到達(dá)時(shí)間t1，得出公式
td=ts+tv=nt+(t2-t1) (5)
將DMTS應(yīng)用到多跳網(wǎng)絡(luò)中還采用與TPSN相同的分層方法進(jìn)行同步，只是將每一層看作一個(gè)單跳網(wǎng)絡(luò)，基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)依次定在0級(jí)，1級(jí)，2級(jí)，n級(jí)，逐步實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步。為避免廣播消息回傳，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只接收上一層等級(jí)比自己低的節(jié)點(diǎn)廣播。
DMTS以犧牲同步精度換取低能耗，結(jié)合使用在MAC層打時(shí)間戳和時(shí)延估計(jì)技術(shù)，消除了發(fā)送時(shí)延和接入時(shí)延，計(jì)算簡(jiǎn)單，開銷小；但DMTS沒有估算時(shí)鐘頻偏，時(shí)鐘保持同步時(shí)間較短，時(shí)鐘計(jì)時(shí)精度仍然影響同步精度，致使精度不高難以用于定位等高精度的應(yīng)用中。