無線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型時間同步技術(shù)分析
摘要 從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)出發(fā),結(jié)合三種時間同步模型及已有的時間同步算法,根據(jù)評價時間同步算法性能的指標(biāo),對典型的時間同步算法性能進(jìn)行了分析評估,為進(jìn)一步改進(jìn)時間同步算法的性能提供了幫助。
關(guān)鍵詞 無線傳感器網(wǎng)絡(luò);時間同步;模型
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集微機(jī)電系統(tǒng)、傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、信息處理技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)、無線通信技術(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)時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或被監(jiān)測對象信息,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、計算機(jī)世界以及人類社會三元世界的連通。無線傳感器網(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、軍事國防、智能家居、空間探索、物流等領(lǐng)域。時間同步是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)的重要組成部分。研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的時間同步首先要分析其應(yīng)用需求,在無線傳感器網(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、不計成本和能耗的時間同步技術(shù)就不再適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò),例如NTP協(xié)議。因此,研究適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步就成為個國內(nèi)外熱點(diǎn)問題。
1 時間同步模型及算法
1.1 時間同步模型
隨著時間同步概念的提出,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。是指所謂的時間同步僅需知道事件發(fā)生的先后次序,無需了解事件發(fā)生的具體時間。它是將時間同步簡化為先來后到的問題,給人直觀的印象,無須將細(xì)節(jié)具體化。
(2)相對模型。指在維持節(jié)點(diǎn)間的相對時間。在該模型中,節(jié)點(diǎn)間彼此獨(dú)立,不同步,每個節(jié)點(diǎn)都有自己的本地時鐘,且它知道與其他節(jié)點(diǎn)的時間偏移量。根據(jù)需要,每個節(jié)點(diǎn)可與其他節(jié)點(diǎn)保持相對同步。
(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)惟一的時間標(biāo)準(zhǔn)。
1.2 時間同步算法
隨著應(yīng)用需求的不斷提高,時間同步趨于第3種模型,而時間同步算法也逐步成熟,完成級間的跳躍。
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間同步。具體描述為:第三方節(jié)點(diǎn)定時發(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)時間,以此時間作為參考與本地時鐘比較。相鄰節(jié)點(diǎn)交換廣播到達(dá)時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數(shù),也可以多次廣播。
RBS消除了發(fā)送節(jié)點(diǎn)的時延不確定性,誤差來源于傳輸和接收時延,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,開銷也會越來越大,不適用于能量有限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
1.2.2 TPSN
TPSN(Timing-sync Protocol for Sensor Networks)是由Saurabh Ganeriwal等人于2003年提出的基于成對雙向消息傳送的發(fā)送者與接收者之間的全網(wǎng)時間同步。具體描述如下:同步過程分為分層和同步兩個階段。分層階段是一個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕⑦^程。首先確定根節(jié)點(diǎn)及等級,此節(jié)點(diǎn)是全網(wǎng)的時鐘參考節(jié)點(diǎn),等級為0級,根節(jié)點(diǎn)廣播包含有自身等級信息的數(shù)據(jù)包,相鄰節(jié)點(diǎn)收到該數(shù)據(jù)包后,確定自身等級為1級,然后1級節(jié)點(diǎn)繼續(xù)廣播帶有自身等級信息的數(shù)據(jù)包,以此類推,i級節(jié)點(diǎn)廣播帶有自身等級信息的數(shù)據(jù)包,其相鄰節(jié)點(diǎn)收到后確定自身等級為i+1,直到網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都有自身的等級。一旦節(jié)點(diǎn)被定級,它將拒收分級數(shù)據(jù)包。同步階段從根節(jié)點(diǎn)開始,與其下一級節(jié)點(diǎn)進(jìn)行成對同步,然后i級節(jié)點(diǎn)與i-1級節(jié)點(diǎn)同步,直到每個節(jié)點(diǎn)都與根節(jié)點(diǎn)同步。成對同步的過程如圖1所示。
節(jié)點(diǎn)i在本地時刻T1時向節(jié)點(diǎn)j發(fā)送同步請求,該請求中包含節(jié)點(diǎn)i的等級和T1,節(jié)點(diǎn)j在本地時刻T2時收到請求并在T3時回發(fā)同步應(yīng)答,該應(yīng)答包含T2和T3,節(jié)點(diǎn)i于本地時刻T4收到應(yīng)答信息,根據(jù)時間關(guān)系可列出方程
節(jié)點(diǎn)i計算出時間偏差△,從而調(diào)整自己的時鐘,達(dá)到同步。
TPSN采用層次分級形成拓?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層打時間戳,降低了發(fā)送端的不確定性,減少了傳送時延、傳播時延和接收時延。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算和能量開銷,增加整個網(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)時間同步。具體描述為:選擇一個基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn),廣播包含時間的同步消息,接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)時間信息估算消息傳輸時延,調(diào)整自身本地時間為同步消息所帶時間加傳輸時延,消息傳輸時延td等于發(fā)射時延ts加接收處理時間tv,發(fā)射時延為發(fā)射前導(dǎo)碼和起始符所需的時間,等于發(fā)射位數(shù)n乘以發(fā)射一位所需的時間t,接收處理時間等于接收處理完成時間t2減消息到達(dá)時間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單跳網(wǎng)絡(luò),基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)依次定在0級,1級,2級,n級,逐步實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步。為避免廣播消息回傳,每個節(jié)點(diǎn)只接收上一層等級比自己低的節(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層打時間戳和時延估計技術(shù),消除了發(fā)送時延和接入時延,計算簡單,開銷??;但DMTS沒有估算時鐘頻偏,時鐘保持同步時間較短,時鐘計時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。
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