無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )同步算法的研究與探討

摘要：時(shí)間同步是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據融合、TDMA調度、定位等基本應用的基礎。從時(shí)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(shí)間同步算法及新型的螢火蟲(chóng)同步和梯度同步算法進(jìn)行了介紹，然后主要分析分布式的時(shí)隙互同步算法，最后展望了未來(lái)時(shí)間同步算法的研究方向。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；梯度同步；分布式時(shí)隙同步算法

引言
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)融合了傳感器、低功耗嵌入式計算器、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和通信、分布式信息處理等技術(shù)，利用傳感節點(diǎn)通過(guò)自組網(wǎng)絡(luò )對監測對象進(jìn)行實(shí)時(shí)監測、感知和采集，在環(huán)境、資源、智能交通、礦井安全等領(lǐng)域都有著(zhù)良好的應用前景，是近年來(lái)國內外信息領(lǐng)域研究和競爭的焦點(diǎn)。而時(shí)間同步技術(shù)是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中一項非常關(guān)鍵的基礎技術(shù)。網(wǎng)絡(luò )時(shí)間協(xié)議NTP(Network Time Protocol)是傳統網(wǎng)絡(luò )的時(shí)間同步協(xié)議，最早由美國Delaware大學(xué)的Mill教授提出。然而NTP是應傳統網(wǎng)絡(luò )的能量效率、網(wǎng)絡(luò )動(dòng)態(tài)、基礎設施和系統而構建，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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。另外，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )時(shí)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(wèn)題，這些都對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的時(shí)間同步算法提出了新的要求和挑戰。
在2002年的HotNets上，J Elson和Kay Romer首次提出并闡述了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )時(shí)間同步技術(shù)的課題，在國際上引發(fā)了廣泛的關(guān)注和思考，吸引了許多大學(xué)和研究機構參與研究，已經(jīng)提出許多種不同的實(shí)現算法及改進(jìn)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(chóng)技術(shù)和協(xié)作技術(shù)的時(shí)間同步算法等。

1 概念與定義
在計算機體系結構中，時(shí)鐘通常用品體振蕩器脈沖來(lái)度量，即

式中C(t)為構造的本地時(shí)鐘，t為真實(shí)時(shí)間變量，k為依賴(lài)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(lái)作為度量時(shí)間。對于理想的時(shí)鐘，有r(t)=dc(t)／dt=1，也就是說(shuō)，理想時(shí)鐘的變化速率r(t)為1。但在工程實(shí)踐中，因為溫度、壓力、電源電壓等外界環(huán)境的變化，往往會(huì )導致晶振頻率產(chǎn)生波動(dòng)。因此構造理想時(shí)鐘比較困難，但在一般情況下晶振頻率的波動(dòng)幅度并非任意的，而是局限在一定范圍之內。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(gè)理想的時(shí)鐘。如果在t時(shí)刻有c(t)=ci(t)，則稱(chēng)ci(t)在t時(shí)刻是準確的；如果dc(t)／dt=dci(t)／dt。則稱(chēng)時(shí)鐘ci(t)在t時(shí)刻是精確的；如果ci(t)=ck(t)，則稱(chēng)時(shí)鐘ci(t)在t時(shí)刻與時(shí)鐘ck(t)是同步的。上述定義表明，兩個(gè)同步時(shí)鐘不一定是準確或精確的，時(shí)間同步與時(shí)間的準確性和精度沒(méi)有必然的聯(lián)系。
如果采用時(shí)鐘速率恒定模型，由式(1)，時(shí)鐘ci(t)可以簡(jiǎn)化表示為：
ci(t)=ai·t+bi (2)
由此可知，時(shí)鐘ci(t)和ck(t)之間應該存在如下的線(xiàn)性關(guān)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“第三節點(diǎn)”實(shí)現同步的思想提出了RBS算法，這是一種基于接收者一接收者的時(shí)間同步協(xié)議。根節點(diǎn)周期性地向其廣播域中的子節點(diǎn)發(fā)送不包含時(shí)間戳的參照廣播(Referenccs Broadcast)消息。接收到廣播消息后，鄰居子節點(diǎn)用自已
的本地時(shí)鐘記錄各自的接收時(shí)刻作為參考比對時(shí)鐘，然后相互交換它們記錄的時(shí)間信息，這樣接收節點(diǎn)就能知道彼此之間的時(shí)鐘偏移量。然后利用式(4)計算相對其他各個(gè)節點(diǎn)的時(shí)鐘偏移的平均值，并相應進(jìn)行調整。當所有節點(diǎn)都獲得相對其他節點(diǎn)的時(shí)鐘偏移量平均值時(shí)，所有接收同一參照廣播消息的接收節點(diǎn)便獲得了一個(gè)相對網(wǎng)絡(luò )時(shí)間，即：

式中：n為待同步節點(diǎn)數，m為參考廣播的次數，Ti,k為第i個(gè)節點(diǎn)接收第k次參考廣播的本地時(shí)刻。顯然，由offset(i，j)形成的矩陣為對稱(chēng)矩陣，且對角線(xiàn)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(shí)間同步算法。采用層次型網(wǎng)絡(luò )結構。算法分兩步：首先是層次發(fā)現階段，建立網(wǎng)絡(luò )拓撲結構；然后每個(gè)節點(diǎn)與上一級的一個(gè)節點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間同步，最終實(shí)現所有節點(diǎn)都與根節點(diǎn)的時(shí)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(shí)間同步辦議。協(xié)議首先要網(wǎng)絡(luò )動(dòng)態(tài)地選擇一個(gè)節點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò )的根節點(diǎn)，其時(shí)間作為全網(wǎng)的參考時(shí)間，根節點(diǎn)把含有當前本地時(shí)間的信息包發(fā)送給它單跳廣播域內的鄰居節點(diǎn)；鄰居節點(diǎn)在收到信息后分別記錄相應的接收時(shí)間，采用參數擬合技術(shù)算出相對于根節點(diǎn)的時(shí)間漂移和時(shí)間偏移；然后這些與根節點(diǎn)同步了的鄰居節點(diǎn)也作為參考節點(diǎn)，采用與根節點(diǎn)同步的相同的辦法，使它們的鄰居節點(diǎn)也實(shí)現與其同步。