無(wú)線(xiàn)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(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )特點(diǎn)出發(fā)，結合三種時(shí)間同步模型及已有的時(shí)間同步算法，根據評價(jià)時(shí)間同步算法性能的指標，對典型的時(shí)間同步算法性能進(jìn)行了分析評估，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(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；時(shí)間同步；模型

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是集微機電系統、傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、信息處理技術(shù)、現代網(wǎng)絡(luò )、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和數字電子學(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(lèi)集成化的傳感器節點(diǎn)，通過(guò)自組織方式構成網(wǎng)絡(luò )，借助節點(diǎn)中不同類(lèi)型的微型傳感器實(shí)時(shí)監測、感知和采集各種環(huán)境或被監測對象信息，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(hù)終端，實(shí)現物理世界、計算機世界以及人類(lèi)社會(huì )三元世界的連通。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有廣闊的應用前景，主要應用在工業(yè)控制、生態(tài)環(huán)境、農業(yè)、防災救災、醫療保健、軍事國防、智能家居、空間探索、物流等領(lǐng)域。時(shí)間同步是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )支撐技術(shù)的重要組成部分。研究無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的時(shí)間同步首先要分析其應用需求，在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，由于傳感器節點(diǎn)分布密度高，而且自身資源有限，因此傳統網(wǎng)絡(luò )中高精度、不計成本和能耗的時(shí)間同步技術(shù)就不再適用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，例如NTP協(xié)議。因此，研究適合無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的時(shí)間同步就成為個(gè)國內外熱點(diǎn)問(wèn)題。

1 時(shí)間同步模型及算法
1．1 時(shí)間同步模型
隨著(zhù)時(shí)間同步概念的提出，其根據應用需求經(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(wèn)題，給人直觀(guān)的印象，無(wú)須將細節具體化。
(2)相對模型。指在維持節點(diǎn)間的相對時(shí)間。在該模型中，節點(diǎn)間彼此獨立，不同步，每個(gè)節點(diǎn)都有自己的本地時(shí)鐘，且它知道與其他節點(diǎn)的時(shí)間偏移量。根據需要，每個(gè)節點(diǎn)可與其他節點(diǎn)保持相對同步。
(3)精準模型。特點(diǎn)在于它的惟一性，它要求全網(wǎng)所有節點(diǎn)都與基準參考點(diǎn)保持同步，維持全網(wǎng)惟一的時(shí)間標準。
1．2 時(shí)間同步算法
隨著(zhù)應用需求的不斷提高，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：第三方節點(diǎn)定時(shí)發(fā)送參考廣播給相鄰節點(diǎn)，相鄰節點(diǎn)接收廣播并記錄到達時(shí)間，以此時(shí)間作為參考與本地時(shí)鐘比較。相鄰節點(diǎn)交換廣播到達時(shí)間利用最小方差線(xiàn)性擬合的方法，估算兩者的初始相位差和頻率差，以此調整本地時(shí)鐘，達到接收節點(diǎn)間的同步。為提高同步精度，可以增加參考廣播的個(gè)數，也可以多次廣播。
RBS消除了發(fā)送節點(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(zhù)網(wǎng)絡(luò )規模及節點(diǎn)數目的增多，開(kāi)銷(xiāo)也會(huì )越來(lái)越大，不適用于能量有限的無(wú)線(xiàn)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(shí)間同步。具體描述如下：同步過(guò)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 )拓撲的建立過(guò)程。首先確定根節點(diǎn)及等級，此節點(diǎn)是全網(wǎng)的時(shí)鐘參考節點(diǎn)，等級為0級，根節點(diǎn)廣播包含有自身等級信息的數據包，相鄰節點(diǎn)收到該數據包后，確定自身等級為1級，然后1級節點(diǎn)繼續廣播帶有自身等級信息的數據包，以此類(lèi)推，i級節點(diǎn)廣播帶有自身等級信息的數據包，其相鄰節點(diǎn)收到后確定自身等級為i+1，直到網(wǎng)絡(luò )中所有節點(diǎn)都有自身的等級。一旦節點(diǎn)被定級，它將拒收分級數據包。同步階段從根節點(diǎn)開(kāi)始，與其下一級節點(diǎn)進(jìn)行成對同步，然后i級節點(diǎn)與i-1級節點(diǎn)同步，直到每個(gè)節點(diǎn)都與根節點(diǎn)同步。成對同步的過(guò)程如圖1所示。

節點(diǎn)i在本地時(shí)刻T1時(shí)向節點(diǎn)j發(fā)送同步請求，該請求中包含節點(diǎn)i的等級和T1，節點(diǎn)j在本地時(shí)刻T2時(shí)收到請求并在T3時(shí)回發(fā)同步應答，該應答包含T2和T3，節點(diǎn)i于本地時(shí)刻T4收到應答信息，根據時(shí)間關(guān)系可列出方程

節點(diǎn)i計算出時(shí)間偏差△，從而調整自己的時(shí)鐘，達到同步。
TPSN采用層次分級形成拓撲樹(shù)結構，從根節點(diǎn)開(kāi)始完成了所有葉子節點(diǎn)與根節點(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。該算法中任意節點(diǎn)的同步誤差與其到根節點(diǎn)的跳數有關(guān)，跳數越多，誤差越大，而與網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)總數無(wú)關(guān)，所以該算法具有較好的可擴展性；但由于全網(wǎng)參考時(shí)間由根節點(diǎn)確定，一旦根節點(diǎn)失效，就要重新選取根節點(diǎn)進(jìn)行同步，其魯棒性不強，再同步還需要大量計算和能量開(kāi)銷(xiāo)，增加整個(gè)網(wǎng)絡(luò )負荷。
1．2．3 DMTS
DMTS(Delay Measurement Time Synchronization)是由Ping S于2003年提出的基于基準節點(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)基準節點(diǎn)，廣播包含時(shí)間的同步消息，接收節點(diǎn)根據時(shí)間信息估算消息傳輸時(shí)延，調整自身本地時(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)射前導碼和起始符所需的時(shí)間，等于發(fā)射位數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減消息到達時(shí)間t1，得出公式
td=ts+tv=nt+(t2-t1) (5)
將DMTS應用到多跳網(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 )，基準節點(diǎn)依次定在0級，1級，2級，n級，逐步實(shí)現全網(wǎng)同步。為避免廣播消息回傳，每個(gè)節點(diǎn)只接收上一層等級比自己低的節點(diǎn)廣播。
DMTS以犧牲同步精度換取低能耗，結合使用在MAC層打時(shí)間戳和時(shí)延估計技術(shù)，消除了發(fā)送時(shí)延和接入時(shí)延，計算簡(jiǎn)單，開(kāi)銷(xiāo)??；但DMTS沒(méi)有估算時(shí)鐘頻偏，時(shí)鐘保持同步時(shí)間較短，時(shí)鐘計時(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用中。