滿(mǎn)足WBSN低能耗的時(shí)間同步算法的設計

0 引言

近年來(lái)，隨著(zhù)生物傳感器、可穿戴式技術(shù)和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的逐步發(fā)展，無(wú)線(xiàn)軀體傳感器網(wǎng)絡(luò )的概念(wireless body sensor network, WBSN或BSN)被研究人員所提出，它主要由各種采集人體生命體征的傳感器節點(diǎn)、中央處理節點(diǎn)及監護中心的接收裝置組成。無(wú)線(xiàn)軀體傳感器網(wǎng)絡(luò )主要應用于醫療監護、疾病監控和生物醫學(xué)等領(lǐng)域，是形成人聯(lián)網(wǎng)(Internet of persons)的重要感知及組成部分。

時(shí)間同步是WBSN的一個(gè)重要支撐技術(shù)，采集的各種生理信息的融合，生理傳感器節點(diǎn)的休眠和喚醒，各節點(diǎn)之間的協(xié)同工作都需要時(shí)間同步。由于WBSN應用的需求，傳感器節點(diǎn)逐步向可穿戴式發(fā)展，節點(diǎn)體積小、重量輕、便于攜帶，導致節點(diǎn)能量非常有限，因此設計一種滿(mǎn)足WBSN低能耗要求的時(shí)間同步算法是一個(gè)值得探索的問(wèn)題。

1 算法設計

本文通過(guò)對WBSN特點(diǎn)的分析，結合已有典型的時(shí)間同步算法TPSN和DMTS，提出了一種滿(mǎn)足WBSN低能耗要求的時(shí)間同步算法，在保證一定同步精度的前提下，減少信息交換次數來(lái)達到低能耗的要求?；诨鶞使濣c(diǎn)單向廣播消息的時(shí)間同步機制通過(guò)減少消息交換量換取低能耗，但同步精度有所下降?；诔蓪﹄p向消息傳遞的時(shí)間同步機制采用往返消息測量成對節點(diǎn)間的時(shí)間偏移和傳播時(shí)延，同步精度較高但協(xié)議復雜同步開(kāi)銷(xiāo)大。結合這兩種機制，設計算法。

2 算法描述

第一階段為層次建立階段。首先確定根節點(diǎn)及分層，此節點(diǎn)是全網(wǎng)的時(shí)鐘參考節點(diǎn)，賦予層次號0，根節點(diǎn)廣播包含有自身層次號的數據包，相鄰節點(diǎn)收到該數據包后，確定自身層次號為1，然后1層節點(diǎn)繼續廣播帶有自身層次號的數據包，以此類(lèi)推，i層節點(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。已確定層次的節點(diǎn)拒收其他數據包。至此，全網(wǎng)建立起一個(gè)層次結構。

第二階段為同步階段。同步階段又分為層間同步和層內同步。層間同步采用成對雙向消息傳遞機制，層內同步采用基準節點(diǎn)單向廣播機制，每層節點(diǎn)中選出一個(gè)基準節點(diǎn)，層內結構形成主從關(guān)系。

除根節點(diǎn)外，每層基準節點(diǎn)按層次序號依次向上層發(fā)送同步請求。1層基準節點(diǎn)向根節點(diǎn)發(fā)送同步請求，兩節點(diǎn)間采用成對雙向消息同步機制進(jìn)行同步，1層基準節點(diǎn)計算出節點(diǎn)間時(shí)間偏移和傳播時(shí)延，調整本地時(shí)鐘，與根節點(diǎn)達到同步。然后1層基準節點(diǎn)在層內廣播一個(gè)同步消息，層內其他節點(diǎn)收到消息后估計消息時(shí)延，調整本地時(shí)鐘。至此實(shí)現了一層節點(diǎn)的同步。

同步過(guò)程中設立一個(gè)同步計時(shí)器，用于記錄層間同步時(shí)間T。間隔t(T≤t≤2T)，2層基準節點(diǎn)向1層基準節點(diǎn)請求同步，按照層間和層內方法實(shí)現同步。間隔時(shí)間t的選取保證上層節點(diǎn)已與根節點(diǎn)達到同步。以下各層重復上述同步過(guò)程實(shí)現全網(wǎng)同步。此算法結合單向廣播和成對雙向消息傳遞進(jìn)行橫向和縱向時(shí)間同步，橫向指層內廣播，縱向指層間成對，橫縱交錯，實(shí)現了所有節點(diǎn)的同步。

3 算法仿真

為了評估和分析算法的性能，本文采用網(wǎng)絡(luò )仿真工具NS-2進(jìn)行實(shí)驗仿真。NS-2(Network Simulator version 2)是一種針對網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的源代碼公開(kāi)的、免費的軟件模擬平臺，研究人員使用它可以很容易地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的開(kāi)發(fā)。設計仿真環(huán)境為50×50m2的正方形區域，隨機分布50個(gè)節點(diǎn)，節點(diǎn)間無(wú)線(xiàn)通信距離為10m。

本文提出的改進(jìn)算法比TPSN算法的同步開(kāi)銷(xiāo)要小得多，并隨相鄰節點(diǎn)數的增加，其同步開(kāi)銷(xiāo)的差別越大。如圖1所示。

這是因為改進(jìn)算法中每層只有一個(gè)基準節點(diǎn)，層間同步過(guò)程需兩個(gè)消息交換的開(kāi)銷(xiāo)，而基準節點(diǎn)與本層的其他節點(diǎn)只需要一個(gè)消息開(kāi)銷(xiāo)，而TPSN算法則需要2倍于節點(diǎn)數的開(kāi)銷(xiāo)。

顯然，改進(jìn)算法明顯減少了同步階段所需的消息交換次數，降低了同步過(guò)程所需的通信開(kāi)銷(xiāo)。

改進(jìn)算法的同步誤差略高于TPSN算法。如圖2所示。

圖2 改進(jìn)算法與TPSN 算法同步

這是因為改進(jìn)算法中每層只有一個(gè)基準節點(diǎn)與上層節點(diǎn)進(jìn)行同步，層內其他節點(diǎn)都是參照這個(gè)節點(diǎn)與上層節點(diǎn)進(jìn)行同步的，而TPSN算法中每個(gè)節點(diǎn)都與上層節點(diǎn)進(jìn)行單獨的同步，所以改進(jìn)算法同步誤差略高。根據仿真試驗可以分析比較改進(jìn)算法與TPSN的性能，雖然改進(jìn)算法的同步誤差比TPSN大，但它可以滿(mǎn)足大多數WBSN的應用需求。而改進(jìn)算法的能量消耗遠小于TPSN，實(shí)現了低能耗的設計要求。

4 結論

時(shí)間同步是WBSN的一項重要的支撐技術(shù)，設計時(shí)間同步算法時(shí)常常要考慮能量消耗和同步誤差，但這兩個(gè)重要參數往往是一對矛盾的量。大多數WBSN對同步精度的要求并不高，所以在能量消耗和同步誤差之間獲得一個(gè)折衷是重點(diǎn)所在。本文提出的改進(jìn)算法結合基準節點(diǎn)單向廣播機制和成對雙向消息傳遞機制，在保證一定同步精度的前提下，減少消息傳遞次數，降低通信開(kāi)銷(xiāo)，達到了低能耗的要求。仿真實(shí)驗驗證了算法低能耗和良好同步誤差的性能。

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