無線傳感器網(wǎng)絡典型時間同步技術分析

摘要 從無線傳感器網(wǎng)絡特點出發(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，對典型的時間同步算法性能進行了分析評估，為進一步改進時間同步算法的性能提供了幫助。
關鍵詞 無線傳感器網(wǎng)絡；時間同步；模型

無線傳感器網(wǎng)絡是集微機電系統(tǒng)、傳感器技術、嵌入式計算技術、信息處理技術、現(xiàn)代網(wǎng)絡、無線通信技術和數(shù)字電子學于一體的新一代面向任務的分布式網(wǎng)絡。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，通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡，借助節(jié)點中不同類型的微型傳感器實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或被監(jiān)測對象信息，協(xié)作地進行處理，并以自組織多跳的方式將信息傳送到用戶終端，實現(xiàn)物理世界、計算機世界以及人類社會三元世界的連通。無線傳感器網(wǎng)絡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(nóng)業(yè)、防災救災、醫(yī)療保健、軍事國防、智能家居、空間探索、物流等領域。時間同步是無線傳感器網(wǎng)絡支撐技術的重要組成部分。研究無線傳感器網(wǎng)絡中的時間同步首先要分析其應用需求，在無線傳感器網(wǎng)絡中，由于傳感器節(jié)點分布密度高，而且自身資源有限，因此傳統(tǒng)網(wǎng)絡中高精度、不計成本和能耗的時間同步技術就不再適用于無線傳感器網(wǎng)絡，例如NTP協(xié)議。因此，研究適合無線傳感器網(wǎng)絡的時間同步就成為個國內(nèi)外熱點問題。

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，無須將細節(jié)具體化。
(2)相對模型。指在維持節(jié)點間的相對時間。在該模型中，節(jié)點間彼此獨立，不同步，每個節(jié)點都有自己的本地時鐘，且它知道與其他節(jié)點的時間偏移量。根據(jù)需要，每個節(jié)點可與其他節(jié)點保持相對同步。
(3)精準模型。特點在于它的惟一性，它要求全網(wǎng)所有節(jié)點都與基準參考點保持同步，維持全網(wǎng)惟一的時間標準。
1．2 時間同步算法
隨著應用需求的不斷提高，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)點定時發(fā)送參考廣播給相鄰節(jié)點，相鄰節(jié)點接收廣播并記錄到達時間，以此時間作為參考與本地時鐘比較。相鄰節(jié)點交換廣播到達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，達到接收節(jié)點間的同步。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)絡規(guī)模及節(jié)點數(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。
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)絡拓撲的建立過程。首先確定根節(jié)點及等級，此節(jié)點是全網(wǎng)的時鐘參考節(jié)點，等級為0級，根節(jié)點廣播包含有自身等級信息的數(shù)據(jù)包，相鄰節(jié)點收到該數(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)點廣播帶有自身等級信息的數(shù)據(jù)包，其相鄰節(jié)點收到后確定自身等級為i+1，直到網(wǎng)絡中所有節(jié)點都有自身的等級。一旦節(jié)點被定級，它將拒收分級數(shù)據(jù)包。同步階段從根節(jié)點開始，與其下一級節(jié)點進行成對同步，然后i級節(jié)點與i-1級節(jié)點同步，直到每個節(jié)點都與根節(jié)點同步。成對同步的過程如圖1所示。

節(jié)點i在本地時刻T1時向節(jié)點j發(fā)送同步請求，該請求中包含節(jié)點i的等級和T1，節(jié)點j在本地時刻T2時收到請求并在T3時回發(fā)同步應答，該應答包含T2和T3，節(jié)點i于本地時刻T4收到應答信息，根據(jù)時間關系可列出方程

節(jié)點i計算出時間偏差△，從而調(diào)整自己的時鐘，達到同步。
TPSN采用層次分級形成拓撲樹結(jié)構(gòu)，從根節(jié)點開始完成了所有葉子節(jié)點與根節(jié)點的同步，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)點的同步誤差與其到根節(jié)點的跳數(shù)有關，跳數(shù)越多，誤差越大，而與網(wǎng)絡節(jié)點總數(shù)無關，所以該算法具有較好的可擴展性；但由于全網(wǎng)參考時間由根節(jié)點確定，一旦根節(jié)點失效，就要重新選取根節(jié)點進行同步，其魯棒性不強，再同步還需要大量計算和能量開銷，增加整個網(wǎng)絡負荷。
1．2．3 DMTS
DMTS(Delay Measurement Time Synchronization)是由Ping S于2003年提出的基于基準節(jié)點廣播的發(fā)送者與接收者之間的全網(wǎng)時間同步。具體描述為：選擇一個基準節(jié)點，廣播包含時間的同步消息，接收節(jié)點根據(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減消息到達時間t1，得出公式
td=ts+tv=nt+(t2-t1) (5)
將DMTS應用到多跳網(wǎng)絡中還采用與TPSN相同的分層方法進行同步，只是將每一層看作一個單跳網(wǎng)絡，基準節(jié)點依次定在0級，1級，2級，n級，逐步實現(xiàn)全網(wǎng)同步。為避免廣播消息回傳，每個節(jié)點只接收上一層等級比自己低的節(jié)點廣播。
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，消除了發(fā)送時延和接入時延，計算簡單，開銷?。坏獶MTS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用中。