無線傳感器網絡典型時間同步技術分析

摘要 從無線傳感器網絡特點出發，結合三種時間同步模型及已有的時間同步算法，根據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 無線傳感器網絡；時間同步；模型

無線傳感器網絡是集微機電系統、傳感器技術、嵌入式計算技術、信息處理技術、現代網絡、無線通信技術和數字電子學于一體的新一代面向任務的分布式網絡。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點，通過自組織方式構成網絡，借助節點中不同類型的微型傳感器實時監測、感知和采集各種環境或被監測對象信息，協作地進行處理，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。無線傳感器網絡具有廣闊的應用前景，主要應用在工業控制、生態環境、農業、防災救災、醫療保健、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絡支撐技術的重要組成部分。研究無線傳感器網絡中的時間同步首先要分析其應用需求，在無線傳感器網絡中，由于傳感器節點分布密度高，而且自身資源有限，因此傳統網絡中高精度、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絡，例如NTP協議。因此，研究適合無線傳感器網絡的時間同步就成為個國內外熱點問題。

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，其根據應用需求經歷了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生的先后次序，無需了解事件發生的具體時間。它是將時間同步簡化為先來后到的問題，給人直觀的印象，無須將細節具體化。
(2)相對模型。指在維持節點間的相對時間。在該模型中，節點間彼此獨立，不同步，每個節點都有自己的本地時鐘，且它知道與其他節點的時間偏移量。根據需要，每個節點可與其他節點保持相對同步。
(3)精準模型。特點在于它的惟一性，它要求全網所有節點都與基準參考點保持同步，維持全網惟一的時間標準。
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：第三方節點定時發送參考廣播給相鄰節點，相鄰節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，以此調整本地時鐘，達到接收節點間的同步。為提高同步精度，可以增加參考廣播的個數，也可以多次廣播。
RBS消除了發送節點的時延不確定性，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，隨著網絡規模及節點數目的增多，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送者與接收者之間的全網時間同步。具體描述如下：同步過程分為分層和同步兩個階段。分層階段是一個網絡拓撲的建立過程。首先確定根節點及等級，此節點是全網的時鐘參考節點，等級為0級，根節點廣播包含有自身等級信息的數據包，相鄰節點收到該數據包后，確定自身等級為1級，然后1級節點繼續廣播帶有自身等級信息的數據包，以此類推，i級節點廣播帶有自身等級信息的數據包，其相鄰節點收到后確定自身等級為i+1，直到網絡中所有節點都有自身的等級。一旦節點被定級，它將拒收分級數據包。同步階段從根節點開始，與其下一級節點進行成對同步，然后i級節點與i-1級節點同步，直到每個節點都與根節點同步。成對同步的過程如圖1所示。

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

節點i計算出時間偏差△，從而調整自己的時鐘，達到同步。
TPSN采用層次分級形成拓撲樹結構，從根節點開始完成了所有葉子節點與根節點的同步，在MAC層打時間戳，降低了發送端的不確定性，減少了傳送時延、傳播時延和接收時延。該算法中任意節點的同步誤差與其到根節點的跳數有關，跳數越多，誤差越大，而與網絡節點總數無關，所以該算法具有較好的可擴展性；但由于全網參考時間由根節點確定，一旦根節點失效，就要重新選取根節點進行同步，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點廣播的發送者與接收者之間的全網時間同步。具體描述為：選擇一個基準節點，廣播包含時間的同步消息，接收節點根據時間信息估算消息傳輸時延，調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等于發射時延ts加接收處理時間tv，發射時延為發射前導碼和起始符所需的時間，等于發射位數n乘以發射一位所需的時間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絡，基準節點依次定在0級，1級，2級，n級，逐步實現全網同步。為避免廣播消息回傳，每個節點只接收上一層等級比自己低的節點廣播。
DMTS以犧牲同步精度換取低能耗，結合使用在MAC層打時間戳和時延估計技術，消除了發送時延和接入時延，計算簡單，開銷小；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用中。