WSN的時間同步技術研究分析

1、WSN的時間同步技術研究綜述*（*）摘要：無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）是一種大規(guī)模、無線、自組織、多跳、無分區(qū)、無基礎設施支持的網(wǎng)絡1，因為WSN在物理上的分散性，加上其他因素的影響使得本地時鐘與全局時鐘存在失步。時間同步技術是無線傳感器網(wǎng)絡技術研究的一個重點內容，它不僅是無線傳感器網(wǎng)絡各種應用正常運行的必要條件，并且還直接決定了其他服務的質量。近年來有很多研究者提出了各種時間同步機制，本文旨在介紹這些機制及WSN的時間同步技術的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀，并提出自己的對未來發(fā)展方向的見解。關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡 時間同步 Research of time synchronization for WSN*

2、(*)Abstract: Wireless sensor network (WSN) is a large-scale, wireless, selorganization, multiple-hops, Non-partitioned, no infrastructure support network. Because the WSN in physical dispersion and some other factors make local clock out of synochrony with global clock. Time synchronization technolo

3、gy is a key point in the research of wireless sensor network technology, it is not only necessary for normal operation of wireless sensor network applications, and also directly determine the quality of the other services. In recent years, many researchers have proposed various time synchronization

4、mechanism,This article is to introduce those mechanism and the development of time synchronization technology of WSN and put forward of the future development.Keywords: Wireless Sensor Network time synchronization1.引言無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）是一種起步較晚但發(fā)展迅速多的分布式系統(tǒng)。在這種網(wǎng)絡模型中，各節(jié)點相互獨立并以無線的方式進行通信，由于各節(jié)點都采用一個自己的本地時鐘模塊進行計時

5、，而這種計時模塊的計時功能一般由晶體振蕩器提供，各節(jié)點晶振頻率的誤差以及初始計時時刻的不同會導致彼此本地時鐘無法同步2。即使各個節(jié)點在初始時刻達到時間同步，但是由于外界環(huán)境溫度、電磁干擾等的影響仍舊會導致各個節(jié)點的時鐘產生偏差。因此，為了維護節(jié)點件本地時間的一致性，必須另外進行時間同步操作。時間同步就是通過對本地時鐘的某些操作，達到為分布式系統(tǒng)提供一個統(tǒng)一時間標度的過程。時間同步在無線傳感器網(wǎng)絡占有至關重要的作用。例如，在進行遠距離信息傳輸時，由于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點傳輸功率的限制，因此與遠方基站進行通信，可能會因為能量的衰減使得通信中斷，所以需要進行協(xié)作傳輸，即網(wǎng)絡內多個節(jié)點同時向遠方基站傳輸

6、相同的信息，使能量疊加，遠方基站就會接收到一個瞬時功率很強的信號，這種協(xié)作傳輸方式就可以很好的解決遠距離傳輸問題。但要實現(xiàn)這種協(xié)作傳輸，我們首要解決的問題就是時間同步，否則信號不但無法累加反而會相互干擾。同樣，在測距定位應用中，時間同步也非常重要。一旦網(wǎng)絡中的節(jié)點在時間上是同步的，我們就可以很容易測算出傳播時間，再加上波的傳播速度，我們可以很容易的確定所需的距離信息。因此，時間同步的精度直接決定著測距定位的準確性。此外，時間同步在諸如多傳感器數(shù)據(jù)壓縮與融合、低功耗MAC協(xié)議等方面也有重要作用。影響時間同步不確定性的因素一般分為：發(fā)送時間、訪問時間、傳送時間、傳播時間、接收時間、接受時間。3 發(fā)

7、送時間傳送時間訪問時間 傳播時間接受時間接收時間圖1報文傳輸延遲2.時間同步技術2.1典型的時間同步技術最早出現(xiàn)的時間同步協(xié)議是由2002年12月ELSONJ提出的 RBS協(xié)議4，該協(xié)議用像廣播的方式向很多接收者發(fā)送參考報文，接收者們記錄下接收到該報文的本地時刻，然后接收者們交換他們記錄的時刻并計算差值，該差值就是接收者之間的時間偏移。然后采用基于速率恒定的時鐘模型對節(jié)點間的時鐘偏移進行補償。之后伯克利英特爾實驗室的Su Ping提出單向同步算法DMTS5， 該算法通過發(fā)送者向接收者提供發(fā)送時刻，接受者通過本地接收時刻及報文處理和發(fā)送時間延遲等參數(shù)修改自己的本地時間。 另外UCLA的NESL實

8、驗室的SGaneriwal等在研究單向報文傳輸?shù)膫鞑パ訒r發(fā)現(xiàn)了單向報文傳輸不足之處，于是提出了另一種時間同步機制TPSN6，該同步機制是基于雙向報文傳輸，利用報文傳輸?shù)膶ΨQ性能獲得比單向報文傳輸更高的同步精度。2004年DanH和HanR提出了另一種時間同步機制HRTS7，該同步機制利用的是無線通信的廣播特性，通過一次廣播同步過程，實現(xiàn)一個單跳網(wǎng)內所有節(jié)點的時間同步。同年另一種時間同步算法FTSP8被提出，該算法中的特點在于發(fā)送方利用MAC層時間戳技術在報文中插入報文的發(fā)送時刻，而接收方也在MAC層記錄下接收時刻。發(fā)送者在發(fā)送報文時連續(xù)標記多個時間戳，根據(jù)這多個時間戳，接收者可以估計出中斷等待

9、時間，然后利用中斷等待時間信息以及靜態(tài)設定的編解碼時間對接收時間戳進行補償。其他的典型同步機制還包括GCS時間同步模型9、LTS時間同步模型10等。2.2.新的時間同步技術參考文獻11提出了一種基于誤差修正的WSN的時間同步算法TBEC，通過基站周期性地廣播發(fā)送標記信息，利用接收端接收到標記信息后立即記下本地的時間戳，然后將其發(fā)送到基站進行處理，通過基站計算和保存接收端與基站參考時間的誤差值，并將此值發(fā)送到對應接收端完成時鐘誤差的修正。算法在誤差消除的方法上借鑒 RBS 算法模型，采用的是接收者-接收者的方式，但在消息的發(fā)送與處理方面，RBS 算法采用的是節(jié)點兩兩之間發(fā)送和處理同步消息，而TB

10、EC算法則是利用基站來協(xié)調同步在每個同步周期中，所以TBEC算法相對于RBS算法運算量小，即功耗會相應降低。TBEC 算法為達到時間同步，將每個處理周期為 4 個階段：信標消息的廣播階段、時間戳記錄和發(fā)送階段、基站接收并處理階段、誤差修正階段。參考文獻12提出的基于自動校準的WSN時間同步算法也和此算法類似，采用子節(jié)點將其本地時間同步到匯聚節(jié)點，并且在保證同步精度的前提下，結合一種極低復雜度的時間自動校準機制，子節(jié)點動態(tài)校準自己的時鐘計數(shù)。其它類似的還有參考文獻13提出的一種基于虛擬時間戳的WSN時間同步算法VTSP，在這種VTSP算法中，各節(jié)點維護自身的虛擬時間戳，父節(jié)點發(fā)送一個周期性的信標

11、信號，子節(jié)點根據(jù)該信標信號進行時間同步調整和刷新操作，從而達到節(jié)點之間的同步性。參考文獻14提出了一種新的基于分簇的WSN時間同步解決方案，這種時間同步算法分為兩個階段：參考節(jié)點與簇首節(jié)點間同步、簇首與簇內成員間同步。 因為參考節(jié)點與簇首之間的鏈路主要承擔路由和傳送信息的功能，并且節(jié)點數(shù)目少，發(fā)送信息量大，而且為單跳同步，所以同步精度要求相對較低，所以采用DMTS算法，以減少簇首能量的消耗。而簇首與簇內成員同步采用單向時間機制并具有較高精度的FTSP算法。FTSP記錄時間的操作是在MAC層和物理層，在這里加入時間戳，記錄接收和發(fā)送的多個時間對，就避免了傳輸過程中，不確定因素導致的無法準確計算時

12、延等問題。文獻15在FTSP算法的基礎上做了修改，采用分級消息包傳輸機制和參數(shù)估計的線性回歸算法降低能量和網(wǎng)絡資源的消耗和異常數(shù)據(jù)點的影響。參考文獻16提出了另一種基于耦合振蕩器模型的WSN時間同步算法模型，在這個模型中，當一個振蕩器放電時，會產生與其他振蕩器之間的電耦合，提升其他振蕩器的電量，使得整個振蕩器的電量趨于相同，達到同步放電的效果。該文獻作者以zigbee為例探究了該算法的可行性。該算法缺陷在于每次在實驗趨向于同步的時候，各個節(jié)點幾乎在同一時間發(fā)送數(shù)據(jù)包，導致通信的效率低下。此外，新型時間同步技術還包括螢火蟲同步算法17和協(xié)作同步18等。參考文獻19在比較各種時間同步技術時給出了一

13、種螢火蟲同步技術模型。這種模型中螢火蟲的發(fā)光部位可以看成一個可以發(fā)射周期性脈沖光的脈沖耦合振蕩器。一個脈沖耦合振蕩器的相位用一個周期函數(shù)(t)來表示，該函數(shù)與時間t成線性關系。隨著時間t的增加達到周期T時，函數(shù)值達到最大值th，此時振蕩器發(fā)出一個脈沖，且重置函數(shù)值開始另一個周期。圖2(a)是一個完全獨立的振蕩器的周期函數(shù)。當一個振蕩器與其它振蕩器耦合時，容易接收到鄰近振蕩器發(fā)出的脈沖，從而使相位增加，增加量由當前的相位值決定， 如圖4(b)所示。相位增加后，振蕩器就會提前發(fā)出脈沖。增量滿足：+ = min(+，1)其中 = exp(b·e) ， =（exp(b·e)1）/e

14、xp(b)， b為耗散因數(shù)，e為振幅增量。如果整個網(wǎng)絡的振蕩器是全耦合的，且b 0，e 0，振蕩器間的相位差通過同步過程不斷縮小，無論單個振蕩器的初始狀態(tài)如何， 最終整個網(wǎng)絡系統(tǒng)總會趨于同步。 (t) 發(fā)出脈沖 發(fā)出脈沖 th t a T b 2T 圖2 相位函數(shù)協(xié)作同步利用時間基準節(jié)點等時間間隔發(fā)出m個同步時間脈沖，這些脈沖的發(fā)送時刻被其一跳的鄰居節(jié)點接收保存，該節(jié)點根據(jù)m個節(jié)點的發(fā)送時刻估計出下一個同步脈沖的發(fā)送時刻，并在該時刻發(fā)送與基準節(jié)點同時的同步脈沖。在信號疊加的作用下，復合的同步脈沖可以到達更遠的范圍而被下一跳節(jié)點接受并保存，如此往復，最終網(wǎng)內所用節(jié)點可以都達到同步。3. 目前存在

15、的問題傳統(tǒng)的集中式同步機制，RBS算法同步功耗低，但是只能實現(xiàn)局部節(jié)點間同步。DMTS和HRTS算法同步功耗低，但是同步精度較低，LRS同步精度略高于HRTS。TPSN精度較高，但是使用成對同步，所以功耗大，而且維持層次結構需要一定開銷。就目前而言FTSP在傳統(tǒng)同步機制中的同步精度最高。傳統(tǒng)的同步機制中網(wǎng)絡的拓撲性差，全網(wǎng)同步收斂速度慢，大部分都存在單跳累加對同步精度的影響。而那些新的時間同步技術，例如TBEC、VTSP等雖然在理論上看上去對傳統(tǒng)的時間同步技術做了部分修正，但在本質上仍然是使用的傳統(tǒng)同步時間機制，所以存在和傳統(tǒng)時間同步機制類似的不足。螢火蟲同步算法雖然可以直接用硬件實現(xiàn)因而不受

16、MAC層延遲、協(xié)議處理等的影響，但它要求網(wǎng)絡中每個節(jié)點具有相似性，協(xié)作同步機制雖然避開了節(jié)點單跳累加的影響，然而其核心思想仍然是屬于集中式協(xié)議，且要求整個網(wǎng)絡中節(jié)點密度較高，節(jié)點具有相同的同步脈沖，這些條件的限制使得其在無線傳感器網(wǎng)絡中的運用有一定的局限性。面對未來越來越復雜的無線傳感器網(wǎng)絡結構，這些同步機制必將越來越受到限制，目前螢火蟲同步算法和協(xié)作同步仍然只是處于理論研究的狀態(tài)。4. 進一步的工作目前已經(jīng)存在很多的WSN時間同步算法，但是大部分都僅限于實驗環(huán)境或小規(guī)模的單跳環(huán)境下的網(wǎng)絡仿真和研究。所以，隨著無線傳感器網(wǎng)絡的快速發(fā)展，大規(guī)模的多跳的無線傳感器網(wǎng)絡必將迎來研究熱潮，再此基礎上必

17、須加快研究適應這種大規(guī)模、多跳的時間同步技術。其次，必須加深時間同步技術在魯棒性和容錯性上的研究，使其能脫離實驗室的簡單環(huán)境適應更復雜、更多變、更惡劣的真實環(huán)境。就以上各種算法而言，本人覺得FTSP算法值得更深入的研究和改良，在 MAC層加入時間戳，以及同時考慮偏移與漂移的影響，不但可以提高精度，而且可以延長整個網(wǎng)絡的同步周期，減少整個網(wǎng)絡的功耗。如果結合FTSP算法和協(xié)作同步算法的特點，則可以設計出同步精度較好的多跳網(wǎng)絡時間同步機制。參考文獻1 李曉維，徐勇軍，任豐原無線傳感器網(wǎng)絡技術M北京：北京理工大學出版社，2007 2 周賢偉，韋煒，覃伯平無線傳感器網(wǎng)絡的時間同步算法研究J傳感器技術學

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