無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí))

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)一、提綱v引言v時(shí)間同步技術(shù)的分類v時(shí)間同步協(xié)議v小結(jié)9-1 引言 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種基于信息監(jiān)測(cè)與獲取的分布式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)體系，是一門(mén)新興的前沿計(jì)術(shù)。及時(shí)的開(kāi)展無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及其關(guān)鍵技術(shù)的研究，將極大推動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化研究，為中國(guó)提供具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高科技產(chǎn)品。對(duì)我國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重大的戰(zhàn)略意義，也將對(duì)人類未來(lái)生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。 時(shí)間同步是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要支撐技術(shù)之一，基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，如：目標(biāo)追蹤、協(xié)同休眠、定位、協(xié)同數(shù)據(jù)采集、時(shí)分多址、數(shù)據(jù)整合等都需要網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘保持同步。在目標(biāo)追蹤應(yīng)用中，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)可能只觀測(cè)到目標(biāo)返

2、回的信號(hào)強(qiáng)度，并不能得到目標(biāo)的位置、速度和前進(jìn)方向等信息，需要多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)將傳感到的數(shù)據(jù)發(fā)送給傳感器網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)在對(duì)不同傳感器發(fā)送來(lái)的 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后才能獲得目標(biāo)的移動(dòng)方向、速度等信息，這就要求相關(guān)的傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)在時(shí)間上是相關(guān)的。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的多數(shù)節(jié)點(diǎn)是無(wú)人職守的，僅攜帶有少量有限的能量，為了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的使用期限，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間處于定時(shí)休眠狀態(tài)，為了能協(xié)同完成工作任務(wù)，節(jié)點(diǎn)必須進(jìn)行協(xié)同休眠，這也要求節(jié)點(diǎn)具有準(zhǔn)確的時(shí)間同步。波束成型陣列在確定聲源的位置時(shí)，需要計(jì)算多個(gè)傳感器接收到的信號(hào)的相位差，這要深圳市接收到的數(shù)據(jù)是同步的。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，為了減少網(wǎng)

3、絡(luò)的通信量以降低能耗，往往將傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的融合處理，進(jìn)行這些處理的前提是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)具有相同的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。 由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的能量、體積、價(jià)格、技術(shù)等方面的約束，研究滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步精度的時(shí)間同步機(jī)制，具有很重要的理論和實(shí)踐價(jià)值。v三種基本同步機(jī)制：RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN。v傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步 時(shí)間同步問(wèn)題在局域網(wǎng)和Intemet范圍內(nèi)都有所研究，像GPS和無(wú)線測(cè)距等技術(shù)已經(jīng)用于提供網(wǎng)絡(luò)的全局同步。能夠保證Interact的鐘協(xié)調(diào)的復(fù)雜協(xié)議如NTP也以及被提出來(lái)。但是，在傳感器網(wǎng)絡(luò)這個(gè)領(lǐng)域里，時(shí)間同步的要求有相當(dāng)大的區(qū)別。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)龐大

4、、密度高，通常包含成千上萬(wàn)的傳感器節(jié)點(diǎn)。處理這樣高密度的網(wǎng)絡(luò)，需要能夠適應(yīng)大規(guī)模的時(shí)間同步算法。同時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)電池壽命的限制，節(jié)能也是一個(gè)主要的考慮因素。 （一）、基于GPS的時(shí)間同步v可選用的傳感器網(wǎng)絡(luò)同步方法包括全球定位系統(tǒng)GPS01，這種方法可以為每個(gè)節(jié)點(diǎn)提供一個(gè)準(zhǔn)確的全局時(shí)鐘。采用基于GPS的一個(gè)戶外傳感器網(wǎng)絡(luò)就是用于野生動(dòng)物監(jiān)視41的Zebranet。但是具有本身的缺點(diǎn)，也就是要求網(wǎng)絡(luò)必須在衛(wèi)星的可視范圍。這樣使得GPS不適用于戶內(nèi)的無(wú)限傳感器網(wǎng)絡(luò)。即使所用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都有GPS處理能力，基于GPS的方法也能滿足戶外應(yīng)用的要求。因?yàn)槠渲心承┕?jié)點(diǎn)可能被遮蓋住，比如樹(shù)葉，建筑物或山峰等。這樣

5、的情況仍然需要一種分布式的時(shí)間同步方法才能從其它節(jié)點(diǎn)那里獲得精確的時(shí)鐘t。(二)、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議v為提供網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)一個(gè)同步局部時(shí)鐘機(jī)制的時(shí)間同步算法已經(jīng)有不少的研究。其中在Intemet中被廣泛采用的一種是由Mills提出的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(netortime protocol，NTP)。N11P客戶端通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析并計(jì)算數(shù)據(jù)包來(lái)回時(shí)間和有服務(wù)器同步，服務(wù)器通常具有微秒級(jí)的精度。而時(shí)間服務(wù)器則通過(guò)外部時(shí)間源進(jìn)行同步，通常是GPS。在Intemet中NTP已經(jīng)廣泛的采用并證明是一種有效安全和健壯性好的協(xié)議。但是，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由介質(zhì)傳輸控制層引起的傳輸時(shí)間的不確定性可能造成每一個(gè)hop幾百微秒的網(wǎng)

6、絡(luò)延遲。因此，缺乏更好的適應(yīng)性，NTP只能用于某些對(duì)精度要求低的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。9-2 時(shí)間同步技術(shù)的分類v排序、相對(duì)同步與絕對(duì)同步遞進(jìn)關(guān)系v排序只能區(qū)分事件發(fā)生的先后v相對(duì)同步：維持本地時(shí)鐘的運(yùn)行，定期獲取其他節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘偏v移和飄移，經(jīng)過(guò)換算達(dá)到同步的目的。如RBS協(xié)議v絕對(duì)同步：本地時(shí)鐘和參考時(shí)鐘保持一致，修改本地時(shí)鐘。如TPSN協(xié)議v外同步與內(nèi)同步參考源不同，前者參考源為網(wǎng)絡(luò)外部，如GPS。后者參考源為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部某個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘v局部同步與全網(wǎng)同步同步對(duì)象的范圍不同傳統(tǒng)同步：NTP與GPSvNTPNTP不適合于WSN體積、計(jì)算能力和存儲(chǔ)空間存在限制vGPS每顆衛(wèi)星上配備有高精度的銣、銫原子鐘

7、，并不斷發(fā)射其時(shí)間信息地面接收裝置同時(shí)接收4顆衛(wèi)星的時(shí)間信息，采用偽距測(cè)量定位方法可計(jì)算出時(shí)間和位置信息缺點(diǎn)（室內(nèi)、功耗、安全性、分布式）9-3 時(shí)間同步協(xié)議vRBS (Reference Broadcast synchronization)vRBS協(xié)議不是去同步報(bào)文的收發(fā)雙方，而是去同步報(bào)文的多個(gè)接收者。v如下圖所示：在由3個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的單跳網(wǎng)絡(luò)中，參考節(jié)點(diǎn)每發(fā)出一個(gè)參考報(bào)文，其廣播域內(nèi)的其他接收者節(jié)點(diǎn)都將接收到該報(bào)文，并各自記錄下接收到該參考報(bào)文時(shí)的本地時(shí)刻。接收者相互交換它們記錄的時(shí)刻并計(jì)算差值，該差值就是接收者之間的時(shí)鐘偏移。v根據(jù)偏移信息可以實(shí)現(xiàn)發(fā)送者-接收者同步，若能精確地估計(jì)出報(bào)文

8、傳輸延遲，這種方法將能夠取得很高的精度。然而僅根據(jù)單個(gè)報(bào)文的傳輸很難準(zhǔn)確地估計(jì)出傳輸延遲。v左圖為發(fā)送者-接收者同步機(jī)制?？梢钥闯?，發(fā)送者-接收者同步機(jī)制的同步關(guān)鍵路徑為從發(fā)送方到接收方。關(guān)鍵路徑過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致傳輸延遲不確定性的增加，因此同步精度不可能很高。 右圖則是接收者-接收者同步機(jī)制，其關(guān)鍵路徑大為縮短，完全排除了發(fā)送時(shí)間和訪問(wèn)時(shí)間的影響。 vRBS中是通過(guò)廣播同步信標(biāo)分組實(shí)現(xiàn)接收節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)時(shí)間同步，信標(biāo)分組本身并不需要攜帶任何時(shí)標(biāo)，不依賴于信標(biāo)的發(fā)送時(shí)間。v由于無(wú)線信道的廣播特性，信標(biāo)分組相對(duì)所有接收節(jié)點(diǎn)而言同時(shí)發(fā)送到物理信道上，這樣就除去發(fā)送時(shí)間和訪問(wèn)時(shí)間引入的時(shí)間同步誤差。v對(duì)于傳

9、播時(shí)間，RBS只關(guān)心各個(gè)接收節(jié)點(diǎn)之間消息傳播時(shí)間的差值。對(duì)于射頻信號(hào)來(lái)說(shuō)，傳播時(shí)間差值非常小，RBS忽略了傳播時(shí)間帶來(lái)的時(shí)間偏差。v影響RBS機(jī)制性能的主要因素包括接收節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間速率、接收節(jié)點(diǎn)非確定因素和接收節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)等。v為提高時(shí)間同步精度，RBS機(jī)制采用了統(tǒng)計(jì)技術(shù)，通過(guò)發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送多個(gè)消息，獲得接收節(jié)點(diǎn)之間時(shí)間差異的平均值。v對(duì)于時(shí)間速率問(wèn)題，采用最小方差線性擬合，直線斜率就是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間速率，直線上的點(diǎn)表示節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間差異。vRBS的缺點(diǎn)是對(duì)網(wǎng)絡(luò)有一定的要求，它不適合點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的網(wǎng)絡(luò)，且要求網(wǎng)絡(luò)有物理廣播信道。v擴(kuò)展性不好，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)間本地時(shí)間戳通信需要額外的消息交換開(kāi)銷，不能很好地應(yīng)

10、用到大規(guī)模的多跳網(wǎng)絡(luò)中。RBS有很大的交換次數(shù)，對(duì)于具有，2個(gè)節(jié)點(diǎn)的單跳網(wǎng)絡(luò)，需要O(n2)的消息交換，如果n很大時(shí)，消息交換開(kāi)銷是相當(dāng)大的，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的計(jì)算開(kāi)銷也非常之大。vRBS中接收節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行相互同步，但并不與發(fā)送節(jié)點(diǎn)同步；實(shí)際上，在WSN中發(fā)送節(jié)點(diǎn)很可能也是一個(gè)普通的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)因而也需要同步，為使該節(jié)點(diǎn)和其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步，需要另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為參照廣播發(fā)射節(jié)點(diǎn)，這導(dǎo)致了相當(dāng)高的能耗。TPSN (Timing-sync Protocol for Sensor Networks)v圖中的T1、T4用節(jié)點(diǎn)A的本地時(shí)間記錄，T2、T3用節(jié)點(diǎn)B的本地時(shí)間記錄。v節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送一個(gè)同步請(qǐng)求報(bào)文。節(jié)

11、點(diǎn)B在接收到該報(bào)文后，記錄下接收到時(shí)刻T2，并立即向節(jié)點(diǎn)A返回一個(gè)同步應(yīng)答報(bào)文，并把T2和該報(bào)文的發(fā)送時(shí)刻T3嵌入在報(bào)文中。當(dāng)節(jié)點(diǎn)A接收到該報(bào)文時(shí)，記錄下接收到時(shí)刻T4。v令為當(dāng)節(jié)點(diǎn)A的本地時(shí)刻為T(mén)1時(shí)，節(jié)點(diǎn)A和B之間的時(shí)偏。報(bào)文的傳輸延遲均為d。vTPSN算法優(yōu)點(diǎn)：TPSN基于雙向報(bào)文交換，因此同步精度高。對(duì)任意節(jié)點(diǎn)其同步誤差取決于它距離根節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)，而與網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)總數(shù)無(wú)關(guān)，使TPSN同步精度不會(huì)隨節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加而降級(jí)，從而使TPSN具有較好的擴(kuò)展性。vTPSN算法的缺點(diǎn)：TPSN本質(zhì)上是對(duì)同步，因此全網(wǎng)同步的同步能耗高。一旦根節(jié)點(diǎn)失效，就要重新選擇根節(jié)點(diǎn)并重新進(jìn)行分級(jí)和同步階段的處理，增加了

12、計(jì)算和能量開(kāi)銷。另外，TPSN算法沒(méi)有對(duì)時(shí)鐘的頻差進(jìn)行估計(jì)，這使得它需要頻繁同步，開(kāi)銷較大。vTDP協(xié)議叫是單向同步和雙向成對(duì)同步相結(jié)合的時(shí)間擴(kuò)散協(xié)議，它使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)都達(dá)到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)平衡時(shí)間。TDP協(xié)議使用多個(gè)主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)散，使得該協(xié)議能夠容忍消息丟失。擴(kuò)散協(xié)議不依賴于靜態(tài)的分層傳輸，使得它比較靈活且容錯(cuò)性比較好。FTSP時(shí)間同步協(xié)議vFTSP 協(xié)議屬于發(fā)送者接收者協(xié)議。vFTSP協(xié)議基于MAC層時(shí)間戳技術(shù)，發(fā)送者節(jié)點(diǎn)在報(bào)文中的多個(gè)位置嵌入不同的時(shí)間戳.vFTSP算法對(duì)時(shí)鐘漂移進(jìn)行了線性回歸分析。FTSP算法考慮到在特定的時(shí)間范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘晶振頻率是穩(wěn)定的，因此節(jié)點(diǎn)間時(shí)鐘偏移量(時(shí)間

13、速率)與時(shí)間成線性關(guān)系vFTSP算法通過(guò)對(duì)收發(fā)過(guò)程的分析，把時(shí)延進(jìn)一步分為發(fā)送中斷處理時(shí)延、編碼時(shí)延、傳播時(shí)延、解碼時(shí)延、字節(jié)對(duì)齊時(shí)延、接收終端處理時(shí)延，進(jìn)一步降低了時(shí)延的不確定性。v另外，通過(guò)發(fā)射多個(gè)信令包，使得接收節(jié)點(diǎn)可以利用最小方差線性擬合估算自己和發(fā)送節(jié)點(diǎn)的漂移和偏移差。通過(guò)良好的根節(jié)點(diǎn)選舉機(jī)制，針對(duì)根節(jié)點(diǎn)失效、新節(jié)點(diǎn)加入以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化等情況進(jìn)行了優(yōu)化，使得算法的健壯性很好，適合于軍事等惡劣應(yīng)用情況。小結(jié)v本節(jié)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)進(jìn)行了論述，根據(jù)目前時(shí)間同步算法的發(fā)展?fàn)顩r，有以下3個(gè)方面值得進(jìn)一步研究：v(1)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢(shì)，目前的同步算法大多適用于中小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，同步算法在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用足今后研究的方向之一。v(2)健壯性和容錯(cuò)性是對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步算法的一個(gè)基本要求，目前的實(shí)驗(yàn)環(huán)境多足人為的模擬環(huán)境，如何讓同步算法在真實(shí)、復(fù)雜、甚至惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中工作，有待開(kāi)展深入的研