無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步

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1、第6卷第4期信息技術(shù)快報(bào)Vol.6No.4InformationTechnologyLetterJul.2008無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步概述安竹林朱冠男徐勇軍摘要：時(shí)間同步服務(wù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要解決的一項(xiàng)關(guān)鍵問題。本文對(duì)時(shí)間同步技術(shù)進(jìn)行了介紹，分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步所具有的特點(diǎn)。文章還介紹了幾種典型的用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步協(xié)議并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)做了簡(jiǎn)單比較。最后，本文對(duì)時(shí)間同步目前的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)今后的發(fā)展進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；時(shí)間同步1時(shí)間同步問題簡(jiǎn)述時(shí)間同步是所有分布式系統(tǒng)都要解決的一個(gè)重要問題。在集中式系統(tǒng)中，由于任何進(jìn)程或模塊都可以從系統(tǒng)唯一的全局

2、時(shí)鐘中獲取時(shí)間，因此系統(tǒng)內(nèi)任何兩個(gè)事件都有著明確的先后關(guān)系。而在分布式系統(tǒng)中，由于物理上的分散性，系統(tǒng)無法為彼此間相互獨(dú)立的模塊提供一個(gè)統(tǒng)一的全局時(shí)鐘，必須由各個(gè)進(jìn)程或模塊各自維護(hù)它們的本地時(shí)鐘。由于這些本地時(shí)鐘的計(jì)時(shí)速率、運(yùn)行環(huán)境存在不一致性，因此即使所有的本地時(shí)鐘在某一時(shí)刻都被校準(zhǔn)，一段時(shí)間后，這些本地時(shí)鐘間也會(huì)出現(xiàn)失步。為了讓這些本地時(shí)鐘再次達(dá)到相同的時(shí)間值，必須進(jìn)行時(shí)間同步操作。時(shí)間同步就是通過對(duì)本地時(shí)鐘的某些操作，達(dá)到為分布式系統(tǒng)提供一個(gè)統(tǒng)一時(shí)間標(biāo)度的過程。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是聯(lián)系物理世界和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的橋梁，對(duì)物理世界的觀測(cè)必須建立在統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)度上，因此相對(duì)于通常的分布式系

3、統(tǒng)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)間同步的需求尤為重要，可以說時(shí)間同步是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)支撐技術(shù)。2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步問題特點(diǎn)時(shí)間同步是所有分布式系統(tǒng)都需要解決的問題，因此對(duì)其研究已經(jīng)較為深入，有許多成12熟的方法被成功地應(yīng)用于解決這一問題，有代表性的解決方法有NTP和GPS。[1]NTP協(xié)議是目前互聯(lián)網(wǎng)上時(shí)間同步協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)，用于把互聯(lián)網(wǎng)上計(jì)算機(jī)的時(shí)間同步于3世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（UTC）。NTP采用層狀結(jié)構(gòu)的同步拓?fù)?，每一層均有若干時(shí)間服務(wù)器，如頂層時(shí)間服務(wù)器，第二層時(shí)間服務(wù)器等，其他均為客戶機(jī)。頂層時(shí)間服務(wù)器通過廣播、衛(wèi)星等方式與世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步；其他層的時(shí)間服務(wù)器可選擇若干個(gè)上一層時(shí)間服

4、務(wù)器及本層時(shí)間服務(wù)器作為同步源來實(shí)現(xiàn)與世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的間接同步；客戶機(jī)則可通過指定一個(gè)或多個(gè)上一層時(shí)間服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)與世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的同步?？梢钥闯觯篘TP協(xié)議的可靠性依賴于時(shí)間服務(wù)器的冗余性和時(shí)間獲取路徑的多樣性。GPS是由美國(guó)國(guó)防部為滿足軍事部門對(duì)海陸空設(shè)施進(jìn)行高精度導(dǎo)航和定位的需要而建立的。它由三部分構(gòu)成，分別為空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶設(shè)備部分?？臻g部分是由若干顆GPS工作衛(wèi)星所組成的，每顆衛(wèi)星裝置有精密的銣、銫原子鐘，并由監(jiān)控站經(jīng)常進(jìn)行校準(zhǔn)，達(dá)到和世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的同步。每顆衛(wèi)星不斷發(fā)射包含其位置和精確到十億分之一1Networktimeprotocol，網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議2Glo

5、balPositioningSystem，全球定位系統(tǒng)3CoordinatedUniversalTime，又稱協(xié)調(diào)世界時(shí)12無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步概述秒的時(shí)間的數(shù)字無線電信號(hào)用于接收設(shè)備的時(shí)間校準(zhǔn)。GPS接收裝置接收到來自于四顆或四顆以上衛(wèi)星的信號(hào)，根據(jù)偽距測(cè)量定位方法不僅可以計(jì)算出其在地球上的位置，而且也可計(jì)算出GPS接收機(jī)時(shí)間與世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之偏差，并進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)，達(dá)到與世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的同步。這種方法的同步精度可達(dá)100納秒。NTP和GPS盡管在技術(shù)上已經(jīng)很成熟，但是卻無法直接應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步，這是由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有其自身的特點(diǎn)，必須考慮以下因素：(1).傳輸延遲

6、的不確定性報(bào)文傳輸延遲的不確定性是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的主要挑戰(zhàn)之一。一方面?zhèn)鬏斞舆t比要求的時(shí)間同步允許的誤差大得多，另一方面它極易受到處理器負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等因素的45影響。通常，報(bào)文的傳輸延遲可分為：發(fā)送前處理時(shí)間（Sendtime）、排隊(duì)時(shí)間（Accesstime）、678發(fā)送時(shí)間（Transmissiontime）、傳播時(shí)間（Propagationtime）、接收時(shí)間（Receptiontime）、9收到后處理時(shí)間（Receivedtime）。傳輸延遲的不確定性嚴(yán)重影響了同步精度，因此需要對(duì)傳輸延遲仔細(xì)地測(cè)量、分析和補(bǔ)償才能設(shè)計(jì)出高精度的時(shí)間同步協(xié)議。(2).對(duì)低功耗、低成

7、本與小體積的要求低功耗、低成本與小體積的要求對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件設(shè)計(jì)的各個(gè)方面均提出挑戰(zhàn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)調(diào)低功耗，在設(shè)計(jì)時(shí)間同步軟硬件時(shí)必須遵循該原則。例如：對(duì)用于時(shí)間同步的硬件來說，類似于GPS接收機(jī)這樣的高耗能、高成本設(shè)備是不合適的。對(duì)時(shí)間同步軟件來說，雖然提高同步操作的頻率能夠提高同步精度，但必然引起同步功耗的增加，因此完全依靠提高同步操作頻率來提高同步精度的方法也是不合適的。低成本和小體積更是加劇了電能供應(yīng)的緊張趨勢(shì)。(3).對(duì)可擴(kuò)展性的要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)