無線傳感器網(wǎng)絡時間同步方法研究

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1、無線傳感器網(wǎng)絡時間同步方法研究趙玉葉　梁　葉[收稿日期]2011-5-20（廣西大學電氣工程學院　　廣西南寧　　530004）[摘　要]　時間同步技術是研究無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）許多關鍵技術實現(xiàn)的基礎。文章分析了時間同步方法的重要性和設計時間同步機制關注的性能指標，總結了幾個具有代表性的時間同步技術方法，描述了各自的工作原理以及優(yōu)缺點。[關鍵詞]　無線傳感器網(wǎng)絡；時間同步；算法[中圖分類號]O45　　　　[文獻標識碼]A　　　　[文章編號]1088-7656（2011）03-0038-041時間同步技術的重要性傳感器節(jié)點的時鐘并不完美，會在時間上發(fā)生漂移，所以觀察到的時間對于網(wǎng)

2、絡中的節(jié)點來說是不同的。但很多網(wǎng)絡協(xié)議的應用，都需要一個共同的時間以使得網(wǎng)路中的節(jié)點全部或部分在瞬間是同步的。第一，傳感器節(jié)點需要彼此之間并行操作和協(xié)作去完成復雜的傳感任務。如果在收集信息過程中，傳感器節(jié)點缺乏統(tǒng)一的時間戳（即沒有同步），估計將是不準確的。第二，許多節(jié)能方案是利用時間同步來實現(xiàn)的。例如，傳感器可以在適當?shù)臅r候休眠（通過關閉傳感器和收發(fā)器進入節(jié)能模式），在需要的時候再喚醒。在應用這種節(jié)能模式的時候，節(jié)點應該在同等的時間休眠和喚醒，也就是說當數(shù)據(jù)到來時，節(jié)點的接收器可以接收，這個需要傳感器節(jié)點間精確的定時。2時間同步技術所關注的主要性能參數(shù)時間同步技術的根本目的是為網(wǎng)

3、絡中節(jié)點的本地時鐘提供共同的時間戳。對無線傳感器網(wǎng)絡WSN（WirelessSensorNetworks）[1]的時間同步應主要應考慮以下幾個方面的問題：(1)能量效率。同步的時間越長，消耗的能量越多，效率就越低。設計WSN的時間同步算法需以考慮傳感器節(jié)點有效的能量資源為前提。(2)可擴展性和健壯性。時間同步機制應該支持網(wǎng)絡中節(jié)點的數(shù)目或者密度的有效擴展，并保障一旦有節(jié)點失效時，余下網(wǎng)絡有效且功能健全。(3)精確度。針對不同的應用和目的，精確度的需求有所不用。(4)同步期限。節(jié)點需要保持時間同步的時間長度可以是瞬時的，也可以和網(wǎng)絡的壽命一樣長。(5)有效同步范圍?？梢越o網(wǎng)絡內所有

4、節(jié)點提供時間，也可以給局部區(qū)域的節(jié)點提供時間。(6)成本和尺寸。同步可能需要特定的硬件，另外，體積的大小也影響同步機制的實現(xiàn)。(7)最大誤差。一組傳感器節(jié)點之間的最大時間差，或相對外部標準時間的最大差。3現(xiàn)有主要時間同步方法研究時間同步技術是研究WSN的重要問題，許多具體應用都需要傳感器節(jié)點本地時鐘的同步，要求各種程度的同步精度。WSN具有自組織性、多跳性、動態(tài)拓撲性和資源受限性，尤其是節(jié)點的能量資源、計算能力、通信帶寬、存儲容量有限等特點，使時間同步方案有其特殊的需求，也使得傳統(tǒng)的時間同步算法不適合于這些網(wǎng)絡[2]。因此越來越多的研究集中在設計適合WSN的時間同步算法[3]。針

5、對WSN，目前已經(jīng)從不同角度提出了許多新的時間同步算法[4]。3.1成對(pair-wise)同步的雙向同步模式代表算法是傳感器網(wǎng)絡時間同步協(xié)議TPSN（Timing-SyncProtocolforSensorNetworks）[5~6]。目的是提供WSN整個網(wǎng)絡范圍內節(jié)點間的時間同步。該算法分兩步：分級和同步。第一步的目的是建立分級的拓撲網(wǎng)絡，每個節(jié)點有個級別。只有一個節(jié)點與外界通信獲取外界時間，將其定為零級，叫做根節(jié)點，作為整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的時間源。在第二步，每個i級節(jié)點與i-1（上一級）級節(jié)點同步，最終所有的節(jié)點都與根節(jié)點同步，從而達到整個網(wǎng)絡的時間同步。詳細的時間同步過程如圖

6、1所示。圖1TPSN同步過程設R為上層節(jié)點，S為下層節(jié)點，傳播時間為d，兩節(jié)點的時間偏差為θ。同步過程由節(jié)點R廣播開始同步信息，節(jié)點S接收到信息以后，就開始準備時間同步過程。在T1時刻，節(jié)點S發(fā)送同步信息包，包含信息(T1)，節(jié)點R在T2接收到同步信息，并記錄下接收時間T2，這里滿足關系：節(jié)點R在T3時刻發(fā)送回復信息包，包含信息(T1,T2,T3)。在T4時刻S接收到同步信息包，滿足關系：最后，節(jié)點S利用上述2個時間表達式可計算出的值：TPSN由于采用了在MAC層給同步包標記時間戳的方式，降低了發(fā)送端的不確定性，消除了訪問時間帶來的時間同步誤差，使得同步效果更加有效。并且，TPS

7、N算法對任意節(jié)點的同步誤差取決于它距離根節(jié)點的跳數(shù)，而與網(wǎng)絡中節(jié)點總數(shù)無關，使TPSN同步精度不會隨節(jié)點數(shù)目增加而降級，從而使TPSN具有較好的擴展性。TPSN算法的缺點是一旦根節(jié)點失效，就要重新選擇根節(jié)點，并重新進行分級和同步階段的處理，增加了計算和能量開銷，并隨著跳數(shù)的增加，同步誤差呈線性增長，準確性較低。另外，TPSN算法沒有對時鐘的頻差進行估計，這使得它需要頻繁同步，完成一次同步能量消耗較大。3.2接收方-接收方（Receiver-Receiver）模式代表算法是參考廣播