關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步算法研究

胡朋

摘 要：時間同步是研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要問題，許多具體應用需要傳感器節(jié)點本地時鐘的同步，要求各種程度的同步精度。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的一些固有屬性，例如能量的限制、存貯、計算和帶寬。與節(jié)點分布的高密度結(jié)合，使傳統(tǒng)的時間同步算法不適合于這些網(wǎng)絡(luò)。因此，越來越多的研究集中在設(shè)計適合于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步算法。本文首闡述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步算法的基本概念，然后討論了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步算法的發(fā)展現(xiàn)狀，最后又分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步算法的一些基本問題.

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；時間同步算法；發(fā)展現(xiàn)狀

引言：隨著我國社會的快速發(fā)展，國內(nèi)各項科學技術(shù)取得了極大的成就，而隨著近年來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與普及，各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也隨之得到突破性的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為時下現(xiàn)先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為人們的生產(chǎn)生活帶去的極大的貢獻，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合了傳感器、低功耗嵌入式計算器、無線網(wǎng)絡(luò)和通信、分布式信息處理等技術(shù)，利用傳感節(jié)點通過自組網(wǎng)絡(luò)對監(jiān)測對象進行實時監(jiān)測、感知和采集，在環(huán)境、資源、智能交通、礦井安全等領(lǐng)域都有著良好的應用前景，是近年來國內(nèi)外信息領(lǐng)域研究和競爭的焦點，網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的時間同步協(xié)議，另外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步算法還要考慮能量消耗、可拓展性、精確度、魯棒性等問題，這些都對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步算法提出了新的要求和挑戰(zhàn)。

一、時間同步算法的基本概念

1.1時間同步算法的定義

所謂系統(tǒng)中各時鐘的同步，并不要求各時鐘完全與統(tǒng)一標準時鐘對齊。只要求知道各時鐘與系統(tǒng)標準時鐘在比對時刻的鐘差以及比對后它相對標準鐘的漂移修正參數(shù)即可，勿須撥鐘。只有當該鐘積累鐘差較大時才作跳步或閏秒處理。因為要在比對時刻把兩鐘“鐘面時間對齊，一則需要有精密的相位微步調(diào)節(jié)器會調(diào)節(jié)時鐘用動源的相位，另外，各種驅(qū)動源的漂移規(guī)律也各不相同，即使在兩種比對時刻時鐘完全對齊，比對后也會產(chǎn)生誤差，仍需要觀測被比對時鐘驅(qū)動源相對標準鐘的漂移規(guī)律，故一般不這樣做。在導航系統(tǒng)用戶設(shè)備中。除授時型接收機在定位后需要調(diào)整1 PPS信號前沿出現(xiàn)時刻外，它要求輸出秒信號的時刻與標推時鐘秒信號出現(xiàn)時刻一致，一般可用數(shù)學方法扣除鐘差。

1.2時間同步算法的重要性

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)絡(luò)中的節(jié)點來說是不同的。但很多網(wǎng)絡(luò)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(guān)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。

1.3時間同步算法主要參數(shù)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)的時間同步算法的核心作用是為網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點的本地時間出示統(tǒng)一的時間戳，而就無線傳感網(wǎng)絡(luò)的時間同步算法存在多個需要考慮和統(tǒng)計的參數(shù)，首先就是該技術(shù)的能量轉(zhuǎn)換效率，整體過程中，時間浴場能量消耗也就越多，其工作效率自然也就地下，而同步時間算法的前提就是充分審核傳感器節(jié)點有效的能量之源；其次就是可拓展性和健壯性，時間同步的核心結(jié)構(gòu)應該支持網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的數(shù)量或者密度的有效拓展，同時一旦有節(jié)點存在問題時，該網(wǎng)絡(luò)的其它功能不會受到波及和影響；而精準度則是任何算法的前提保障，而針對與各種應用和目的，其精準度的需求也不盡相同；同時節(jié)點必需要保持時間同步的時間長度可以是瞬時的，也可以和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命一樣長，同時時間同步技術(shù)要為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有幾點提供時間，也可以給局部區(qū)域的幾點提供時間；同時其成本和尺寸也是需要考量的內(nèi)容，而同步云算法可能需要特點的硬件，而其空間的大小也會對同步機制的實現(xiàn)產(chǎn)生重要影響，而每一組無線網(wǎng)絡(luò)傳感器幾點之間都會存在最大時間差，或相同的外部標準時間的最大差，這些因素都是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的時間同步算法需要考量的因素。

二、時間同步算法的研究現(xiàn)狀

時間同步問題在局域網(wǎng)和因特網(wǎng)范圍內(nèi)都有所研究，但是在傳感器網(wǎng)絡(luò)的領(lǐng)域內(nèi)，時間同步的要求也存在著很大的不同，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較龐大并且密度也高，其中包含了成千上萬的傳感器節(jié)點，那么在處理這樣的網(wǎng)絡(luò)時就需要能夠適應這種特殊性質(zhì)的時間同步算法，在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)當中，時間同步機制技術(shù)運用比較成熟，由于網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議精度高，魯棒性強在因特網(wǎng)中被廣泛使用。但是網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議并不適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，一方面無線傳感器中的結(jié)點在體積、存儲空間、能耗上都有嚴格的規(guī)定，導致比較復雜的網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議不能在無線傳感器節(jié)點上很好的運行，另一方面，由于因特網(wǎng)采用的是有線傳輸，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的則是無線傳輸，在帶寬、干擾能力方面都有一定的差距，因此網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議并不適用與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)其自身的特點及結(jié)構(gòu)比較簡單，要求時間同步算法有較高的同步精度、較低的能耗與比較好的可擴展性。

三、無線傳感網(wǎng)絡(luò)的幾種時間同步算法

3.1典型同步算法

幾年來國外學者通過實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的思想提出了RBS算法，這是一種基于接收者一接收者的時間同步協(xié)議。根節(jié)點周期性地向其廣播域中的子節(jié)點發(fā)送不包含時間戳的參照廣播消息，當所有節(jié)點都獲得相對其他節(jié)點的時鐘偏移量平均值時，所有接收同一參照廣播消息的接收節(jié)點便獲得了一個相對網(wǎng)絡(luò)時間，即待同步節(jié)點數(shù)、參考廣播的次數(shù)，消息延遲中，信息的發(fā)送時間和訪問時間都是相同的，通過對接收節(jié)點之間的時間比較，能夠?qū)l(fā)送時間和訪問時間抵消掉。廣播域中的2個節(jié)點都能接收到發(fā)送節(jié)點廣播的一個信標分組，每個接收點會依據(jù)自己的本地時間對于接收到信標分組那一刻的時刻進行記錄，并將記錄的結(jié)果進行交換。兩個接收節(jié)點間的時間差值就是兩個接收時間的差值，接收點根據(jù)這個時間差值對自己的本地時間進行更改，實現(xiàn)節(jié)點的時間同步。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最常見的幾種同步算法的性能比較如表所列。