淺析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法

李柏陽

（濟(jì)南市歷城第二中學(xué)，濟(jì)南 250104）

1 引言

有線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由眾多的有線傳感器通過連接線組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)以時(shí)間服務(wù)器或GPS為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的傳感器和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行授時(shí)與校對(duì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了時(shí)間同步。但是由于傳輸線路及空間的原因，大大限制了有線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍，只能在小范圍內(nèi)使用。

由于有線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在種種限制，并隨著低功耗傳感器及無線通訊相關(guān)技術(shù)的成熟，價(jià)格低廉、低功耗、靈敏便利的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)隨之出現(xiàn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展大致可分為三個(gè)階段。第一階段是在越南戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期美國(guó)所使用的無線傳感器系統(tǒng)，這種系統(tǒng)十分傳統(tǒng)，是由眾多無線傳感器和一個(gè)管理節(jié)點(diǎn)，只能單方向的傳輸，形成不了緊密的網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器發(fā)展第二階段位于二十世紀(jì)末，主要是美國(guó)研制出用于軍隊(duì)的無線傳感器系統(tǒng)，這類系統(tǒng)初步擁有了網(wǎng)絡(luò)化的雛形，并且此網(wǎng)絡(luò)具備了一定的計(jì)算能力、感知能力、通信能力。第三階段是二十一世紀(jì)以來，無線傳感器系統(tǒng)逐漸形成網(wǎng)絡(luò)，并且逐漸向微小化、智能化方向發(fā)展。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中時(shí)間同步是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，通過實(shí)現(xiàn)整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間同步，使得由傳感器采集的數(shù)據(jù)更加具有時(shí)效性與可分析性。本文主要淺析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步方法，并針對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)所提出了該場(chǎng)所無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方式的基本架構(gòu)。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

2.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本概念

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式通信傳感網(wǎng)絡(luò)，它的終端由許多可以采集外部世界信息的傳感器組成，其上層節(jié)點(diǎn)主要是計(jì)算機(jī)或其他控制裝置[1]。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中位于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)末端的許多傳感器采集外界信息將外界物理量轉(zhuǎn)化為可以用作信息傳遞的電信號(hào)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的匯集節(jié)點(diǎn)將這些信號(hào)匯聚并通過無線通訊的手段傳輸至管理節(jié)點(diǎn)，管理節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)儲(chǔ)存分析這些數(shù)據(jù)并將分析數(shù)據(jù)應(yīng)用于相關(guān)領(lǐng)域。

2.1.2 關(guān)鍵技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)支持和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)計(jì)[1]。其中信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要通過網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)、系統(tǒng)平臺(tái)和操作系統(tǒng)、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)等實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)支持包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步和空間定位機(jī)制，同時(shí)數(shù)據(jù)融合與壓縮和網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制也是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)支持的關(guān)鍵。網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)在對(duì)網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層及物理層的設(shè)計(jì)的同時(shí)還需考慮跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步

傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要的時(shí)間同步方法有基于NTP與GPS授時(shí)兩種方式。

2.2.1 NTP時(shí)間同步

NTP是網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議，其為目前世界上計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中最通用的時(shí)間同步協(xié)議，其可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)授時(shí)。其工作原理為客戶端先向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器發(fā)送一個(gè)NTP包，服務(wù)器接收并填充該包，再發(fā)回客戶端，客戶端通過偏差來進(jìn)行校對(duì)。該時(shí)間同步方式在局域網(wǎng)中可達(dá)到十分之一微秒級(jí)別的精準(zhǔn)授時(shí)，在互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)可達(dá)到數(shù)微秒至數(shù)十微秒的時(shí)間同步精度。

2.2.2 GPS時(shí)間同步

GPS時(shí)間同步系統(tǒng)是一種適用于全球范圍內(nèi)的大規(guī)模時(shí)間同步方式。主要的工作原理是時(shí)間同步系統(tǒng)在衛(wèi)星上獲得準(zhǔn)確時(shí)間信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，在根據(jù)接口的不同傳給不同的裝置。其信息源可以是GPS，也可以是北斗等時(shí)間同步衛(wèi)星。其時(shí)間精度可高達(dá)納秒級(jí)別，具備高準(zhǔn)確度、高穩(wěn)定性、高可靠性和無時(shí)間漂移等優(yōu)點(diǎn)。但該時(shí)間同步方式需要在GPS信號(hào)好的場(chǎng)景使用，對(duì)工作環(huán)境有較高的要求。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步

3.1 基于參照廣播的時(shí)間同步（RBS）

2002年J.Elson提出了RBS算法[1]，是一種接受者模式的時(shí)間同步算法。在RBS算法中，中間節(jié)點(diǎn)周期性的連續(xù)不斷的向鄰近的節(jié)點(diǎn)廣播beacon消息，節(jié)點(diǎn)會(huì)通過接收到的時(shí)間信息與自身的本地時(shí)間相比較，然后通過計(jì)算時(shí)間差來校對(duì)時(shí)間。同時(shí)各個(gè)節(jié)點(diǎn)互相發(fā)送信息，交換各自所記錄的時(shí)間，從而計(jì)算出偏差量，再通過計(jì)算對(duì)本地時(shí)鐘進(jìn)行調(diào)整，最終獲得了時(shí)間同步。這種算法優(yōu)點(diǎn)是精度高，在一定條件下可以忽略處理延時(shí)，適用于商業(yè)設(shè)備。缺點(diǎn)是在傳遞時(shí)間的信息中附加信息較多，較為復(fù)雜，并且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)增多時(shí)，負(fù)載過大，影響算法的進(jìn)行。

3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步算法（TPSN）

2003年Ganerwal提出了TPSN算法[2]，此算法采用了成對(duì)同步方式。該算法時(shí)間同步的達(dá)成有兩個(gè)步驟。第一個(gè)步驟是層次發(fā)現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都將獲得一個(gè)層次號(hào)。首先選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為根節(jié)點(diǎn)，根節(jié)點(diǎn)的層次號(hào)為0。然后由根節(jié)點(diǎn)發(fā)出一個(gè)包，包內(nèi)包含發(fā)送者標(biāo)識(shí)和層次號(hào)，鄰近的節(jié)點(diǎn)第一個(gè)接收到包，以1作為自己的層次號(hào)。再由1在發(fā)送包，以此類推直至每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自身的層次號(hào)。第二個(gè)步驟是同步階段，0層與1層進(jìn)行成對(duì)同步，后面n層與n+1層成對(duì)同步，最終使整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)都與根節(jié)點(diǎn)同步。TPSN算法比RBS算法具有更高的經(jīng)度，其誤差主要在于根節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù)。并且TPSN算法更加便于傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓展，但如果網(wǎng)絡(luò)中有節(jié)點(diǎn)損壞，則必須要求重新進(jìn)行前兩個(gè)步驟，大大增加了計(jì)算與開銷。

3.3 LTS算法

LTS算法是由J.Greunen提出的[3]，此算法是通過降低精度從而減小時(shí)間同步的復(fù)雜程度并減小能量開銷。一共有兩種算法，其一為集中算法，先需要構(gòu)成包括所有節(jié)點(diǎn)的低深度的生成樹，根節(jié)點(diǎn)和鄰近子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行成對(duì)同步，之后這些子節(jié)點(diǎn)又和自己的子節(jié)點(diǎn)成對(duì)同步，直至生成樹所有的葉節(jié)點(diǎn)均同步。第二種算法是多跳算法，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)出自己的時(shí)間請(qǐng)求，直接達(dá)到根節(jié)點(diǎn)并不利用樹結(jié)構(gòu)，根節(jié)點(diǎn)到發(fā)出請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)的路徑上的所有節(jié)點(diǎn)都會(huì)被動(dòng)的時(shí)間同步。如果請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)鄰近節(jié)點(diǎn)有所需求的信息，則直接從鄰近節(jié)點(diǎn)獲取。此種算法對(duì)能量要求較低，但精度不如TPSN算法。

4 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPS系統(tǒng)的時(shí)間同步系統(tǒng)

在一些居民場(chǎng)所或公共場(chǎng)所（如學(xué)校、火車站）內(nèi)，空間尺度較大，但同時(shí)會(huì)有充足的能量的供應(yīng)，傳感器能源供應(yīng)基本無限制。如果單單運(yùn)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)難度較大且成本較高。而這些場(chǎng)所可以接受到GPS信號(hào)，但有些地方的GPS信號(hào)較弱，無法正常進(jìn)行時(shí)間同步。故采用了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與GPS系統(tǒng)互補(bǔ)進(jìn)行時(shí)間同步。

在各個(gè)節(jié)點(diǎn)中，同時(shí)配置GPS時(shí)間同步和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步兩套裝置，使其在GPS信號(hào)接收強(qiáng)時(shí)可以通過GPS來精確對(duì)時(shí)達(dá)到同步，當(dāng)GPS信號(hào)弱或無法接收到GPS信號(hào)時(shí)，迅速的轉(zhuǎn)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時(shí)間同步。該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPS系統(tǒng)的時(shí)間同步系統(tǒng)

因?yàn)镚PS時(shí)間同步系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步系統(tǒng)的互補(bǔ)，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)授時(shí)方式更加靈活便利，不單單限制于一種授時(shí)方式。兩種時(shí)間同步方式優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，提升了整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)授時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。該時(shí)間同步方式適用于相對(duì)封閉的建筑物內(nèi)，如火車站、公司大樓和學(xué)校等具有能保證一定能量供應(yīng)、空間較大和結(jié)構(gòu)復(fù)雜特點(diǎn)的場(chǎng)所。

5 結(jié)束語

在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都可作為系統(tǒng)獲取外界信息的基本手段，而時(shí)間同步是其重要的技術(shù)支撐手段。本文對(duì)傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方式進(jìn)行介紹，又著重介紹了目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，比照分析了各無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法的優(yōu)劣勢(shì)。最后采用GPS授時(shí)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部授時(shí)相結(jié)合的方式對(duì)對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步系統(tǒng)進(jìn)行了架構(gòu)設(shè)計(jì)，該架構(gòu)在空間尺度大且能量供應(yīng)充足的場(chǎng)所具有相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)。