无线传感器网络典型时间同步技术分析

摘要 从无线传感器网络特点出发，结合三种时间同步模型及已有的时间同步算法，根据评价时间同步算法性能的指标，对典型的时间同步算法性能进行了分析评估，为进一步改进时间同步算法的性能提供了帮助。
关键词 无线传感器网络；时间同步；模型

无线传感器网络是集微机电系统、传感器技术、嵌入式计算技术、信息处理技术、现代网络、无线通信技术和数字电子学于一体的新一代面向任务的分布式网络。它是由在物理空间上密集分布的大量各类集成化的传感器节点，通过自组织方式构成网络，借助节点中不同类型的微型传感器实时监测、感知和采集各种环境或被监测对象信息，协作地进行处理，并以自组织多跳的方式将信息传送到用户终端，实现物理世界、计算机世界以及人类社会三元世界的连通。无线传感器网络具有广阔的应用前景，主要应用在工业控制、生态环境、农业、防灾救灾、医疗保健、军事国防、智能家居、空间探索、物流等领域。时间同步是无线传感器网络支撑技术的重要组成部分。研究无线传感器网络中的时间同步首先要分析其应用需求，在无线传感器网络中，由于传感器节点分布密度高，而且自身资源有限，因此传统网络中高精度、不计成本和能耗的时间同步技术就不再适用于无线传感器网络，例如NTP协议。因此，研究适合无线传感器网络的时间同步就成为个国内外热点问题。

1 时间同步模型及算法
1．1 时间同步模型
随着时间同步概念的提出，其根据应用需求经历了3种模型的演变。
(1)模糊模型。是指所谓的时间同步仅需知道事件发生的先后次序，无需了解事件发生的具体时间。它是将时间同步简化为先来后到的问题，给人直观的印象，无须将细节具体化。
(2)相对模型。指在维持节点间的相对时间。在该模型中，节点间彼此独立，不同步，每个节点都有自己的本地时钟，且它知道与其他节点的时间偏移量。根据需要，每个节点可与其他节点保持相对同步。
(3)精准模型。特点在于它的惟一性，它要求全网所有节点都与基准参考点保持同步，维持全网惟一的时间标准。
1．2 时间同步算法
随着应用需求的不断提高，时间同步趋于第3种模型，而时间同步算法也逐步成熟，完成级间的跳跃。
1．2．1 RBS
RBS(Reference Broadcast Synchronization)由J．Elson等人于2002年提出基于参考广播接收者与接收者之间的局部时间同步。具体描述为：第三方节点定时发送参考广播给相邻节点，相邻节点接收广播并记录到达时间，以此时间作为参考与本地时钟比较。相邻节点交换广播到达时间利用最小方差线性拟合的方法，估算两者的初始相位差和频率差，以此调整本地时钟，达到接收节点间的同步。为提高同步精度，可以增加参考广播的个数，也可以多次广播。
RBS消除了发送节点的时延不确定性，误差来源于传输和接收时延，同步精度较高；但由于多次广播参考消息，能耗较大，随着网络规模及节点数目的增多，开销也会越来越大，不适用于能量有限的无线传感器网络。
1．2．2 TPSN
TPSN(Timing-sync Protocol for Sensor Networks)是由Saurabh Ganeriwal等人于2003年提出的基于成对双向消息传送的发送者与接收者之间的全网时间同步。具体描述如下：同步过程分为分层和同步两个阶段。分层阶段是一个网络拓扑的建立过程。首先确定根节点及等级，此节点是全网的时钟参考节点，等级为0级，根节点广播包含有自身等级信息的数据包，相邻节点收到该数据包后，确定自身等级为1级，然后1级节点继续广播带有自身等级信息的数据包，以此类推，i级节点广播带有自身等级信息的数据包，其相邻节点收到后确定自身等级为i+1，直到网络中所有节点都有自身的等级。一旦节点被定级，它将拒收分级数据包。同步阶段从根节点开始，与其下一级节点进行成对同步，然后i级节点与i-1级节点同步，直到每个节点都与根节点同步。成对同步的过程如图1所示。

节点i在本地时刻T1时向节点j发送同步请求，该请求中包含节点i的等级和T1，节点j在本地时刻T2时收到请求并在T3时回发同步应答，该应答包含T2和T3，节点i于本地时刻T4收到应答信息，根据时间关系可列出方程

节点i计算出时间偏差△，从而调整自己的时钟，达到同步。
TPSN采用层次分级形成拓扑树结构，从根节点开始完成了所有叶子节点与根节点的同步，在MAC层打时间戳，降低了发送端的不确定性，减少了传送时延、传播时延和接收时延。该算法中任意节点的同步误差与其到根节点的跳数有关，跳数越多，误差越大，而与网络节点总数无关，所以该算法具有较好的可扩展性；但由于全网参考时间由根节点确定，一旦根节点失效，就要重新选取根节点进行同步，其鲁棒性不强，再同步还需要大量计算和能量开销，增加整个网络负荷。
1．2．3 DMTS
DMTS(Delay Measurement Time Synchronization)是由Ping S于2003年提出的基于基准节点广播的发送者与接收者之间的全网时间同步。具体描述为：选择一个基准节点，广播包含时间的同步消息，接收节点根据时间信息估算消息传输时延，调整自身本地时间为同步消息所带时间加传输时延，消息传输时延td等于发射时延ts加接收处理时间tv，发射时延为发射前导码和起始符所需的时间，等于发射位数n乘以发射一位所需的时间t，接收处理时间等于接收处理完成时间t2减消息到达时间t1，得出公式
td=ts+tv=nt+(t2-t1) (5)
将DMTS应用到多跳网络中还采用与TPSN相同的分层方法进行同步，只是将每一层看作一个单跳网络，基准节点依次定在0级，1级，2级，n级，逐步实现全网同步。为避免广播消息回传，每个节点只接收上一层等级比自己低的节点广播。
DMTS以牺牲同步精度换取低能耗，结合使用在MAC层打时间戳和时延估计技术，消除了发送时延和接入时延，计算简单，开销小；但DMTS没有估算时钟频偏，时钟保持同步时间较短，时钟计时精度仍然影响同步精度，致使精度不高难以用于定位等高精度的应用中。