WSN的時(shí)間同步技術(shù)研究綜述分析

1、wsn的時(shí)間同步技術(shù)研究綜述* *）摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wsn）是一種大規(guī)模、無線、自組織、多跳、無分區(qū)、 無基礎(chǔ)設(shè)施支持的網(wǎng)絡(luò)1,因?yàn)閣sn在物理上的分散性，加上其他因素的影響 使得本地時(shí)鐘與全局時(shí)鐘存在失步。時(shí)間同步技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的 一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容，它不僅是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各種應(yīng)用正常運(yùn)行的必要條件，并且還直接決定了其他服務(wù)的質(zhì)量。近年來有很多研究者提出了各種時(shí)間同步機(jī)制，本文旨在介紹這些機(jī)制及wsn的時(shí)間同步技術(shù)的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀，并提出自 己的對(duì)未來發(fā)展方向的見解。關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 時(shí)間同步research of time synchronization for w

2、sn*(*)abstract: wireless sensor network (wsn) is a large-scale, wireless, selorganization, multiple-hops, non-partitioned, no infrastructure support network. because the wsn in physical dispersion and some other factors make local clock out of synochrony with global clock. time synchronization techn

3、ology is a key point in the research of wireless sensor network technology, it is not only necessary for normal operation of wireless sensor network applications, and also directly determine the quality of the other services. in recent years, many researchers have proposed various time synchronizati

4、on mechanism,this article is to introduce those mechanism and the development of time synchronization technology of wsn and put forward of the future development.keywords: wireless sensor network time synchronization1. 引言無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wsn）是一種起步較晚但發(fā)展迅速多的分布式系統(tǒng)。在 這種網(wǎng)絡(luò)模型中，各節(jié)點(diǎn)相互獨(dú)立并以無線的方式進(jìn)行通信，由于各節(jié)點(diǎn)都采用 一個(gè)自己的本地時(shí)鐘

5、模塊進(jìn)行計(jì)時(shí)，而這種計(jì)時(shí)模塊的計(jì)時(shí)功能一般由晶體振蕩 器提供，各節(jié)點(diǎn)晶振頻率的誤差以及初始計(jì)時(shí)時(shí)刻的不同會(huì)導(dǎo)致彼此本地時(shí)鐘無 法同步2。即使各個(gè)節(jié)點(diǎn)在初始時(shí)刻達(dá)到時(shí)間同步，但是由于外界環(huán)境溫度、電 磁干擾等的影響仍舊會(huì)導(dǎo)致各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘產(chǎn)生偏差。因此，為了維護(hù)節(jié)點(diǎn)件本地時(shí)間的一致性，必須另外進(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。時(shí)間同步在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)占有至關(guān)重要的作用。 例如，在進(jìn)行遠(yuǎn)距離信息 傳輸時(shí)，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸功率的限制，因此與遠(yuǎn)方基站進(jìn)行通信， 可能會(huì)因?yàn)槟芰康乃p使得通信中斷， 所以需要進(jìn)行協(xié)作傳輸，即網(wǎng)絡(luò)

6、內(nèi)多個(gè)節(jié) 點(diǎn)同時(shí)向遠(yuǎn)方基站傳輸相同的信息， 使能量疊加，遠(yuǎn)方基站就會(huì)接收到一個(gè)瞬時(shí) 功率很強(qiáng)的信號(hào)，這種協(xié)作傳輸方式就可以很好的解決遠(yuǎn)距離傳輸問題。但要實(shí)現(xiàn)這種協(xié)作傳輸，我們首要解決的問題就是時(shí)間同步，否則信號(hào)不但無法累加反 而會(huì)相互干擾。同樣，在測(cè)距定位應(yīng)用中，時(shí)間同步也非常重要。一旦網(wǎng)絡(luò)中的 節(jié)點(diǎn)在時(shí)間上是同步的，我們就可以很容易測(cè)算出傳播時(shí)間， 再加上波的傳播速 度，我們可以很容易的確定所需的距離信息。因此，時(shí)間同步的精度直接決定著測(cè)距定位的準(zhǔn)確性。止匕外，時(shí)間同步在諸如多傳感器數(shù)據(jù)壓縮與融合、低功耗 mac協(xié)議等方面也有重要作用。影響時(shí)間同步不確定性的因素一般分為：發(fā)送時(shí)間、訪問時(shí)間、

7、傳送時(shí)間、 傳播時(shí)間、接收時(shí)間、接受時(shí)間。3圖1報(bào)文傳輸延遲2. 時(shí)間同步技術(shù)2.1 典型的時(shí)間同步技術(shù)最早出現(xiàn)的時(shí)間同步協(xié)議是由 2002 年 12 月 elsonj 提出的 rbs 協(xié)議 4 ，該協(xié)議用像廣播的方式向很多接收者發(fā)送參考報(bào)文， 接收者們記錄下接收到該報(bào)文的本地時(shí)刻， 然后接收者們交換他們記錄的時(shí)刻并計(jì)算差值， 該差值就是接收者之間的時(shí)間偏移。 然后采用基于速率恒定的時(shí)鐘模型對(duì)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘偏移進(jìn)行補(bǔ)償。之后伯克利英特爾實(shí)驗(yàn)室的su ping提出單向同步算法dmts5,該算法通過發(fā)送者向接收者提供發(fā)送時(shí)刻， 接受者通過本地接收時(shí)刻及報(bào)文處理和發(fā)送時(shí)間延遲等參數(shù)修改自己的本地時(shí)間。

8、 另外 ucla 的 nesl 實(shí)驗(yàn)室的s ganeriwal 等在研究單向報(bào)文傳輸?shù)膫鞑パ訒r(shí)發(fā)現(xiàn)了單向報(bào)文傳輸不足之處，于是提出了另一種時(shí)間同步機(jī)制 tpsn6 ，該同步機(jī)制是基于雙向報(bào)文傳輸，利用報(bào)文傳輸?shù)膶?duì)稱性能獲得比單向報(bào)文傳輸更高的同步精度。2004 年 dan h 和 han r 提出了另一種時(shí)間同步機(jī)制hrts7 ，該同步機(jī)制利用的是無線通信的廣播特性， 通過一次廣播同步過程， 實(shí)現(xiàn)一個(gè)單跳網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步。同年另一種時(shí)間同步算法ftsp8被提出，該算法中的特點(diǎn)在于發(fā)送方利用 mac 層時(shí)間戳技術(shù)在報(bào)文中插入報(bào)文的發(fā)送時(shí)刻， 而接收方也在 mac 層記錄下接收時(shí)刻。發(fā)送者在

9、發(fā)送報(bào)文時(shí)連續(xù)標(biāo)記多個(gè)時(shí)間戳，根據(jù)這多個(gè)時(shí)間戳， 接收者可以估計(jì)出中斷等待時(shí)間， 然后利用中斷等待時(shí)間信息以及靜態(tài)設(shè)定的編解碼時(shí)間對(duì)接收時(shí)間戳進(jìn)行補(bǔ)償。 其他的典型同步機(jī)制還包括gcs時(shí)間同步模型9、 lts 時(shí)間同步模型10等。2.2 .新的時(shí)間同步技術(shù)參考文獻(xiàn) 11 提出了一種基于誤差修正的 wsn 的時(shí)間同步算法tbec ，通過基站周期性地廣播發(fā)送標(biāo)記信息， 利用接收端接收到標(biāo)記信息后立即記下本地的時(shí)間戳， 然后將其發(fā)送到基站進(jìn)行處理， 通過基站計(jì)算和保存接收端與基站參考時(shí)間的誤差值， 并將此值發(fā)送到對(duì)應(yīng)接收端完成時(shí)鐘誤差的修正。 算法在誤差消除的方法上借鑒rbs 算法模型，采用的是接收

10、者-接收者的方式，但在消息的發(fā)送與處理方面， rbs 算法采用的是節(jié)點(diǎn)兩兩之間發(fā)送和處理同步消息，而tbec 算法則是利用基站來協(xié)調(diào)同步在每個(gè)同步周期中， 所以 tbec 算法相對(duì)于rbs 算法運(yùn)算量小，即功耗會(huì)相應(yīng)降低。 tbec 算法為達(dá)到時(shí)間同步，將每個(gè)處理周期為 4 個(gè)階段：信標(biāo)消息的廣播階段、時(shí)間戳記錄和發(fā)送階段、基站接收并處理階段、誤差修正階段。參考文獻(xiàn)12 提出的基于自動(dòng)校準(zhǔn)的 wsn 時(shí)間同步算法也和此算法類似， 采用子節(jié)點(diǎn)將其本地時(shí)間同步到匯聚節(jié)點(diǎn)， 并且在保證同步精度的前提下， 結(jié)合一種極低復(fù)雜度的時(shí)間自動(dòng)校準(zhǔn)機(jī)制， 子節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)自己的時(shí)鐘計(jì)數(shù)。其它類似的還有參考文獻(xiàn)13

11、 提出的一種基于虛擬時(shí)間戳的wsn時(shí)間同步算法vtsp,在這種vtsp算法中，各節(jié)點(diǎn)維護(hù)自身的虛擬時(shí)間戳， 父節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)周期性的信標(biāo)信號(hào)， 子節(jié)點(diǎn)根據(jù)該信標(biāo)信號(hào)進(jìn)行時(shí)間同步調(diào)整和刷新操作，從而達(dá)到節(jié)點(diǎn)之間的同步性。參考文獻(xiàn) 14 提出了一種新的基于分簇的 wsn 時(shí)間同步解決方案，這種時(shí)間同步算法分為兩個(gè)階段： 參考節(jié)點(diǎn)與簇首節(jié)點(diǎn)間同步、 簇首與簇內(nèi)成員間同步。因?yàn)?參考節(jié)點(diǎn)與簇首之間的鏈路主要承擔(dān)路由和傳送信息的功能， 并且節(jié)點(diǎn)數(shù)目少，發(fā)送信息量大，而且為單跳同步，所以同步精度要求相對(duì)較低，所以采用dmts 算法， 以減少簇首能量的消耗。 而簇首與簇內(nèi)成員同步采用單向時(shí)間機(jī)制并具有較高精度

12、的 ftsp 算法。 ftsp 記錄時(shí)間的操作是在mac 層和物理層， 在這里加入時(shí)間戳， 記錄接收和發(fā)送的多個(gè)時(shí)間對(duì)， 就避免了傳輸過程中， 不確定因素導(dǎo)致的無法準(zhǔn)確計(jì)算時(shí)延等問題。 文獻(xiàn) 15 在 ftsp 算法的基礎(chǔ)上做了修改，采用分級(jí)消息包傳輸機(jī)制和參數(shù)估計(jì)的線性回歸算法降低能量和網(wǎng)絡(luò)資源的消耗和異常數(shù)據(jù)點(diǎn)的影響。參考文獻(xiàn) 16 提出了另一種基于耦合振蕩器模型的 wsn 時(shí)間同步算法模型，在這個(gè)模型中，當(dāng)一個(gè)振蕩器放電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與其他振蕩器之間的電耦合，提升其他振蕩器的電量， 使得整個(gè)振蕩器的電量趨于相同， 達(dá)到同步放電的效果。該文獻(xiàn)作者以zigbee 為例探究了該算法的可行性。該算法

13、缺陷在于每次在實(shí)驗(yàn)趨向于同步的時(shí)候， 各個(gè)節(jié)點(diǎn)幾乎在同一時(shí)間發(fā)送數(shù)據(jù)包，導(dǎo)致通信的效率低下。此外，新型時(shí)間同步技術(shù)還包括螢火蟲同步算法17和協(xié)作同步18等。參考文獻(xiàn) 19 在比較各種時(shí)間同步技術(shù)時(shí)給出了一種螢火蟲同步技術(shù)模型。這種模型中螢火蟲的發(fā)光部位可以看成一個(gè)可以發(fā)射周期性脈沖光的脈沖耦合振蕩器。 一 個(gè)脈沖耦合振蕩器的相位用一個(gè)周期函數(shù)來表示，該函數(shù)與時(shí)間t成線性關(guān) 系。隨著時(shí)間t的增加達(dá)到周期t時(shí)，函數(shù)值達(dá)到最大值 th,此時(shí)振蕩器發(fā)出一個(gè)脈沖，且重置函數(shù)值開始另一個(gè)周期。圖2(a)是一個(gè)完全獨(dú)立的振蕩器的周 期函數(shù)。當(dāng)一個(gè)振蕩器與其它振蕩器耦合時(shí)，容易接收到鄰近振蕩器發(fā)出的脈沖， 從

14、而使相位增加，增加量由當(dāng)前的相位值決定，如圖4(b)所示。相位增加后，振蕩器就會(huì)提前發(fā)出脈沖。增量 滿足： + 二 min( a + b , 1)其中 a = exp(be) , b = (exp(b e)1) /exp(b), b 為耗散因數(shù)，e為振 幅增量。如果整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的振蕩器是全耦合的，且 b >0, e >0,振蕩器間的相 位差通過同步過程不斷縮小，無論單個(gè)振蕩器的初始狀態(tài)如何，最終整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總會(huì)趨于同步。圖2相位函數(shù)協(xié)作同步利用時(shí)間基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)等時(shí)間間隔發(fā)出 m個(gè)同步時(shí)間脈沖，這些脈沖 的發(fā)送時(shí)刻被其一跳的鄰居節(jié)點(diǎn)接收保存，該節(jié)點(diǎn)根據(jù)m個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送時(shí)刻估計(jì)出下一個(gè)同步脈沖的

15、發(fā)送時(shí)刻，并在該時(shí)刻發(fā)送與基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)同時(shí)的同步脈沖。 在信號(hào)疊加的作用下，復(fù)合的同步脈沖可以到達(dá)更遠(yuǎn)的范圍而被下一跳節(jié)點(diǎn)接受 并保存，如此往復(fù)，最終網(wǎng)內(nèi)所用節(jié)點(diǎn)可以都達(dá)到同步。3. 目前存在的問題傳統(tǒng)的集中式同步機(jī)制， rbs 算法同步功耗低，但是只能實(shí)現(xiàn)局部節(jié)點(diǎn)間同步。 dmts 和 hrts 算法同步功耗低，但是同步精度較低， lrs 同步精度略高于hrts。 tpsn 精度較高，但是使用成對(duì)同步，所以功耗大，而且維持層次結(jié)構(gòu)需要一定開銷。就目前而言ftsp在傳統(tǒng)同步機(jī)制中的同步精度最高。傳統(tǒng)的同步機(jī)制中網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫圆睿?全網(wǎng)同步收斂速度慢， 大部分都存在單跳累加對(duì)同步精度的影響。而那些新的

16、時(shí)間同步技術(shù)，例如 tbec 、 vtsp 等雖然在理論上看上去對(duì)傳統(tǒng)的時(shí)間同步技術(shù)做了部分修正， 但在本質(zhì)上仍然是使用的傳統(tǒng)同步時(shí)間機(jī)制， 所以存在和傳統(tǒng)時(shí)間同步機(jī)制類似的不足。 螢火蟲同步算法雖然可以直接用硬件實(shí)現(xiàn)因而不受 mac 層延遲、協(xié)議處理等的影響，但它要求網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有相似性， 協(xié)作同步機(jī)制雖然避開了節(jié)點(diǎn)單跳累加的影響， 然而其核心思想仍然是屬于集中式協(xié)議， 且要求整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)密度較高， 節(jié)點(diǎn)具有相同的同步脈沖，這些條件的限制使得其在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)用有一定的局限性。 面對(duì)未來越來越復(fù)雜的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)， 這些同步機(jī)制必將越來越受到限制，目前螢火蟲同步算法和協(xié)作同步

17、仍然只是處于理論研究的狀態(tài)。4. 進(jìn)一步的工作目前已經(jīng)存在很多的 wsn 時(shí)間同步算法，但是大部分都僅限于實(shí)驗(yàn)環(huán)境或小規(guī)模的單跳環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)仿真和研究。 所以， 隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，大規(guī)模的多跳的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必將迎來研究熱潮， 再此基礎(chǔ)上必須加快研究適應(yīng)這種大規(guī)模、 多跳的時(shí)間同步技術(shù)。 其次， 必須加深時(shí)間同步技術(shù)在魯棒性和容錯(cuò)性上的研究， 使其能脫離實(shí)驗(yàn)室的簡(jiǎn)單環(huán)境適應(yīng)更復(fù)雜、 更多變、 更惡劣的真實(shí)環(huán)境。就以上各種算法而言，本人覺得 ftsp 算法值得更深入的研究和改良，在mac 層加入時(shí)間戳，以及同時(shí)考慮偏移與漂移的影響，不但可以提高精度，而且可以延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的同步周期，減

18、少整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的功耗。如果結(jié)合ftsp 算法和協(xié)作同步算法的特點(diǎn)，則可以設(shè)計(jì)出同步精度較好的多跳網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步機(jī)制。參考文獻(xiàn)1 李曉維，徐勇軍，任豐原無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)m 北京：北京理工大學(xué)出版社，20072 周賢偉，韋煒，覃伯平無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步算法研究 j 傳感器技術(shù)學(xué)報(bào)，2006， 19(1)： 21-293 徐世武，王平，黃晞，施文灶，徐雄偉無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中時(shí)間同步技術(shù)的綜述 j 微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2011， 32(5)： 32-384 jeremy e， lewis g， deborah e fine-grained network time synchronization using

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