無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步算法的研究與探討

引言

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(jìn)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(yīng)用前景，是近年來國內(nèi)外信息領(lǐng)域研究和競爭的焦點。而時間同步技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一項非常關(guān)鍵的基礎(chǔ)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議NTP(Network Time Protocol)是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的時間同步協(xié)議，最早由美國Delaware大學(xué)的Mill教授提出。然而NTP是應(yīng)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的能量效率、網(wǎng)絡(luò)動態(tài)、基礎(chǔ)設(shè)施和系統(tǒng)而構(gòu)建，因此并不適合低功耗、低成本、微型化、高集成、協(xié)作式多跳自組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。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)。

在2002年的HotNets上，J Elson和Kay Romer首次提出并闡述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步技術(shù)的課題，在國際上引發(fā)了廣泛的關(guān)注和思考，吸引了許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)參與研究，已經(jīng)提出許多種不同的實現(xiàn)算法及改進(jìn)算法，典型的有RBS算法、TPSN算法、還有TDP算法、FTSP算法、DMTS算法、LTS算法、TS／MS算法、HRTS算法、OFDC算法、CHTS算法、CRIT算法以及最新的基于螢火蟲技術(shù)和協(xié)作技術(shù)的時間同步算法等。

1 概念與定義

在計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中，時鐘通常用品體振蕩器脈沖來度量，即

式中C(t)為構(gòu)造的本地時鐘，t為真實時間變量，k為依賴于晶振的物理特性常量，ω(τ)為晶振的頻率，間隔c(t)-c(t0)被用來作為度量時間。對于理想的時鐘，有r(t)=dc(t)／dt=1，也就是說，理想時鐘的變化速率r(t)為1。但在工程實踐中，因為溫度、壓力、電源電壓等外界環(huán)境的變化，往往會導(dǎo)致晶振頻率產(chǎn)生波動。因此構(gòu)造理想時鐘比較困難，但在一般情況下晶振頻率的波動幅度并非任意的，而是局限在一定范圍之內(nèi)。為了方便描述與分析，定義了速率恒定模型、漂移有界模型和漂移變化有界模型。

假定c(t)是一個理想的時鐘。如果在t時刻有c(t)=ci(t)，則稱ci(t)在t時刻是準(zhǔn)確的；如果dc(t)／dt=dci(t)／dt。則稱時鐘ci(t)在t時刻是精確的；如果ci(t)=ck(t)，則稱時鐘ci(t)在t時刻與時鐘ck(t)是同步的。上述定義表明，兩個同步時鐘不一定是準(zhǔn)確或精確的，時間同步與時間的準(zhǔn)確性和精度沒有必然的聯(lián)系。

如果采用時鐘速率恒定模型，由式(1)，時鐘ci(t)可以簡化表示為：

ci(t)=ai·t+bi (2)

由此可知，時鐘ci(t)和ck(t)之間應(yīng)該存在如下的線性關(guān)系：

ci(t)=aik·ck(t)+bik (3)

式中aik、bik為相對漂移量和相對偏移量。

2 典型同步算法

Elson、Girod和Estrin在參考文獻(xiàn)中以“第三節(jié)點”實現(xiàn)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(Referenccs Broadcast)消息。接收到廣播消息后，鄰居子節(jié)點用自已
的本地時鐘記錄各自的接收時刻作為參考比對時鐘，然后相互交換它們記錄的時間信息，這樣接收節(jié)點就能知道彼此之間的時鐘偏移量。然后利用式(4)計算相對其他各個節(jié)點的時鐘偏移的平均值，并相應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)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：

式中：n為待同步節(jié)點數(shù)，m為參考廣播的次數(shù)，Ti,k為第i個節(jié)點接收第k次參考廣播的本地時刻。顯然，由offset(i，j)形成的矩陣為對稱矩陣，且對角線元素為0。

TPSN算法是由Ganeriwal等人提出的，是一種基于發(fā)送者和接收者的時間同步算法。采用層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。算法分兩步：首先是層次發(fā)現(xiàn)階段，建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；然后每個節(jié)點與上一級的一個節(jié)點進(jìn)行時間同步，最終實現(xiàn)所有節(jié)點都與根節(jié)點的時間同步。

FTSP協(xié)議是一種單向廣播的發(fā)送者和接收者的時間同步辦議。協(xié)議首先要網(wǎng)絡(luò)動態(tài)地選擇一個節(jié)點作為網(wǎng)絡(luò)的根節(jié)點，其時間作為全網(wǎng)的參考時間，根節(jié)點把含有當(dāng)前本地時間的信息包發(fā)送給它單跳廣播域內(nèi)的鄰居節(jié)點；鄰居節(jié)點在收到信息后分別記錄相應(yīng)的接收時間，采用參數(shù)擬合技術(shù)算出相對于根節(jié)點的時間漂移和時間偏移；然后這些與根節(jié)點同步了的鄰居節(jié)點也作為參考節(jié)點，采用與根節(jié)點同步的相同的辦法，使它們的鄰居節(jié)點也實現(xiàn)與其同步。

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1所列。