簡論無線傳感網(wǎng)絡時間同步的問題

 引言

　　想要在無線傳感網(wǎng)絡中很好地保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，非常重要的一點就是保持節(jié)點之間時間上的同步。目前因特網(wǎng)上采用時間同步協(xié)議標準是NTP協(xié)議，采用有線傳輸，不適合用于功耗、成本受限制的無線傳感網(wǎng)絡中。GPS系統(tǒng)也可以提供高精度的時間同步，但它的信號穿透性差，GPS天線
天線

　　天線的基本功能是輻射和接收無線電波。發(fā)射時，把高頻電流轉換為電磁波；接收時，把電磁波轉換為高頻電流。天線的一般原理是：當導體上通以高頻電流時，在其周圍空間會產(chǎn)生電場與磁場。按電磁場在空間的分布特性，可分為近區(qū)、中間區(qū)、遠區(qū)。設R為空間一點到導體的距離，是高頻電流信號的波長，在R＜λ／2π時的區(qū)域稱近區(qū)，在該區(qū)內(nèi)的電磁場與導體中電流、電壓有緊密的聯(lián)系；在R＞A／2π的區(qū)域稱為遠區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)電磁場能離開導體向空間傳播，它的變化相對于導體上的電流、電壓就要滯后一段時間，此時傳播出去的電磁波已不與導線上的電流、電壓有直接的聯(lián)系了，這區(qū)域的電磁場稱為輻射場。 [全文]

必須安裝在空曠的地方，功耗也較大，所以不適合無線傳感網(wǎng)絡。

　　ElsON等人2002年首次提出無線傳感器
傳感器

　　凡是利用一定的物性（物理、化學、生物）法則、定理、定律、效應等把物理量或化學量轉變成便于利用的電信號的器件。傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉換成可供測量的信號”。按照Gopel等的說法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理(模擬或數(shù)字)能力的系統(tǒng)”。傳感器是傳感系統(tǒng)的一個組成部分，它是被測量信號輸入的第一道關口。 [全文]

網(wǎng)絡時間同步的研究課題以來，已有相當多的典型時間同步算法，主要可以分為以下幾類：基于發(fā)送者-接收者的雙向同步算法，典型算法如TPSN算法；基于發(fā)送者-接收者的單向時間同步算法，典型算法如FTSP算法、DMTS算法；基于接收者-接收者的同步算法，典型算法有RBS算法。

　　近年來根據(jù)以上幾種典型同步算法，還有人提出了分簇式的層次型拓撲結構算法，以及結合生成樹等來提高整個網(wǎng)絡的性能，如LTS算法、CHTS算法、CRIT算法、PBS算法、 HRTS 算法、BTS算法、ETSP算法等。

　　然而，無論以上同步算法怎樣發(fā)展，精度如何提高，整個網(wǎng)絡功耗怎樣降低，都是基于單跳時間同步機制。隨著無線傳感網(wǎng)絡的運用與發(fā)展，傳感節(jié)點體積不斷縮小，單跳距離變小，整體網(wǎng)絡規(guī)模變大，同步誤差的累積現(xiàn)象必將越來越嚴重。目前也有比較新的同步算法，試圖盡量避開單跳累加來解決這些問題，如協(xié)作同步。

　　1  時間同步

　　1.1  時間同步不確定性的影響因素

　　時間同步不確定性的主要的影響因素如圖1所示。

圖1  報文傳輸延遲

　　發(fā)送時間：發(fā)送方用于構造分組并將分組轉交給發(fā)送方的MAC層的時間。主要取決于時間同步程序的操作系統(tǒng)調(diào)用時間和處理器負載等。

　　訪問時間：分組到達MAC層后，獲取信道發(fā)送權的時間。主要取決于共享信道的競爭、當前的負載等。

　　傳送時間：發(fā)送分組的時間，主要取決于報文的長度等。

　　傳播時間：分組離開發(fā)送方后，并將分組傳輸?shù)浇邮辗街g的無線傳輸時間。主要取決于傳輸介質(zhì)、傳輸距離等。

　　接收時間：接收端接收到分組，并將分組傳送到MAC層所需的時間。

　　接受時間：處理接收到分組的時間。主要受到操作系統(tǒng)的影響。

　　1.2  典型時間同步算法分析

　　1.2.1  TPSN算法分析

　　TPSN算法采用的是層次型的網(wǎng)絡結構，是基于發(fā)送者-接收者的雙向同步算法。分成兩個階段，第一階段為層次發(fā)現(xiàn)階段，第二階段為同步階段。T1、T4用來記錄同步節(jié)點的本地時間，T2、T3用來記錄參考節(jié)點的本地時間。同步節(jié)點A在T1時刻向參考節(jié)點B發(fā)送一個同步請求報文，報文中包含了同步節(jié)點的級別和T1。當參考節(jié)點B收到報文后，記錄下接收時刻T2，并立即向同步節(jié)點A回復一個同步應答報文，該報文中包含了參考節(jié)點B的級別和T1、T2及回復時刻T3。同步節(jié)點A收到參考節(jié)點的回復后，記下時刻T4。假設來回報文的傳輸延遲相同都為d，且m為同步節(jié)點在T1時刻兩者之間的時偏，且設來回時偏相同，由T2=T1+m+d，T4=T3-m+d可得到：

　　則在T4時刻，若在同步節(jié)點A的本地時間增加修正量m，就能達到同步節(jié)點A與參考節(jié)點B之間的同步。

　　1.2.2  RBS算法分析

　　RBS算法是基于接收者-接收者的同步算法。首先參考節(jié)點廣播一個參考分組，當同步節(jié)點A收到這個分組，記下自己的本地時鐘為T21，當同步節(jié)點B收到這個分組時，也記下自己的本地時鐘為T22，然后同步節(jié)點A與同步節(jié)點B交換本地時鐘T21與T22，這時其中一個節(jié)點只要根據(jù)時間差值m=T21-T22，修改自己的時鐘就能達到與另一個節(jié)點之間的同步。在多跳網(wǎng)絡中，RBS算法采用多次廣播同步消息，接收節(jié)點根據(jù)接收到同步消息的平均值，同時采用最小平方線性回歸方法進行線性擬合以減小同步誤差。

　　1.2.3  DMTS算法分析

　　DMTS算法是基于發(fā)送者-接收者的單向時間同步算法。當發(fā)送節(jié)點在檢測到通道空閑時，給廣播分組加上時間戳t0,從而排除了發(fā)送節(jié)點的處理延遲與MAC層的訪問延遲。并假設發(fā)送報文的長度為NA個比特（包括前導碼與同步字），傳送每個比特的時間為t，而接收者在接收完同步字后，記錄下此時的本地時間為t1,并在調(diào)整自己的本地時間記錄之前記錄下此時的時刻t2,這時接收節(jié)點為了與發(fā)送節(jié)點達到時間上的同步，可以調(diào)整接收節(jié)點的時間改為t0+t·NA+（t2-t1）。

　　可以看出，TPSN平均單跳誤差為17.61μs,DMTS平均單跳誤差為30μs,RBS平均單跳誤差為6.29μs, TPSN平均4跳誤差為21.43μs,DMTS平均單跳誤差為151μs,RBS平均4跳誤差為9.97μs。

　　1.2.4  其他算法分析

　　LTS協(xié)議是基于發(fā)送-接收同步機制發(fā)展而來，提出了集中式和分布式LTS多跳時間同步算法。LTS協(xié)議首先把網(wǎng)絡組成廣度優(yōu)先生成樹拓撲結構，并沿著樹的每條邊進行單跳成對同步。參考節(jié)點的子節(jié)點同步完成后，又以該節(jié)點為參考節(jié)點，采用同樣方式繼續(xù)同步下去，直到同步完成。

　　單跳成對同步采用TPSN同步方法。成對同步的次數(shù)是邊數(shù)的線性函數(shù)。Hui Dui等人提出來的HRTS 利用了廣播的特性，只需要一次同步過程可以完成一個單跳組網(wǎng)所有節(jié)點的同步，進一步降低了LTS協(xié)議的功耗。HRTS算法不再采用廣度優(yōu)先生成樹的邊，采用的是廣度優(yōu)先生成樹非葉子節(jié)點個數(shù)的線性函數(shù)。相較于LTS協(xié)議，HRTS算法以犧牲一定的精確來降低了整個網(wǎng)絡的功耗。

　　BTS同步方法類似于HRTS算法，也是先建立廣度優(yōu)先成生樹拓撲結構，只不過BTS采用的是時間轉換技術，以達到整個網(wǎng)絡的時間同步，而HRTS直接對同步節(jié)點的本地時間進行修改，得到全網(wǎng)的同步，同步報文個數(shù)降為HRTS協(xié)議的2／3。

　　PBS同步算法的思想是參考節(jié)點與簇首節(jié)點之間采用雙向同步方法，與TPSN相似，其他節(jié)點（在兩個節(jié)點的通信范圍內(nèi)）可以偵聽到同步消息，就可以根據(jù)接收者-接收者同步方法同步。類似于RBS同步，PBS同步的前提是每個同步節(jié)點必須在簇首節(jié)點的通信范圍之內(nèi)。

　　ETSP算法主要采用的是設置門檻值N來選擇同步算法，當父節(jié)點的子節(jié)點小于或等于N時，采用接收-接收（RBS）同步模式，否則采用發(fā)送-接收（TPSN）同步模式。N值的選擇采用N2-3N-2m=0來計算，式中m=RxTx，Rx為節(jié)點的接收次數(shù)，Tx為傳播次數(shù)。

　　FTSP同步算法精度高的原因是，發(fā)送者在發(fā)送一個同步請求報文時連續(xù)標記了多個時間戳，接收者可以根據(jù)這幾個中斷時間計算出更精確的時間偏差。

　　1.2.5  協(xié)作同步技術

　　以上同步機制，無論怎樣改進都是基于單跳同步基制，最近有人提出了協(xié)作同步技術，不再單純地從單跳同步機制上進行改進，而是通過信號疊加原理，使同步基準節(jié)點能夠把同步消息直接發(fā)送到遠方待同步的節(jié)點，使遠方節(jié)點直接與基準節(jié)點同步，消除了同步誤差單跳累加的結果。Hu A等人針對節(jié)點密度較高的網(wǎng)絡提出了一種協(xié)作同步算法，基本思想是參考節(jié)點根據(jù)同步周期發(fā)出m個同步脈沖，其一跳鄰居節(jié)點收到這個消息后保存起來，并根據(jù)最近的m個脈沖的發(fā)送時刻計算出參考節(jié)點的第m+1個同步消息發(fā)出的時間，并在計算出來的時刻同步與參考節(jié)點同時發(fā)送第m+1個同步消息。由于信號疊加，因此同步脈沖可以發(fā)送到更遠的節(jié)點，當然前提是網(wǎng)絡中節(jié)點密度較高的情況。A.Krohn等人提出了在物理層
物理層

　　物理層是TCP/IP 網(wǎng)絡模型的第一層,它雖然處于最底層,卻是整個通信系統(tǒng)的基礎, 正如高速公路和街道是汽車通行的基礎一樣。理層為設備之間的數(shù)據(jù)通信提供傳輸媒體及 互連設備,為數(shù)據(jù)傳輸提供可靠的環(huán)境。

上面實現(xiàn)協(xié)作同步，只需要本地消息，避免了額外的消息同步交換開銷。因此節(jié)點密度越高同步誤差也會越小。

　　2  時間同步算法誤差分析與比較

　　根據(jù)節(jié)點消息傳輸過程可以得到式（1）與式（2）：

　　在式（1）、（2）中，t1、t2是由標準時鐘所確定的，表示UTC時間。T1、T2分別是t1、t2所對應的本地節(jié)點所測出的本地時間。SA代表節(jié)點A的報文發(fā)送時間，AA是發(fā)送報文的訪問時間，TA→B是A節(jié)點按比特傳輸報文與B節(jié)點按比特接收報文所需要的時間，PA→B是節(jié)點A傳播到節(jié)點B的時間。RB是節(jié)點B的報文接收處理過程時間。TNA是傳輸NA個比特的總時間。terror指傳輸比特的誤差，Rerror打時標過程存在的誤差。DA→Bt1代表節(jié)點A與節(jié)點B在t1時刻的時偏。

　　對于TPSN算法，因為在MAC采用了加時間戳方法，因此消除了發(fā)送時間與訪問時間對誤差的影響。因此對TPSN算法式（1）、（2）就可以簡寫為式（3）、（4）：

　　式中DA→Bt1=DA→Bt4+RDA→Bt1→t4。

　　同理可以得到T4，如下所示：

　　由以上各式可以得到時偏：

　　RDA→Bt1→t4代表從t1到t4時段內(nèi)，節(jié)點A相對于節(jié)點B增加的時偏。DA→Bt4是t4時刻節(jié)點A與節(jié)點B之間的時偏。則可以算出TPSN的同步誤差：

　　式中SUC=SA-SB，PUC=PA→B-PB→A，RUC=RB-RA。

　　對于DMTS算法，發(fā)送節(jié)點A在T0時刻檢測到空閑，接收節(jié)點B在報文到達時刻給報文加上時間戳T1,并在調(diào)整自己的本地時間記錄之前記錄下此時的時刻為T2，在T3時間完成調(diào)整。則可以得到：

　　　式中DA→Bt0=DA→Bt3+RDA→Bt0→t3。

　　由TmA→B+RB=n·t+Terror+Rerror+（T2-T1），其中n是前導碼的長度，可以得到DMTS的時偏：

　　DMTS的誤差為：

　　對于RBS同步算法，可以得到：

　　則由式（8）與式（9）可以得到節(jié)點B的時偏m1為：

　　則可以得到節(jié)點B的同步誤差為：

　　從式（7）中可以看出，TPSN同步精度高的原因是在MAC層采用打時標方式消除了發(fā)送時間與訪問時間的影響，并在消息雙方向交換時消除了傳播時間的影響。缺點是點到點之間的同步，每次只能一對節(jié)點進行時間同步，同步一次需要發(fā)送2個消息，接收2個消息，功耗較大。從式（10）可以看出DMTS同步誤差較大的原因是單播傳播，沒辦法消除Terror 與Rerror的影響，但DMTS同步一次只要消耗1個發(fā)送消息，1個接收消息，功耗較低。至于FTSP同步算法比DMTS高的原因是，發(fā)送者在發(fā)送一個同步請求報文時連續(xù)標記了多個時間戳，接收者可以根據(jù)這幾個中斷時間，計算出更精確的時間偏差?？梢钥闯?，RBS完全消除了發(fā)送方的影響，只是同步一次消耗3個發(fā)送消息，4個接收消息，功耗較大。而對于HRTS與PBS算法，都是其于以上算法進行融合運用，在簇首節(jié)點與子網(wǎng)節(jié)點選擇上作了較大的改進，以降低整個網(wǎng)絡的功耗。

　　3  總結與展望

　　從以上同步算法的誤差分析比對中可以看出，每種算法都有各自的優(yōu)缺點，都適合不同的無線傳感網(wǎng)絡。精度高，相對功耗也較大。對特定的無線傳感網(wǎng)絡，選擇同步算法時應該折中考慮精度與功耗。從整體上看，近年來有關時間同步算法的研究，大部分都是基于以往典型的單跳同步算法原理，進一步從整體網(wǎng)絡中考慮誤差與功耗，結合最優(yōu)生成樹、分簇路由算法等，以平均整個網(wǎng)絡的功耗，降低節(jié)點傳輸?shù)奶鴶?shù)，提高同步的精度。協(xié)作同步算法側重于提高整個網(wǎng)絡的可擴展性與健壯性，但要求節(jié)點具有相同的同步脈沖，比較困難，目前還需要進一步的發(fā)展驗證，也是未來可能很好的發(fā)展方向。