無線傳感器網絡中時間同步技術研究

摘要：本文主要從無線傳感器網絡的定義及體系結構、時間同步機制進行研究，對其技術應用及理論進行分析，并做出總結概況。

關鍵詞：無線傳感器；時間同步技術；應用

中圖分類號：TN929.5文獻標識碼：A文章編號：1674-7712 (2014) 08-0000-01

隨著信息科技的發展及智能手機的普及，無線傳感器也得到了廣泛的應用。時間同步技術在被應用的同時，還需要進一步的對其進行分析及研究。

一、無線傳感器網絡的定義及體系結構

無線傳感器網絡的定義：無線傳感器網絡就是由安裝在監測區域內大量的微型傳感器組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織的網絡系統，其目的是感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并發送給觀察者。傳感器，感知對象和觀察者是傳感器網絡的三個基本要素。無線傳感器網絡和傳統無線網絡有著不同的體系結構。無線傳感器是由節點結構，網絡結構以及網絡協議體系結構來描述的。

傳感器節點由四部分組成：傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊，傳感器模塊負責采集監測區域內的信息，并進行數據格式的轉換，將原始的模擬信號轉換成數字信號，將交流信號轉換成直流信號，以供后續模塊使用；處理器模塊又分成兩部分，分別是處理器和存儲器，它們分別負責處理節點的控制和數據存儲的工作；無線通信模塊專門負責節點之間的相互通信；電源模塊為傳感器節點提供能量，一般都是采用微型電池供電。

無線傳感器網絡系統是由傳感器節點、匯聚節點和管理節點組成。大量傳感器節點隨機部署在監測區域，通過自組織的方式構成網絡。傳感器節點采集的數據通過其它傳感器節點逐跳地在網絡中傳輸，傳輸過程中數據可能被多個節點處理，經過多跳后路由到匯聚節點，最后通過互聯網或者衛星到達數據處理中心。

網絡協議體系結構是網絡的協議分層以及網絡協議的集合，是對網絡及其部件應完成功能的定義與描述。由網絡通信協議、傳感器網絡管理以及應用支撐技術組成。分層的網絡通信協議結構類似于傳統的TCP/IP協議體系結構，由物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層組成。

二、時間同步機制研究

時間同步機制是協同無線傳感器網絡的一個關鍵機制，是高效路由、定時喚醒、沖突避免等技術的基礎。目前，已經提出了多種時間同步機制，如參考廣播同步（RBS）、時間同步協議（TPSN）和TYNY/MINI-SYNC等，但都存在一定的缺陷。例如，RBS由于需要用于廣播交換以得到成對節點同步的開銷，隨著網絡密度的增加，這種開銷也隨之增加；TPSN由于采用了分級的方式和傳統的同步方式，使得同步效果比較好，但是增加了能耗和復雜度；MINI-SYNC算法的復雜度相對較低，但是對于計算和存儲的要求較高。

由于無線傳感網絡需要能夠快速布設儀器、快速組網、儀器低功耗，特別要求時間同步精確度高，因此無線通信方式的采用直接影響著分布式數據采集系統的時鐘同步。當儀器工作時，所有數據采集節點都依靠本地晶體振蕩器提供時間基準，其相互之間以及與主控節點之間完全不存在同步關系。由于晶體振蕩器之間不可避免地存在細微的頻率偏差和時鐘漂移，即使初始同步的多個時鐘在經過一定時間的運行后也將出現較大的時間偏差，從而影響數據同步采集的精度。由于在每個傳感器節點中采用高精度、低漂移的晶體振蕩器從成本上考慮是無法接受的，這就需要研究無線通訊網絡支持下的分布式數據采集系統的始終精確同步技術。利用無線通訊鏈路對系統內獨立運行的多個時鐘進行周期性的定時校正，可以保證所有數據采集節點的本地時鐘都以主控節點時鐘為基準，向主控節點時鐘對齊。

三、時間同步的無線網絡模型及注意事項

（一）組網方案?？紤]到目前無線網絡基本以SDH/MSTP光傳輸通信網和數據網為主，時間同步組網應考慮在充分利用現有通信方式和資源的基礎上進行時間同步組網。方案一：通過SDH/MSTP光傳輸網上進行組網。一種方式是在主時鐘所在位置采用具有POS模塊或E1接口的路由器，與光傳輸設備現有的光口及E1進行連接，通過SDH/MSTP光傳輸網傳送時間信號；另一種方式是主時鐘所在位置采用協議轉換的方式，通過SDH/MSTP光傳輸通信網傳送時間信號。 無論是采用協議轉換器、帶POS模塊的路由器或者具有E1接口的路由器，其關鍵都是為了實現E1/ETH的轉換，并通過SDH網絡進行時間同步信息的傳輸。此方案可實現NTP和PTP組網，當然在具體組網時，還應根據實際情況進行網絡硬件設備的選擇。方案二：當時間同步網內各節點均有SDH/MSTP資源，并且以太板卡端口充足時，可考慮采用IP over SDH的方式傳輸時間信號；當同步各節點均處于電力數據網內，同步網內各節點可全部采用電力數據網進行時間信號傳輸。

（二）時間同步網的引入及注意事項。無線傳感器作為現在的主要網絡傳輸手段，近年來得到飛速發展，隨著智能手機的普及，時間同步系統將為無線傳感器生產業務及內部管理中發揮重要作用。在進行時間同步網的建設中要充分因地制宜地考慮需求，時間同步網既要符合通信技術發展趨勢，又要符合時間同步技術發展趨勢，從安全性、可靠性、經濟型多角度進行考慮。組網結構宜采用空中和地面同步技術相結合的體制，空中采用GPS、北斗等衛星信號作為基準。根據需求采用NTP/PTP技術進行地面鏈路時間同步信號的傳送。

四、無線傳感器網絡時間同步新技術

（一）傳統時間同步協議。傳統無線傳感器網絡時問同步協議可分為發送者、接收者同步和接收者、接收者同步兩類。發送者在報文中嵌入發送時刻而接收者記錄下報文接收到時刻，利用這些時刻信息可估算出收發雙方的時問偏移，通過對時問偏移的補償，達到收發雙方的時問同步。

（二）螢火蟲同步技術。與傳統時問同步協議相比，螢火蟲同步技術具有以下獨特的優點：（1）同步可直接在物理層而不需要以報文的方式實現.直接用硬件實現，使得同步精度不會受到MAC延遲、協議處理與軟件實現等方面的影響，并且也不會加重處理器的負擔。（2）由于對任何同步信號的處理方式均相同，與同步信號的來源無關。（3）同步機制非常簡單，不需要存儲任何時問信息。

（三）協作同步技術。目前的假設條件為傳播延遲固定并且節點密度非常高，節點的時問模型為速率恒定模型.雖然假設條件與實際還有一定差距，但這是解決大規模無線傳感器網絡時問同步問題的一個有益思路。

五、結束語

在時間同步技術在無線傳感器網絡運用的過程中，可以考慮與其他的技術相結合，使其優越性得到更好的發揮。在推進技術創新改革的同時，也使資源得到更廣泛的應用。

參考文獻：

[1]曾維魯.一種自適應的無線傳感器網絡時間同步技術[J].河北科技師范學院學報，2013(01):66-68.