無線傳感器網絡時間同步優化算法的研究

史志軍

【摘要】本文主要圍繞著無線傳感器網絡時間同步問題展開分析，具體分析了無線傳感器網絡體系的基本原理和和體系結構，進而分析了無線傳感器網絡時間同

步優化的一些算法和新技術。

【關鍵詞】無線傳感器；網絡時間；同步；算法

一、前言

目前，無線傳感器網絡時間同步問題已經備受關注，經過了多年的研究，無線傳感器網絡時間同步的算法已經得到了優化，為了能夠進一步提升無線傳感器網絡時間同步的效果，需要再次深入研究其優化方法。

二、無線傳感網絡的體系結構

1.傳感器節點結構

無線傳感器網絡是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點以無線多跳通信方式形成的自組織網絡系統，其中的傳感器節點能夠協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中被感知對象的信息，并發送給用戶。無線傳感器網絡中最基本的組成要素是傳感器節點，它由數據采集單元、處理器單元、數據傳輸單元和能量供應單元四部分組成。

數據采集單元負責監測區域內信息的采集和數據轉換，借助形式多樣的傳感部件，傳感器節點能夠感知溫度、濕度、噪聲、移動物體的大小、速度和方向等信息。處理單元負責控制整個傳感器節點的操作、存儲和處理數據信息。數據傳輸單元負責與其他傳感器節點交換控制信息和傳輸采集到的數據信息。能量供應單元為傳感器節點各部件提供運行所需的能量，通常采用微型電池。

2.網絡體系結構

無線傳感器網絡的體系結構通常包括傳感器節點、匯聚節點和管理節點。大量傳感器節點隨即部署在監測區域內部或附近，以自組織的方式構成網絡。傳感器節點產生的數據以不同的路由方式沿著其他傳感器節點逐跳傳輸，在傳輸的過程中，可能被多個節點處理，然后傳輸到匯聚節點。最后，通過互聯網或者衛星到達管理節點。用戶通過管理節點對傳感器網絡進行配置和管理。

3.無線傳感網絡協議棧

與傳統無線通信網絡相比，無線傳感器網絡更加面向應用，為適應特定的應用目標其組織和結構在很大程度上進行了優化，以減少系統開銷、提高網絡性能并延長網絡壽命。無線傳感器網絡的協議棧將信息傳輸與功耗感知相結合，將數據處理融入網絡協議，從而可以通過無線媒體高效地交互網絡的功耗狀態，充分發揮節點協作的效果。

4.無線傳感器網絡的特點

無線傳感器網絡一般是為了某個特定的需要而設計的，有著獨特的體系結構和應用背景，使它具有不同于傳統網絡的諸多特點。

三、無線傳感器網絡時間同步算法

無線傳感器網絡具有無全局標識、節點較少移動、多對一通信、數據冗余大和資源受限強等特點，包括無線AdHoc網絡在內的傳統網絡時間同步算法已經無法直接應用到無線傳感器網絡中。針對無線傳感器網絡，目前已經從不同角度提出了許多新的時間同步算法。

1.RBS算法

RBS（ReferenceBroadcastSynchronization）算法，是Elson等人以“第三節點”實現同步的思想而提出的。該算法中，節點發送參考消息給它的相鄰節點，這個參考消息并不包含時間戳。相反的，它的到達時間被接收節點用作參考來對比本地時鐘。此算法并不是同步發送者和接收者，而是使接收者彼此同步。

由于RBS算法將發送者的不確定性從關鍵路徑中排除，所以獲得了比傳統的利用節點間雙向信息交換實現同步的方法較好的精確度。由于發送者的不確定性對RBS算法的精確度沒有影響。誤差的來源主要是傳輸時間和接收時間的不確定性。首先假設單個廣播在相同時刻到達所有接收者，因此，傳輸誤差可以忽略。

2.TPSN算法

TPSN（TiminSyncProtocolforSensorNet—works）算法是Ganeriwal等人提出的適用于無線傳感器網絡整個網絡范圍內的時間同步算法。該算法分兩步：分級和同步。第一步的目的是建立分級的拓撲網絡，每個節點有個級別。只有一個節點定為零級，叫做根節點。在第二步，級節點與i一1級節點同步，最后所有的節點都與根節點同步，從而達到整個網絡的時間同步。

3.LTS算法

第一種算法是集中算法，首先要構造樹狀圖，然后沿著樹的n—l子葉邊緣進行成對同步。希望通過構造樹狀圖使同步精度最大化，因此，最小深度的樹是最優的。如果考慮時鐘漂移，同步的精確度將受到同步時間的影響，為了最小化同步時間，同步應該沿著樹的枝干并行進行，這樣所有的子葉節點基本同時完成同步。在集中同步算法中，參考節點就是樹的根節點，如果需要可以進行“再同步”。通過假設時鐘漂移被限定和給出需要的精確度，參考節點計算單個同步步驟有效的時間周期。因此，樹的深度影響整個網絡的同步時間和子葉節點的精確度誤差，為了利用這個信息決定再同步時間，需要把樹的深度傳給根節點。

第二種多跳ITS算法通過分布式方法實現全網范圍內的同步。每個節點決定自己同步的時間，算法中沒有利用樹結構。當節點i決定需要同步（利用預想得到的精確度，與參考節點的距離和時鐘漂移），它發送一個同步請求給最近的參考節點（利用現存的路由機制）。然后，所有沿著從參考節點到節點i的路徑的節點必須在節點i同步以前已經同步。這個方案的優點就是一些節點可以減少傳輸事件，因此可以不需要頻繁的同步。

四、無線傳感器網絡時間同步新技術

1.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眷者、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。可以看出，發送者一接收者同步協議的關鍵路徑為從發送者應用程序層到接收者應用程序層。TPSN（timeprotocolforsensornetworks）協是典型的發送眷接收者同步協議，它通過MAC層時問戳技術，及雙向報文交換方法來抑制和減小傳輸延遲及延遲不確定性的影響。與發送臺二接收者同步協議不同，接收者-接收者同步協議的目的不是為了同步收發雙方，而是去同步多個接收者。

2.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，因此其可擴展性以及適應網絡動態變化的能力很強。

（3）同步機制非常簡單，不需要存儲任何時問信息.目前的螢火蟲同步算法的一個限制是要求每個節點具有相似性，但這種機制在非相似節點所組成的網絡下能否起到同步的作用，目前還不清楚，螢火蟲同步的理論研究還遠未結束.

五、結束語

總而言之，無線傳感器網絡時間同步是當前一個重點的課題，在研究無線傳感器網絡時間同步優化算法的過程中，本文主要分析了如何采取合理的算法來優化無線傳感器網絡時間同步工作，可以為同行提供一些參考。

參考文獻

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