無線傳感器網絡時鐘同步協議研究

魏秋桐　曾培

【摘 要】無線傳感器網絡應用的出現，使無線傳感器網絡中傳感器節點的時鐘同步技術變得越來越重要。本文旨在回顧一些主要的時鐘同步協議，然后從拓撲結構方面對這些協議進行分類，并基于準確性、魯棒性、計算負載三個標準對這些協議進行分析和比較。

【關鍵詞】偏移；偏斜；時間戳

【Abstract】Time Synchronization of nodes in Wireless sensor networks is becoming increasingly important as the emergence of Wireless Sensor Networks applications. This paper aims to review some of the main protocols and classify them based on their topology structure， then analyzes them based on three criteria of accuracy， robustness， and computation load.

【Key words】Offset； Skew； Timestamp

0 引言

傳感器網絡中的很多應用都需要節點的時鐘同步，為此，研究人員提出了許多不同的時鐘同步協議。在無線傳感器網絡中，傳感器節點的能量消耗是最主要的問題。圍繞這個問題，本文的評價標準如下：

準確性：協議的平均精度或誤差。

抗節點失效的魯棒性：特定的單節點/多節點的故障不影響協議的進程。

計算負載：關于時鐘偏斜和偏移的估計和補償的計算。在本文中，任何統計分析的使用，都被認為是高負載的計算。

本文的協議劃分為兩種：集中式和分布式。其中，集中式是網絡中有一個具有領導者功能的節點，其他節點都跟隨此節點。分布式是網絡中的所有節點功能相同，不存在具有特殊功能的節點結構。

1 同步協議研究

1.1 集中式時鐘同步協議

RBS（Reference Broadcast Synchronization）[1]省略了發送方消息的非確定性部分。在RBS中，主節點廣播一個不帶時間戳的普通消息，從節點用自己的本地時鐘記錄各自的消息接收時間，然后與鄰居節點相互交換時間信息，并利用偏移矩陣計算相對于所有其他節點時鐘偏移的平均值，對本地時鐘進行相應調整。

TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks）[2]證明了傳統發送者-接收者的方法優于RBS接收者-接收者的方法。TPSN使用事件驅動與后向同步相結合，通過雙向時間戳交換機制僅對時鐘偏移進行估計。由于時間戳是在MAC層讀取，發送、訪問和接收時間可以忽略。

DMTS（Delay Measurement Time Synchronization）[2]旨在消除消息中所有可能的延遲，減少消息開銷。當檢測到清晰頻道出現時，DMTS標記消息，消除發送方延遲，僅剩下接收端產生的延遲。協議使用選舉算法選出一個主節點，其他節點與主節點同步。通過接收主節點的廣播和時間戳消息來估計剩余延遲。

FTSP（Flooding Time Synchronization Protocol）[3]同時具備RBS和TPSN的優勢，在發送端和接收端都存儲多個時間戳。基于先前一致接收的消息估計時鐘漂移，并使用線性回歸算法找到最好的線路。

PBS（Pairwise Broadcast Synchronization）[3]能大幅度降低能耗。它假設時鐘漂移為零，并基于偏移校正進行網絡的同步。在PBS中，主節點和從節點成對執行操作，廣播域中的節點通過監聽估計自己的時鐘偏移，減少了消息開銷。

1.2 分布式時鐘同步協議

DTSP（Distributed Time Synchronization Protocol）[4]通過使用遞歸最小二乘法（RLS）計算消息的傳輸時延，估計時鐘偏移和偏斜，并在第一個字節發送后將時間戳添加到消息中。

GTSP（Gradient Time Synchronization Protocol）[5]補償時鐘偏斜和偏移，它采用MAC層時間戳避免了部分誤差。網絡中，臨近鄰居節點緊密同步，遠距離節點松散耦合。GTSP時鐘偏斜和偏移是臨近鄰居時鐘的平均值。

TDP（Time Diffusion synchronization Protocol）[6]有兩個階段：活躍階段（持續時間基于最大允許時鐘漂移）和睡眠階段（執行同步算法）。協議將節點分為不同的簇，每個活躍階段選舉產生主節點，具有魯棒性。每一簇的主節點通過擴散時鐘消息來聚集本地時間，獲得一個系統級的時間標度。

2 結論

本文回顧了8種不同的時鐘同步協議，并對他們進行了分類和評價，見表1。基于以上回顧，我們可以發現一些新的研究方向。大多數協議都是基于統計分析來估計時鐘漂移，需要在節點內存中存儲數據點，從而需要更多的內存和能量，并且沒有漂移補償，不可能延長同步間隔。同步間隔的延長可以發送更少的消息（同步消息大多與真實數據消息不同），從而消耗更少的能量。一種解決方案是合并消息中的真實數據和同步數據，并按周期（根據所需要的精度確定）添加同步數據到真實數據消息中。但是，層次結構網絡中的數據流流向匯聚節點，而同步消息流從匯聚節點發出，方向相反，因此基于結構的限制應該受到重視。在今后工作中，將在不失準確性的前提下提出低消耗的同步協議，降低能源消耗。

【參考文獻】

[1]李文峰，王汝傳.基于RBS的無線傳感器網絡時間同步算法[J].通信學報， 2008（06）.

[2]徐世武，王平.DMTS與TPSN時間同步算法的融合設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2010（12）.

[3]楊朔.無線傳感器網絡時間同步算法研究[J].電子科學與技術，2014.

[4]周書民，周建勇.無線傳感網絡中時鐘同步的研究[J].電子技術與應用，2006（9）.

[5]王瑜，張繼榮.無線傳感器網絡的時間同步[J].西安郵電學院學報，2010（06）.

[6]嚴斌宇，劉戈.無線傳感器網絡時鐘同步技術[J].計算機測量與控制，2009（06）.

[責任編輯：王楠]