淺析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步方法

李柏陽

（濟南市歷城第二中學(xué)，濟南 250104）

1 引言

有線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由眾多的有線傳感器通過連接線組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，整個網(wǎng)絡(luò)以時間服務(wù)器或GPS為標(biāo)準(zhǔn)，對網(wǎng)絡(luò)中的傳感器和節(jié)點進行授時與校對，進而實現(xiàn)了時間同步。但是由于傳輸線路及空間的原因，大大限制了有線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍，只能在小范圍內(nèi)使用。

由于有線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在種種限制，并隨著低功耗傳感器及無線通訊相關(guān)技術(shù)的成熟，價格低廉、低功耗、靈敏便利的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)隨之出現(xiàn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展大致可分為三個階段。第一階段是在越南戰(zhàn)爭時期美國所使用的無線傳感器系統(tǒng)，這種系統(tǒng)十分傳統(tǒng)，是由眾多無線傳感器和一個管理節(jié)點，只能單方向的傳輸，形成不了緊密的網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器發(fā)展第二階段位于二十世紀(jì)末，主要是美國研制出用于軍隊的無線傳感器系統(tǒng)，這類系統(tǒng)初步擁有了網(wǎng)絡(luò)化的雛形，并且此網(wǎng)絡(luò)具備了一定的計算能力、感知能力、通信能力。第三階段是二十一世紀(jì)以來，無線傳感器系統(tǒng)逐漸形成網(wǎng)絡(luò)，并且逐漸向微小化、智能化方向發(fā)展。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中時間同步是整個網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，通過實現(xiàn)整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的時間同步，使得由傳感器采集的數(shù)據(jù)更加具有時效性與可分析性。本文主要淺析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步方法，并針對特定應(yīng)用場所提出了該場所無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步方式的基本架構(gòu)。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步方法

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

2.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本概念

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式通信傳感網(wǎng)絡(luò)，它的終端由許多可以采集外部世界信息的傳感器組成，其上層節(jié)點主要是計算機或其他控制裝置[1]。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中位于整個網(wǎng)絡(luò)末端的許多傳感器采集外界信息將外界物理量轉(zhuǎn)化為可以用作信息傳遞的電信號，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的匯集節(jié)點將這些信號匯聚并通過無線通訊的手段傳輸至管理節(jié)點，管理節(jié)點負責(zé)儲存分析這些數(shù)據(jù)并將分析數(shù)據(jù)應(yīng)用于相關(guān)領(lǐng)域。

2.1.2 關(guān)鍵技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在信息采集系統(tǒng)設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)支持和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)計[1]。其中信息采集系統(tǒng)設(shè)計需要通過網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計、系統(tǒng)平臺和操作系統(tǒng)、節(jié)點設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)儲存標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計等實現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)支持包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時間同步和空間定位機制，同時數(shù)據(jù)融合與壓縮和網(wǎng)絡(luò)安全機制也是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)支持的關(guān)鍵。網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計在對網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層及物理層的設(shè)計的同時還需考慮跨層優(yōu)化設(shè)計。

2.2 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時間同步

傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要的時間同步方法有基于NTP與GPS授時兩種方式。

2.2.1 NTP時間同步

NTP是網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議，其為目前世界上計算機網(wǎng)絡(luò)中最通用的時間同步協(xié)議，其可實現(xiàn)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)授時。其工作原理為客戶端先向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器發(fā)送一個NTP包，服務(wù)器接收并填充該包，再發(fā)回客戶端，客戶端通過偏差來進行校對。該時間同步方式在局域網(wǎng)中可達到十分之一微秒級別的精準(zhǔn)授時，在互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)可達到數(shù)微秒至數(shù)十微秒的時間同步精度。

2.2.2 GPS時間同步

GPS時間同步系統(tǒng)是一種適用于全球范圍內(nèi)的大規(guī)模時間同步方式。主要的工作原理是時間同步系統(tǒng)在衛(wèi)星上獲得準(zhǔn)確時間信號，對信號進行轉(zhuǎn)化，在根據(jù)接口的不同傳給不同的裝置。其信息源可以是GPS，也可以是北斗等時間同步衛(wèi)星。其時間精度可高達納秒級別，具備高準(zhǔn)確度、高穩(wěn)定性、高可靠性和無時間漂移等優(yōu)點。但該時間同步方式需要在GPS信號好的場景使用，對工作環(huán)境有較高的要求。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步

3.1 基于參照廣播的時間同步（RBS）

2002年J.Elson提出了RBS算法[1]，是一種接受者模式的時間同步算法。在RBS算法中，中間節(jié)點周期性的連續(xù)不斷的向鄰近的節(jié)點廣播beacon消息，節(jié)點會通過接收到的時間信息與自身的本地時間相比較，然后通過計算時間差來校對時間。同時各個節(jié)點互相發(fā)送信息，交換各自所記錄的時間，從而計算出偏差量，再通過計算對本地時鐘進行調(diào)整，最終獲得了時間同步。這種算法優(yōu)點是精度高，在一定條件下可以忽略處理延時，適用于商業(yè)設(shè)備。缺點是在傳遞時間的信息中附加信息較多，較為復(fù)雜，并且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點個數(shù)增多時，負載過大，影響算法的進行。

3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步算法（TPSN）

2003年Ganerwal提出了TPSN算法[2]，此算法采用了成對同步方式。該算法時間同步的達成有兩個步驟。第一個步驟是層次發(fā)現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點都將獲得一個層次號。首先選取一個節(jié)點作為根節(jié)點，根節(jié)點的層次號為0。然后由根節(jié)點發(fā)出一個包，包內(nèi)包含發(fā)送者標(biāo)識和層次號，鄰近的節(jié)點第一個接收到包，以1作為自己的層次號。再由1在發(fā)送包，以此類推直至每個節(jié)點都有自身的層次號。第二個步驟是同步階段，0層與1層進行成對同步，后面n層與n+1層成對同步，最終使整個傳感器網(wǎng)絡(luò)都與根節(jié)點同步。TPSN算法比RBS算法具有更高的經(jīng)度，其誤差主要在于根節(jié)點之間的跳數(shù)。并且TPSN算法更加便于傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓展，但如果網(wǎng)絡(luò)中有節(jié)點損壞，則必須要求重新進行前兩個步驟，大大增加了計算與開銷。

3.3 LTS算法

LTS算法是由J.Greunen提出的[3]，此算法是通過降低精度從而減小時間同步的復(fù)雜程度并減小能量開銷。一共有兩種算法，其一為集中算法，先需要構(gòu)成包括所有節(jié)點的低深度的生成樹，根節(jié)點和鄰近子節(jié)點進行成對同步，之后這些子節(jié)點又和自己的子節(jié)點成對同步，直至生成樹所有的葉節(jié)點均同步。第二種算法是多跳算法，每個節(jié)點都可以發(fā)出自己的時間請求，直接達到根節(jié)點并不利用樹結(jié)構(gòu)，根節(jié)點到發(fā)出請求節(jié)點的路徑上的所有節(jié)點都會被動的時間同步。如果請求節(jié)點鄰近節(jié)點有所需求的信息，則直接從鄰近節(jié)點獲取。此種算法對能量要求較低，但精度不如TPSN算法。

4 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPS系統(tǒng)的時間同步系統(tǒng)

在一些居民場所或公共場所（如學(xué)校、火車站）內(nèi)，空間尺度較大，但同時會有充足的能量的供應(yīng)，傳感器能源供應(yīng)基本無限制。如果單單運用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)難度較大且成本較高。而這些場所可以接受到GPS信號，但有些地方的GPS信號較弱，無法正常進行時間同步。故采用了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與GPS系統(tǒng)互補進行時間同步。

在各個節(jié)點中，同時配置GPS時間同步和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步兩套裝置，使其在GPS信號接收強時可以通過GPS來精確對時達到同步，當(dāng)GPS信號弱或無法接收到GPS信號時，迅速的轉(zhuǎn)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行時間同步。該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPS系統(tǒng)的時間同步系統(tǒng)

因為GPS時間同步系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步系統(tǒng)的互補，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)授時方式更加靈活便利，不單單限制于一種授時方式。兩種時間同步方式優(yōu)點結(jié)合，提升了整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)授時系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。該時間同步方式適用于相對封閉的建筑物內(nèi)，如火車站、公司大樓和學(xué)校等具有能保證一定能量供應(yīng)、空間較大和結(jié)構(gòu)復(fù)雜特點的場所。

5 結(jié)束語

在各個應(yīng)用領(lǐng)域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都可作為系統(tǒng)獲取外界信息的基本手段，而時間同步是其重要的技術(shù)支撐手段。本文對傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步方式進行介紹，又著重介紹了目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步方法，比照分析了各無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步方法的優(yōu)劣勢。最后采用GPS授時與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部授時相結(jié)合的方式對對特定應(yīng)用場合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步系統(tǒng)進行了架構(gòu)設(shè)計，該架構(gòu)在空間尺度大且能量供應(yīng)充足的場所具有相應(yīng)的優(yōu)勢。