無線傳感器網絡時鐘同步技術的研究與發展

郭震津，鄭 賓

（中北大學 電氣與控制工程學院，太原 030051）

近年來，隨著微電子機械系統MEMS（microelectro-mechanical system）技術和微處理技術的迅速發展使傳感器技術趨于智能化，通過MEMS技術和射頻RF（radio frequency）通信技術的融合促進了無線傳感器網絡的誕生，為物聯網的發展奠定基礎[1]。時鐘同步技術作為無線傳感器網絡中的一項關鍵技術，已經成為眾多學者的研究熱點，該技術的應用愈加廣泛，如功率管理、節能檢測、傳輸調度、定位和跟蹤、數據融合、標記數據采集時間和安全協議等，都必須保證網絡節點的時鐘保持一致。因此研究無線傳感器網絡的時鐘同步技術具有重大意義。在此，通過參閱大量文獻，歸納并總結了無線傳感器網絡時鐘同步技術的研究現狀，提出了未來的發展方向。

1 WSN及時鐘同步技術的概念

1.1 無線傳感器網絡

通常將無線傳感器網絡定義為以協作方式工作的節點網絡，這些節點使用傳感器來感知和控制周圍的環境并通過無線進行通信[2]。一個典型的無線傳感器網絡WSN（wireless sensor network）架構由3部分組成，即傳感器節點、匯聚節點（網關）、監控中心（任務管理器）。傳感器節點和匯聚節點構成傳感器場，匯聚節點與用戶通過互聯網相互連接。無線傳感器網絡的基本框架如圖1所示。

圖1 無線傳感器網絡的基本框架Fig.1 Basic framework of wireless sensor networks

每個傳感器節點通常由傳感器、CPU、無線單元和電源組成。通過傳感器實現對周圍環境數據（如溫度、濕度、壓力、熱量和振動）的監測，完成監控和傳感過程后，在CPU中完成必要的計算，最后通過節點間的無線信道將計算后的數據通過無線單元傳輸到匯聚節點，進而將采集到的數據發送到用戶。無線傳感器網絡的節點結構如圖2所示。

圖2 無線傳感器網絡的節點結構Fig.2 Node structure of wireless sensor network

無線傳感器網絡節點的核心部分是傳感器，傳感器將光、熱、聲等環境變量轉換成電信號?？茖W技術的進步使傳感器在日常生活中得到廣泛使用，典型的有溫度、振動和濕度3種傳感器。

無線傳感器網絡是節點的集合，每個節點都是獨立的小型計算機。這些微型設備協同工作，形成集中的網絡系統。網絡對節點的使用有一定的要求如效率、多功能性和無線性。在WSN中，數據采集和傳輸分為4個步驟：采集數據、處理數據、打包數據和傳輸數據。這些工作通常由低功耗、短距離的無線通信模塊來完成，常用的有Chipcon公司的CC1010，CC2420 等。

匯聚節點即網關，允許系統管理員將節點連接到個人計算機PC（personal computer）。網關可以處于主動、被動和混合3種不同的狀態。主動網關允許節點將數據主動發送到網關服務器；被動網關只能向傳感器節點發送請求來發送數據；混合網關是這2種網關的組合，可以在2種狀態下運行。

任務管理器通過互聯網連接到網關。任務管理器包括2個部分：客戶端瀏覽、處理數據和數據服務。任務管理器可以看作是一個信息處理和檢索平臺，存儲傳感器采集到的所有數據。用戶和管理員可以使用一個接口在本地和遠程獲取并分析這些數據。

1.2 無線傳感器網絡時鐘同步技術

時鐘同步技術是無線傳感器網絡中的一項關鍵技術，在眾多WSN應用中扮演著重要的角色。無線傳感器網絡是一種分布式無線網絡，在分布式無線網絡中，傳感器節點可以與其選擇的參考時鐘定期地交互時間信息并相應地調節其邏輯時鐘。網絡中影響時鐘同步精度的因素有很多，主要包括主從時鐘頻率不一致、時間戳精度和系統延時等[3]，其中影響最大的是主從時鐘頻率的一致性。由于晶體振蕩器的頻率受初始制造公差、老化程度、溫度和壓強等因素的影響，會引起頻率漂移從而影響時鐘同步精度。因此，傳感器節點時鐘必須定期進行同步，才能互相協作完成相應的任務[4]。

時鐘同步是為分布式系統提供一個時間基準的過程，在大多數無線傳感器網絡的應用中扮演著至關重要的角色。其重要性如下：

1）數據融合 作為WSN中的一個主要操作，數據融合將處理和集成來自不同節點的數據，所以它需要網絡中所有節點共享一個時間基準。

2）功率管理 量效率是無線傳感器網絡設計中的一個重要因素。傳感器節點的節能操作主要取決于時鐘同步，節能效果正比于同步精度。

3）傳輸調度 在WSN中最流行的多址方案是時分多址 TDMA（time division multiple access）。為構成低能量TDMA無線調度需要高精度的時鐘同步。

4）節點定位 常用的節點定位算法需要測量定位信號的收發時間差，應保證較高的時鐘同步精度。

2 WSN中時鐘同步技術面臨的問題

（1）時鐘同步的不確定性

無線傳感器網絡中節點的本地時鐘計時是通過晶振的計數中斷實現的。在實際工程中，晶振的頻率會隨時間緩慢漂移從而導致節點之間的本地時鐘不同步。即使各個節點在某個時刻實現時鐘同步，但由于環境溫度、電磁干擾等的影響會導致各個節點的時鐘產生偏差。影響時鐘同步的主要因素是同步消息在網絡中的傳輸延遲。目前，對時鐘同步技術的研究，主要集中在補償傳輸延遲進而提高同步精度上，傳輸延遲每個部分的時延大小以及特性見表1。

表1 傳輸延遲的主要組成、大小及特性Tab.1 Main components，sizes and characteristics of the transmission delay

（2）功耗

無線傳感器網絡節點有體積小、功耗低的特點，通常節點采用能量有限的電池供電。由于傳感器節點的能量有限，為了減少功耗，應適當延長同步周期，使網絡時鐘同步的交換信息盡量減少。所以，在選擇時鐘同步機制時，應均勻使用節點的能量從而實現能量的高效使用。在能量受到約束的情況下，實現低功耗、高精度的時鐘同步將成為未來學者的研究熱點。

（3）可擴展性

大型無線傳感器網絡應用中包含成千上萬個傳感器節點，網絡部署的地理范圍和網絡節點密度都不盡相同，節點隨機分布但通常分布密度不均勻，這些因素都會影響同步效率[5]。因此，設計時鐘同步算法時，必須保證良好的可擴展性以適應節點密度的變化。

（4）魯棒性

由于無線傳感器網絡通常應用在野外軍事基地等一些環境十分惡劣的條件下，惡劣的現場環境會對無線鏈路造成巨大干擾。因此，傳感器節點容易遭受許多惡意攻擊，造成傳感器節點失效。只有讓同步算法具有非常好的魯棒性，才能避免丟包、節點故障以及噪聲等情況的出現，進而確保在惡劣環境中節點的同步效果。

3 WSN時鐘同步技術研究現狀

為了在不同環境中實現較高精度的時鐘同步，國內外學者提出了許多經典時鐘同步算法。

3.1 經典時鐘同步算法

3.1.1 成對同步

（1）TPSN 算法

文獻[6]所提出的傳感器網絡定時同步TPSN（timing-sync protocol for sensor network）算法，采用發送端—接收端同步的方式進行信息的雙向交換，實現兩節點間的同步，如圖3所示。

圖3 TPSN雙向報文交換機制Fig.3 TPSN two-way message exchange mechanism

該算法的執行包含2個操作階段——同步階段和層次發現階段[7]。在層次發現階段，WSN以樹形展開；在同步階段進行節點間的成對報文交換。全局同步依靠雙向報文來估計消息的傳輸延遲，當雙向報文傳輸延遲很短時可得到較高的同步精度。

應用TPSN算法的優點在于，其復雜度低，能在大規模網絡中實現全網時鐘同步，但功耗大、穩定性差等不足限制了其更廣泛的應用。目前已有研究人員針對算法穩定性不足的缺點進行了改進，提出了一種同時校正時鐘相偏和時鐘偏移的方案，以保證TPSN算法的長期穩定。

另外，自適應多跳時間同步AMTS（adaptive multi-hop time synchronization）算法，在時間信息交換延遲較大的傳感器網絡中取得廣泛應用，例如水下聲納傳感器網絡[8]。

（2）RBS 算法

文獻[9]所提出的參考廣播同步RBS（reference broadcast synchronization）算法，是一種基于接收者-接收者的同步方法。該算法利用無線信道的廣播特性，由參考節點廣播同步消息，各節點接收此同步消息后與自身本地時鐘記錄的時間信息進行交換，通過計算出兩者的時鐘偏差以實現時鐘同步。RBS算法基本原理如圖4所示。

圖4 RBS算法基本原理Fig.4 Basic principles of RBS algorithm

該算法最大的優點在于，通過比較2個節點收到相同分組的時間戳來消除發送端的時延不確定性。但RBS算法必須有廣播介質，對于大型網絡或多跳網絡來說會產生極大地通信開銷，最終導致較大的同步誤差。針對RBS算法的不足，文獻[10]提出一種自適應RBS同步機制，解決了多跳網絡中的節點間需要大量交換時間信息的問題。

（3）Tiny-Sync和 Mini-Sync算法

Tiny-Sync和Mini-Sync是2種計算較為簡單的同步算法，后者為前者的延伸。它們都采用雙向信息交換機制多次發送探測消息，最終利用線性回歸方法估算2個節點間的時鐘頻偏和相偏，在保證同步精度的同時降低了通信開銷。但這2種算法對于存儲和計算能力有限的傳感器節點并不適用，無法在無線傳感器網絡中保證時鐘同步精度。

（4）FTSP 算法

泛時間同步FTSP（flooding time synchronization protocol）算法，利用單個廣播信息來建立發送端和接收端的同步，采用線性回歸的方法擬合回歸曲線。這樣雖然可以實現對時鐘頻偏和相偏的估計，進而達到較高的時鐘同步精度。但FTSP算法對出現誤差的數據十分敏感，只要有一個數據出現錯誤就會導致估計結果的失真，無法滿足容錯率較低的環境。

同步間隔時間的長短會影響同步開銷。在此，針對上述經典同步算法，對其時間同步開銷情況進行對比分析。假定同步廣播域內有一個根節點、n個子節點，設定TPSN，RBS，Mini-Sync和FTSP單跳同步均需要K個包以完成線性擬合，不同算法時間同步的開銷見表2。由于晶振可在一定時間內保持穩定，TPSN算法的時間同步開銷較小，其他算法都估計了晶振的頻移，延長同步間隔時間，產生了較大的同步開銷。

表2 不同算法時間同步的開銷Tab.2 Cost of time synchronization of different algorithms

3.1.2 全網同步

目前在全網中取得時鐘同步的算法有很多種。其中，基于樹形結構的輕量同步LTS（lightweight tree-based synchronization）算法，是一種低復雜度時鐘同步算法，分別應用于集中式多跳網絡和分布式多跳網絡。LTS算法的核心理念是使用盡可能小的算法復雜度去實現所需同步精度，但局限性在于可實現的同步精度相對較低。

時間擴散協議 TDP（time diffusion protocol）可使無線傳感器網絡達到一個網絡平衡時間[11]。試驗表明TDP協議可使全網的時鐘收斂到某個特定值。

異步擴散協議ADP（asynchronous diffusion protocol）依靠節點間精確地交換時鐘信息和處理，就可以實現全網的時鐘同步，然而消息時延和節點移動性等因素會造成ADP算法在實際無線網絡中的實現較為困難。

3.2 IEEE 1588協議及其WSN時鐘同步技術

通過分析上述算法可知：想要在WSN環境下實現時鐘同步存在許多難題，如算法復雜度、能量、成本、同步精度、穩定性等，因此尋找一種適合應用在無線網絡中的高精度時鐘同步算法成為亟待解決的問題。近幾年，隨著國內外相關研究工作的開展，將IEEE 1588協議應用于無線傳感器網絡環境中已成為一個新穎的研究熱點。

3.2.1 關于IEEE 1588協議

2002年發布的IEEE 1588協議，為網絡測控系統的精確時鐘同步標準，其基本原理是周期性地交換報文信息以實現網絡中各節點的時鐘同步[12]，如圖5所示。

IEEE 1588協議廣泛應用于分布式有線網絡中，算法較簡單并且對帶寬的要求非常低，同步精度最高可達ns級。由于無線網絡的不對稱鏈路特性，會影響協議的時鐘同步精度，造成IEEE 1588協議在無線傳感器網絡中的應用存在一些困難，限制其在無線網絡環境下的發展。對此眾多國內外學者已經做了相關探索研究。

圖5 IEEE 1588協議基本原理Fig.5 Basic principles of the IEEE 1588 protocol

3.2.2 應用于WSN的探索與研究

為了使IEEE 1588協議在無線傳感器網絡應用中實現高精度的時鐘同步，相關研究多集中在使用卡爾曼濾波算法對時間同步過程進行優化上。卡爾曼濾波器主要針對時變線性系統，實時性高且存儲量小，在處理動態數據問題時表現出很高的性能[13]。由于各節點在報文信息傳輸過程中易引入噪聲，卡爾曼濾波器通過建立輸入輸出的狀態方程，利用當前時刻的測量值和上一時刻的狀態變量值，對當前的狀態變量進行估計，并采用最小均方誤差準則進行濾波，實質是通過測量值重構得到系統狀態向量的過程。使用卡爾曼濾波算法抑制觀測噪聲，最終實現提高無線傳感器網絡時鐘同步精度的目的。

使用卡爾曼濾波算法得到相對精確的雙向時延后，研究人員為使從時鐘盡可能高精度地跟蹤主時鐘，設計出功能強大的時鐘伺服系統已成為必然趨勢。伺服時鐘系統定期修正時鐘，以盡可能減小時鐘偏移量和時鐘偏移率，當修正值越發接近標準值時，可獲得很高的時鐘同步精度。

國外的研究側重于采用有線與無線相結合的方式提高時鐘同步精度；在國內如西南大學和電子科技大學，在伺服時鐘系統的優化設計和IEEE 1588仿真建模方面的研究已非常成熟，推動了IEEE 1588協議在無線傳感器網絡中的發展。

3.2.3 在WSN中的發展方向

目前，IEEE 1588協議應用于無線傳感器網絡中的研究主要集中在軟件設計上，然而軟件算法提高時鐘同步精度的效果并不明顯，最高只能達到μs級。另外，國內外學者尚未開發出支持IEEE 1588協議的無線通訊芯片，無法在硬件上予以支持。

通過分析IEEE 1588協議在分布式有線網絡中的應用可了解到：采取軟硬件結合的方法實現IEEE 1588協議可以獲得ns級的時鐘同步精度。因此，在無線傳感器網絡中，采取軟硬件結合的方法來實現IEEE 1588協議，成為一個新的思路。

隨著研究的進一步深入，研發出在硬件上支持IEEE 1588協議的無線通訊芯片指日可待。使用此類芯片可實現硬件標記時間戳，極大地縮減了消息包傳輸時間，進而減小外界環境對同步精度的影響，而在軟件上使用合適的濾波算法對時偏和頻偏的進行估計，可以減少噪聲、傳輸時延等不確定性誤差的影響，最終軟硬件配合完成IEEE 1588消息傳遞，得到較高的時鐘同步精度。

4 結語

IEEE 1588協議，比起其他時鐘同步算法，在無線傳感器網絡的應用中更具備優勢，雖然在該領域的研究還處于起步階段，但其廣闊的前景值得學者去不斷探索研究。時鐘同步技術是WSN中的核心技術，實現高精度的時鐘同步將對WSN相關應用的發展起到推動作用。