關于無線傳感器網絡的時間同步技術研究

袁頌岳

（桂林信息科技學院 電子工程學院 廣西 桂林 541004）

1 引言

無線傳感器是互聯網技術領域當中的核心技術之一，關于其自身的發展和研究也受到國內外研究人員的極大關注和重視。無線傳感器通過多學科知識及技術的融合而來，可以通過多類別的集成化微型傳感器節點共同實現感知、采集和檢測，最終實現對信息的處置。分布式空間節點共同構成傳感器網絡，并且各個節點都設置多個傳感器和控制單元，并且在軍事、生態環境治理、醫療、家具生活等多個方面獲得普遍的運用。而時間同步技術作為無線傳感器的核心技術，對傳感器穩定運行產生極大的影響。由于無線傳感器運用的多元化導致對時間同步技術提出了更高的標準。下文就對無線傳感器網絡、時間同步技術的概念以及優化策略展開簡要探討。

2 無線傳感器網絡

無線傳感器網絡得益于我國科學技術的快速發展，從而在許多領域中都得到了廣泛的應用和推廣，尤其是推動軍事、智能交通、環境監測以及醫療衛生等實現融合發展，提供便民服務，進一步滿足現代化社會經濟發展和需求。加強對無線傳感器網絡的研究，有助于推動檢查和感知世界相關技術的進步，完成對信息數據的全面檢測和收集，也能夠加強對數據信息的應用

2.1 無線傳感器網絡概述

無線傳感器是由監測區內的體積微小傳感器節點組成的一支無線多跳的網絡系統，每個節點都有傳感器、數據處理、無線通訊電源模塊構成，借助節點內不同作用和類型的傳感器能夠高效測量周邊環境中的不同信號以及周圍濕度、溫度、壓強等物理現象。運用好無線傳感器，能夠完成較高質量的信息采集及處理任務。

隨著微電子和無線通訊技術的高速發展，多功能傳感器也逐漸成為生活生產中必不可少的組成部分，無線傳感器網絡也因為自身低成本、低消耗、大規模的優勢將繼續對人類生活產生巨大影響。在影響人類未來生活的十大新興技術中，無線傳感器網絡位居榜首。借助無線傳感器網絡能夠開展數據采集、處理和傳輸的環節，通過對傳輸網絡覆蓋地區內部的對象的感知和檢測，獲取被感知對象的各項信息，并且將這些信息進行歸納整理之后發給能夠連接網絡的所有者和使用者，通過這種方式，也能夠實現對各種環境參數的檢測，比如：電磁、溫度、濕度、壓力等，也可以捕捉到物體移動的方向和速度，周圍環境中各種多變的現象都可以被獲取，從而在許多領域中都具有十分重要的應用意義。總的來說，傳感器網絡的發展歷程可以分為傳感器→無線傳感器→無線傳感器網絡三個發展階段。

2.2 無線傳感器網絡結構特點

傳統的無線網絡一般是通過無線信道傳輸數據進行通信節點，只負責數據分組和轉發。在高移動環境當中也可以將網絡利用最大化，保障服務質量。目前所使用的無線傳感器網絡主要具備以下特點：

大規模網絡：大規模網絡主要指的是傳感器節點分布在很大的一片地理區域當中，可以利用傳感器網絡進行環境監測或者是預防火災。另外也可以是傳感器部署比較密集在相對較小的面積區域內放置大量傳感器加強監測，保證信息可靠性。

自組織網絡：在無線傳感器網絡當中所有節點的地位是相等的，沒有指定的中心，各節點通過分布式算法來進行相互協調工作，在無人值守的前提下，節點也能夠組織起一個完善的監測網絡體系，這也就代表無線傳感網絡本身具有較強的自組織能力，可以進行自動配置和管理。

多跳路由：由于自身能量受限，在無線傳輸過程中是有距離限制的，距離限制一般在幾百米之內，只有兩個相近的節點才能夠實現信息直接傳輸。所以在沒有節點覆蓋的地方是無法進行數據傳輸的，只能依靠其他節點進行傳輸。但是在采用多跳路由時，可以由多個普通節點完成數據傳輸，多跳路由是由網絡普通節點完成的，并不需要設置專門的設備，網絡傳感器既能夠進行數據傳輸也可以對數據進行轉發，實現數據的高效率傳輸。

動態性網絡：當傳感器節點出現問題時或者人為增加節點，網絡結構也會隨著節點數量的增加或減少而產生動態變化，這就需要整個網絡體系具有一定的適應能力以及較高的動態系統可重構特點。

以數據為中心：無線傳感器網絡屬于一個任務型網絡，在用戶查詢網絡事件時，需要將所有信息進行傳輸并匯報給用戶。通過感知客觀物理世界，獲取用戶所關心的信息量，從而將所獲得的具體的指定事件的信息匯報給相關用戶，從而能夠更好地滿足用戶的需求，也能夠進一步延長網絡的使用壽命。所以無線傳感器網絡主要是基于數據本身為中心的一種功能性網絡體系。

3 無線傳感器時間同步的重要性

時間同步是無線傳感器運行過程中提供時間基準的主要過程，任何分布式網絡都需要重視時間同步技術。只有無線傳感器網絡的時間同步，各節點才能夠協同完成工作，準確地進行信息采集和傳輸。

3.1 數據融合

在分布式網絡當中數據融合是一個非常重要的過程，各節點需要對區域內數據進行收集，并根據數據時間發生的信息進行時間截標記，如果各節點不能夠保持良好的時間同步就不能夠使數據進行有效融合，因此時間同步對無線傳感器網絡的數據處理以及傳輸都有著非常重要的影響意義，直接決定了數據的準確性和有效性。從這個角度來看，傳感器網絡本身就是以數據為中心的網絡，基于統一的網絡通信協議，采用更加符合人類自然語言交流的方式，將獲得的指定事件的信息匯報給相關用戶，通過這種方式，能夠及時將用戶所關心的事件通告和傳達給網絡，進而有效跟蹤數據動態。

3.2 傳輸調度

調度協議是基于時間同步產生的，比如在分布式網絡當中使用的通信方案，DTMA只適用于同步網絡。節點與上層節點的通訊過程需要在該節點被分配到傳輸時隙中完成，如果本地節點的時間出現偏差，就有可能與其他節點發生碰撞，引起信息丟失，所以在分布式網絡當中，傳感器節點必須要保障統一的時間基準。所跟蹤的目標信息可能出現在各個位置，伴隨著其不斷移動而出現在任何地方，用戶所關心的只有自己的目標信息的時間和具體位置，并不在意監測到目標的節點，但無線傳感器網絡就是由不同的節點提供具體的目標信息。

3.3 能量管理

由于傳感器一般體積較小，有自身攜帶的小型電池進行電量供給，在網絡部署之后使用期限內很難對傳感器進行電池維護更換。受電池容量的影響，節點必須要做到能量節省延長使用壽命，因此在節點空閑或休眠狀態當中會進行智能能量管理，降低消耗功率。加強對所移動的目標的位置的監測，實現短時間內對數據的整理、分析和傳輸，所消耗的成本是比較低的，而且能夠借助集成化處理的方式，為各個節點實現其功能提供了便利的條件，從而有助于降低所消耗的功率，實現高精度識別和檢測。

4 時間同步

4.1 同步協議分類

時間同步可理解為網絡節點中節點時鐘顯示相同的時間，實際上時間同步也有很多類型，以適應不同的需求和環境。

長期同步：長期同步可分為持續性同步和響應式同步，長期同步需要保持所有時刻到時鐘同步，不管任何時間各節點都需要保持同步。但是這種情況在無線傳感器網絡應用過程中屬于一種浪費行為，如果事件不頻繁發生，那么在空閑時期維護網絡時鐘同步的資源就會被白白浪費。另外一種響應是同步，可以在事件發生時生效同步算法，這也就避免了在不需要運行的時候出現的浪費問題。

速率同步：所謂速率同步指的是各個節點在測量后得出的時間間隔相等。

內同步和外同步：在WSNs網絡體系當中形成全網一致的是內同步，與UTC一致的為外同步，一般只有在外界其他系統或數據存檔過程中才需要使用外同步。

接收者同步：接收者同步指的是發送者在數據中嵌入發送時間，而接收者接收后需要記錄接收時間，利用這些時間計算雙方收發的時鐘偏移，進而達到時鐘同步的目的。

4.2 時間同步誤差來源

對本地物理時鐘的頻率進行估算可以發現同步信息時間誤差主要包括以下幾個方面：

發送時延：在操作系統和當前系統負載的影響之下，網絡層到鏈路層會出現發送時延的問題。

接入時延：受網絡流量影響，鏈路層協議等待信道空閑的時間就屬于時延。

傳送時延：由于包長和發送速度的影響，在物理層發送數據包的過程中也會出現傳送時延的問題。

傳播時延：在無線環境影響下距離，電磁波速度也會導致數據在鏈路傳輸過程中出現時延。

接收時延：與發送時延相關，在接受數據包時，因發送時延導致接收時延。

接收處理時延：在節點接收信息之后，需要對該信息進行處理，而處理時間與節點處理能力有關，若節點處理能力較差，就會導致接收處理時延。

5 高效率時間同步技術改進

5.1 改進算法

時間同步一般是在檢測到感興趣的事件后，節點進行同步，而不是進行長期同步。此概念在2002年提出之后在該領域中引起了廣泛的關注，至今已經形成多種時間同步算法，在能量需求、基礎設施配備以及其他方面都提出了不同的需求。而ARBS時間同步需要在大范圍內進行，可以借助評估算法獲得多個節點的時間偏差，為了在此過程中降低能耗，滿足一定的同步精度需要進行協議改進，在監測到事件發生后，各節點發出時間同步請求，只要在節點信息傳輸路徑上實現時間同步即可，其余沒有事件發生的節點在接受到同步信息后，需要判斷時鐘是否保持在誤差范圍之內。

RBS、TPSN、FTPS都屬于耗能較低的時間同步協議，但是缺乏同步精準度。因此可采用單項報文傳輸來實現兩個節點之間的同步接收。節點測量數據分組后從發送節點到接收節點單向傳輸，運用分組中的MAC層加上時間標記計算時鐘偏差，并根據偏差來調整本地時鐘。

在算法改進之后，兩個節點的同步精度與DMTS算法類似，也就是說采用這一算法，時間同步精度完全取決于節點對時間偏差的測量精度。

根據網絡中是部分還是全部節點時間同步進行劃分，可以將其分為全網同步和局部同步兩類型，局部同步只需要部分與用戶所關注的事件相關節點時間同步即可，并不需要網絡中全部節點都同步。由于這一同步過程屬于局部同步，除了強制同步的廣播信息之外，節點在接收到節點發送的同步分組時，可以根據本地時鐘參照時鐘偏差并決定是否要繼續同步，因此節省了不必要的能量耗損，也降低了算法的復雜度。

5.2 螢火蟲同步

在傳統的同步協議當中，由于多個原因影響會導致同步時間出現偏差，而螢火蟲同步技術不同于傳統同步協議，螢火蟲的閃光節奏由內部的振子控制，也是一種全新的同步機制，每個節點通過進行不停的信號接收與發送，并改變其他節點的節奏，從而實現時鐘同步。

該協議不需要以報文的方式進行時間同步，可通過物理層直接使用硬件實現時間同步。而且同步精準度并不會受到MAC延遲或協議處理的影響，也不會加重處理器的負擔。另外由于該協議對任何信號的同步以及處理方法相同，不會受到同步信號的影響，因此在使用過程中具有較高的擴展性和網絡動態變化能力，很少會因為外界因素影響時間同步。而且螢火蟲同步技術的同步機制十分簡單，在同步過程中不需要儲存任何時間信息，只要求每個節點具有相似性，并在這一機制之下形成同步網絡，并通過多節點的運行，實現時間同步。

所以螢火蟲同步協議相比起傳統的同步技術更有優勢，也可以解決多節點運行過程中存在的時間偏差問題，可以有效保障信息獲取處理的精準度和有效性。通過增加單位空間內部的測試節點的總數，從而進一步擴大節點的分布范圍，優于傳統無線網絡的網絡規模，以這種方式進一步提高測試的精準度。

5.3 協作同步技術

在無線傳感器網絡運行過程中，假設節點密度較高且存在固定傳播延遲問題。節點的時間模型為速度恒定模型與假設條件存在一定差距，這就需要解決大規模節點出現的網絡時間同步問題。

受到各個節點傳輸功率的影響，節點報文無法傳輸到較遠的節點當中，但是只要在同一路徑上放置多個節點就可以進行遠距離傳輸。因此可以了解到雖然單一節點的發送功率不足，但是可以在與其他節點的協同之下，使得信息傳輸更遠更加高效。想要真正實現遠程時間信息同步，就必須要采用協同同步技術來建立分布式網絡體系。通過這種方式能夠降低用戶彼此之間的干擾，提高多用戶通信和溝通的效率，實現對資源和信息的最大化利用，操作需求較為簡單。

隨著微科技的發展，協作同步技術也可以在原本的多節點協同之上進行改進創新，考慮到無線傳感器網絡同步算法運行時能量消耗與同步進度很難同時實現，因此可以運用一種全新的時鐘同步算法，指的是在事件觸發算法之后，節點向根發出同步請求，該路徑上的也需要進行同步，這樣就可以很好地避免沒有必要的分組同步耗損能源，還能夠很好地控制時鐘，誤差保障時鐘誤差在合理范圍之內，從而實現小周期、高效率的時間節點同步。上行協作主要是利用通信網絡中的協作伙伴，不僅能夠負責自己的信息之間的傳送，也可以幫助協作伙伴進行信息的傳送，這樣就能夠構建與協作伙伴之間的空間信道，用來進行資源和信息的溝通交流，也能夠獲得一定的空間分集增益。下行協作主要利用基站間協作的傳輸技術來提高系統的總體容量，有助于改善傳統通信網絡的覆蓋領域，也能夠進一步緩解小區之間的干擾，提高用戶數據傳輸的速率，通過抑制多用戶之間信號的干擾，而實現多用戶通信的需求，借助協作通信能夠形成統一的信號調度。有助于實現對資源的優化利用，進一步改善頻譜效率，也能夠以靈活的方式進行資源管理，從而提高整個系統的功率利用效率。這對于無線傳感器網絡今后的改善和應用來說都具有重要的作用。

6 結語

無線傳感器網絡在多個領域都有十分重要的應用價值，但是在實際應用過程中無法忽視始終同步以及能源耗損的問題，解決這些問題可以更好地提高無線傳感器網絡的應用效率，更加高效地進行數據收集處理。在進行相關研究之后，也可以發現將傳統的時鐘同步技術與其他技術有效融合，可以實現良好的互補作用。而且采用全新的同步算法，也能夠提高傳感器精準度，還能夠在一定程度上降低能源的損耗，提高節點的使用壽命，降低維護成本。