史志軍

【摘要】本文主要圍繞著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步問題展開分析，具體分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系的基本原理和和體系結(jié)構(gòu)，進而分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同

步優(yōu)化的一些算法和新技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】無線傳感器；網(wǎng)絡(luò)時間；同步；算法

一、前言

目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步問題已經(jīng)備受關(guān)注，經(jīng)過了多年的研究，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的算法已經(jīng)得到了優(yōu)化，為了能夠進一步提升無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的效果，需要再次深入研究其優(yōu)化方法。

二、無線傳感網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

1.傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點以無線多跳通信方式形成的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其中的傳感器節(jié)點能夠協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給用戶。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最基本的組成要素是傳感器節(jié)點，它由數(shù)據(jù)采集單元、處理器單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和能量供應(yīng)單元四部分組成。

數(shù)據(jù)采集單元負責監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，借助形式多樣的傳感部件，傳感器節(jié)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(jié)點的操作、存儲和處理數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)傳輸單元負責與其他傳感器節(jié)點交換控制信息和傳輸采集到的數(shù)據(jù)信息。能量供應(yīng)單元為傳感器節(jié)點各部件提供運行所需的能量，通常采用微型電池。

2.網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和管理節(jié)點。大量傳感器節(jié)點隨即部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，以自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以不同的路由方式沿著其他傳感器節(jié)點逐跳傳輸，在傳輸?shù)倪^程中，可能被多個節(jié)點處理，然后傳輸?shù)絽R聚節(jié)點。最后，通過互聯(lián)網(wǎng)或者衛(wèi)星到達管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡(luò)進行配置和管理。

3.無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

與傳統(tǒng)無線通信網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更加面向應(yīng)用，為適應(yīng)特定的應(yīng)用目標其組織和結(jié)構(gòu)在很大程度上進行了優(yōu)化，以減少系統(tǒng)開銷、提高網(wǎng)絡(luò)性能并延長網(wǎng)絡(luò)壽命。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧將信息傳輸與功耗感知相結(jié)合，將數(shù)據(jù)處理融入網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，從而可以通過無線媒體高效地交互網(wǎng)絡(luò)的功耗狀態(tài)，充分發(fā)揮節(jié)點協(xié)作的效果。

4.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般是為了某個特定的需要而設(shè)計的，有著獨特的體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)用背景，使它具有不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的諸多特點。

三、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步算法

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有無全局標識、節(jié)點較少移動、多對一通信、數(shù)據(jù)冗余大和資源受限強等特點，包括無線AdHoc網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時間同步算法已經(jīng)無法直接應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，目前已經(jīng)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(jié)點”實現(xiàn)同步的思想而提出的。該算法中，節(jié)點發(fā)送參考消息給它的相鄰節(jié)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(jié)點用作參考來對比本地時鐘。此算法并不是同步發(fā)送者和接收者，而是使接收者彼此同步。

由于RBS算法將發(fā)送者的不確定性從關(guān)鍵路徑中排除，所以獲得了比傳統(tǒng)的利用節(jié)點間雙向信息交換實現(xiàn)同步的方法較好的精確度。由于發(fā)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(shè)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(wǎng)絡(luò)整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)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(wǎng)絡(luò)，每個節(jié)點有個級別。只有一個節(jié)點定為零級，叫做根節(jié)點。在第二步，級節(jié)點與i一1級節(jié)點同步，最后所有的節(jié)點都與根節(jié)點同步，從而達到整個網(wǎng)絡(luò)的時間同步。

3.LTS算法

第一種算法是集中算法，首先要構(gòu)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(gòu)造樹狀圖使同步精度最大化，因此，最小深度的樹是最優(yōu)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(yīng)該沿著樹的枝干并行進行，這樣所有的子葉節(jié)點基本同時完成同步。在集中同步算法中，參考節(jié)點就是樹的根節(jié)點，如果需要可以進行“再同步”。通過假設(shè)時鐘漂移被限定和給出需要的精確度，參考節(jié)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(wǎng)絡(luò)的同步時間和子葉節(jié)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(jié)點。

第二種多跳ITS算法通過分布式方法實現(xiàn)全網(wǎng)范圍內(nèi)的同步。每個節(jié)點決定自己同步的時間，算法中沒有利用樹結(jié)構(gòu)。當節(jié)點i決定需要同步（利用預(yù)想得到的精確度，與參考節(jié)點的距離和時鐘漂移），它發(fā)送一個同步請求給最近的參考節(jié)點（利用現(xiàn)存的路由機制）。然后，所有沿著從參考節(jié)點到節(jié)點i的路徑的節(jié)點必須在節(jié)點i同步以前已經(jīng)同步。這個方案的優(yōu)點就是一些節(jié)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(wǎng)絡(luò)時間同步新技術(shù)

1.傳統(tǒng)時間同步協(xié)議

傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時問同步協(xié)議可分為發(fā)送眷者、接收者同步和接收者、接收者同步兩類。發(fā)送者在報文中嵌入發(fā)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(fā)雙方的時問偏移，通過對時問偏移的補償，達到收發(fā)雙方的時問同步?？梢钥闯?，發(fā)送者一接收者同步協(xié)議的關(guān)鍵路徑為從發(fā)送者應(yīng)用程序?qū)拥浇邮照邞?yīng)用程序?qū)?。TPSN（timeprotocolforsensornetworks）協(xié)是典型的發(fā)送眷接收者同步協(xié)議，它通過MAC層時問戳技術(shù)，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(fā)送臺二接收者同步協(xié)議不同，接收者-接收者同步協(xié)議的目的不是為了同步收發(fā)雙方，而是去同步多個接收者。

2.螢火蟲同步技術(shù)

與傳統(tǒng)時問同步協(xié)議相比，螢火蟲同步技術(shù)具有以下獨特的優(yōu)點：

（1）同步可直接在物理層而不需要以報文的方式實現(xiàn).直接用硬件實現(xiàn)，使得同步精度不會受到MAC延遲、協(xié)議處理與軟件實現(xiàn)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(guān)，因此其可擴展性以及適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)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(jié)點具有相似性，但這種機制在非相似節(jié)點所組成的網(wǎng)絡(luò)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(jié)束.

五、結(jié)束語

總而言之，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步是當前一個重點的課題，在研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步優(yōu)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(yōu)化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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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