游繼安，李　哲

(湖北工程學(xué)院 新技術(shù)學(xué)院，湖北 孝感 432000)

一種新的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步算法

游繼安，李哲

(湖北工程學(xué)院 新技術(shù)學(xué)院，湖北 孝感 432000)

摘要：在分析以往各種時(shí)間同步優(yōu)化算法的基礎(chǔ)上,提出一種改進(jìn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步算法。該算法主要分為三步：首先對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行篩選，排除通信有故障的節(jié)點(diǎn)，然后將全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分層以減少WSN網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，最后設(shè)計(jì)相應(yīng)的傳輸協(xié)議，利用時(shí)間同步算法對分層后的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間同步。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法不僅明顯提高了網(wǎng)絡(luò)同步時(shí)間的準(zhǔn)確度，而且減少了計(jì)算時(shí)間開銷。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò);時(shí)間同步;分層;傳輸協(xié)議

中圖分類號：TP393.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：碼：A

文章編號：號：2095-4824(2015)06-0059-07

收稿日期：2015-09-11

基金項(xiàng)目：湖北工程學(xué)院新技術(shù)學(xué)院科學(xué)研究項(xiàng)目(Hgxky12)

作者簡介：游繼安(1987-)，男，湖北孝感人，湖北工程學(xué)院新技術(shù)學(xué)院助教，碩士。

Abstract：Based on the analysis of the advantages and disadvantages of the previous various time synchronization algorithms, an improved WSN time synchronization algorithm is proposed. The newly proposed algorithm is divided into three steps. First, the fault nodes are excluded from the network. Second, the layering nodes in the whole network are conducted to reduce the complexity of the WSN. Finally the corresponding transmission protocol is designed for time synchronization of layered nodes. Experimental results showed that the proposed algorithm significantly improved the network synchronization time and reduced the computational cost at the same time.

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSN)的研究起源于越戰(zhàn)，主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，直到“911事件”后，才迎來了WSN的飛速發(fā)展。目前，無線傳感網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、太空探索以及軍事等諸多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[1-2]。

WSN主要包括傳感器，微控制器以及網(wǎng)絡(luò)通信三個(gè)部分。以上三部分中，傳感器與微控制器在市場上的應(yīng)用相對來說比較成熟。只有網(wǎng)絡(luò)通信這一部分有較大的研究空間。確切地說，決定一個(gè)WSN系統(tǒng)的優(yōu)劣并不取決于WSN的硬件配置，而是網(wǎng)絡(luò)通信算法現(xiàn)階段。WSN通信主要存在能量受限、擴(kuò)展性、魯棒性、精確性以及收斂性等問題，而在以上問題中，時(shí)間一致性是眾多問題中最基礎(chǔ)的問題之一。

常規(guī)的時(shí)間同步方法分為兩步。第一步是對每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)的時(shí)間進(jìn)行同步，該同步方法稱為時(shí)間比對。目前，常規(guī)的時(shí)間比對系統(tǒng)主要有以下六類：(1)GPS[3]；(2)GLONASS[4]；(3)中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)[5]；(4)電視時(shí)鐘系統(tǒng)[6]；(5)OMEGA系統(tǒng)[7]；(6)羅蘭——C導(dǎo)航系統(tǒng)和無線電報(bào)時(shí)系統(tǒng)[8-9]。在以上六種時(shí)間比對方法中，GPS系統(tǒng)與北斗系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛。第二步是運(yùn)用時(shí)間同步算法達(dá)到同步網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)時(shí)間的目的。對于常規(guī)的時(shí)間同步算法，應(yīng)用較為廣泛的有RBS、TPSN和FTSP等算法。

1常規(guī)的時(shí)間同步算法

1.1RBS-參考廣播時(shí)間同步協(xié)議

RBS算法是由加州大學(xué)Jeremy Elson等人于2002年提出的，是一種基于Receiver-Receiver架構(gòu)的時(shí)間同步模式。該算法中，Sender利用廣播發(fā)送消息的方式將消息發(fā)出后，兩個(gè)不同Receiver接收消息后，記錄消息中的時(shí)間和記錄接收到消息的時(shí)間，然后兩個(gè)不同Receiver交換記錄接收到消息的時(shí)間，就知道兩個(gè)Receiver間的時(shí)鐘偏移量，其中一個(gè)Receiver根據(jù)這個(gè)時(shí)間偏移量來更改自己的時(shí)間值，另一個(gè)Receiver的時(shí)間值不變。RBS的時(shí)間同步方法如圖1所示。

1.2TPSN-傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議

TPSN算法是加州大學(xué)網(wǎng)Saurabh Ganeriwal 等人于2003年提出的，該協(xié)議采用雙向成對同步方法，這種方法主要由兩個(gè)階段組成：分層階段與同步階段。首先選取一個(gè)根節(jié)點(diǎn)，并由這個(gè)根節(jié)點(diǎn)把分層數(shù)據(jù)包廣播出去，收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)確定自己的層次號后，將重新打包的數(shù)據(jù)包廣播出去，重復(fù)該過程，直到所有節(jié)點(diǎn)均已分層完畢，分層過程如圖2(a)中的第1步(虛線標(biāo)識的動作)所示。

李哲(1986-)，男，湖北漢川人，湖北工程學(xué)院新技術(shù)學(xué)院講師，博士研究生。

圖1　RBS時(shí)間同步協(xié)議的基本原理

(a)

(b)

同步階段：該階段的基本模式如圖2(b)所示，該階段的核心點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)間成對地交換帶有時(shí)間同步參數(shù)的消息，以達(dá)到時(shí)間同步的目的。該階段可以用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

(2)

上式中：δ為時(shí)間漂移，d為時(shí)間傳播延遲。

該同步方法不僅同步精度高(同步精度大約為RBS同步方法的兩倍)，而且在大型網(wǎng)絡(luò)中仍有較好的同步性能，該算法的同步誤差只取決于網(wǎng)絡(luò)中的同步跳數(shù)，與網(wǎng)絡(luò)中的總節(jié)點(diǎn)數(shù)無關(guān)，而且該算法也有較好的可擴(kuò)展性。

1.3FTSP時(shí)間同步算法

FTSP算法是由美國田納西州范德堡大學(xué)的Branislav Kusy等人于2004年提出的，其主要思想是使用單雙向結(jié)合傳播消息的方法實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步，廣播消息的形式如圖3所示。

圖3　FTSP的消息交換圖

FTSP主要的基本過程是：首先給每個(gè)節(jié)點(diǎn)規(guī)定一個(gè)全網(wǎng)唯一的ID標(biāo)志號,通過根節(jié)點(diǎn)將時(shí)間同步包sync廣播出去，收到時(shí)間同步包的節(jié)點(diǎn)根據(jù)時(shí)間同步包來同步自身的時(shí)間，同步完成后，生成一個(gè)新的時(shí)間包，并廣播出去，達(dá)到同步全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)時(shí)間的目的。同步過程如圖4所示。

圖4　FTSP中數(shù)據(jù)包經(jīng)過無線信道

如果為多跳網(wǎng)絡(luò)，則在廣播時(shí)間同步前，還需要對網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分層，然后再對所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間同步。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1改進(jìn)的時(shí)間同步算法

2.1.1算法原理

總結(jié)現(xiàn)有WSN時(shí)間同步算法的特點(diǎn)可知，當(dāng)WSN節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少且分布集中時(shí)，采用簡單的算法就可以解決時(shí)間同步問題，如RBS算法。但當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目不確定時(shí)，就需要尋求更加有效的時(shí)間同步算法。復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)通常不能一次性使所有節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步，因此，就必須對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分層，而分層較有效的一種方法是廣播消息分層法，當(dāng)WSN所有節(jié)點(diǎn)分層完后，再對WSN的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間同步。本文提出的改進(jìn)時(shí)間同步算法主要分為三個(gè)階段。

第一階段為節(jié)點(diǎn)的篩選階段。節(jié)點(diǎn)的篩選過程，主要有兩個(gè)核心點(diǎn)。第一是在制節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要核對節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)間，例如，核對節(jié)點(diǎn)規(guī)合時(shí)，規(guī)定節(jié)點(diǎn)的單次單向傳輸時(shí)間范圍在[t1，t2](t1

第二階段是對全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分層，給每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)層次號。在該階段中，所采用的分層方法是洪泛廣播方法。首先需要選取根節(jié)點(diǎn)，并規(guī)定該節(jié)點(diǎn)的層次號為0，然后由該節(jié)點(diǎn)廣播消息包，消息包主要包括該節(jié)點(diǎn)的ID號與該節(jié)點(diǎn)的層次號，收到廣播消息的節(jié)點(diǎn)取出消息包中的節(jié)點(diǎn)層次號與自身的層次號進(jìn)行對比，若是自身的層次號比該層次號小1，則將該節(jié)點(diǎn)加入下層節(jié)點(diǎn)的列表中，若自身層次號大于該層次號，則改變自身層次號令其等于該層次號加1，并記錄上層節(jié)點(diǎn)的ID。最后，將本節(jié)點(diǎn)的層次號與ID號進(jìn)行打包，并利用洪泛廣播的方式發(fā)送出去，不斷重復(fù)以上過程，直到所有節(jié)點(diǎn)都分層完畢為止。

第三階段為時(shí)間同步階段。從節(jié)點(diǎn)層次號為0的節(jié)點(diǎn)開始，逐層同步網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)，同步方法由雙向時(shí)間同步法改進(jìn)而來。首先，根節(jié)點(diǎn)從下層節(jié)點(diǎn)列表中選取一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為響應(yīng)節(jié)點(diǎn)，然后，將時(shí)間同步消息廣播出去，接收到廣播消息的節(jié)點(diǎn)利用本地時(shí)間記錄消息的接收時(shí)間，只有根節(jié)點(diǎn)指定的響應(yīng)節(jié)點(diǎn)向根節(jié)點(diǎn)返回消息，根節(jié)點(diǎn)接收到消息后，用雙向成對時(shí)間同步方法來計(jì)算時(shí)間偏移值δ、傳播延遲值d以及響應(yīng)節(jié)點(diǎn)接收到消息的時(shí)間T2。然后，由根節(jié)點(diǎn)將包含這三個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)包廣播出去，響應(yīng)節(jié)點(diǎn)根據(jù)數(shù)據(jù)包中的時(shí)間偏移值δ和傳播延遲值d來調(diào)整本地時(shí)間，廣播域內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包后，記錄接收時(shí)間T2'，由此計(jì)算出

(3)

T=t+δ'

(4)

式中：t為葉子節(jié)點(diǎn)接收消息的時(shí)間。層次號為1的節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步完成后，再由根節(jié)點(diǎn)選取第一層節(jié)點(diǎn)中的部分節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)數(shù)目的選取根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)布局決定)作為根節(jié)點(diǎn)，重復(fù)之前的動作，直到所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步完成為止。消息交換及時(shí)間標(biāo)記過程如圖5所示。

2.1.2算法流程

按上述三階段的時(shí)間同步過程，第一階段的工作需要提前完成，在網(wǎng)絡(luò)布局完成之后，再分別進(jìn)行第二階段與第三階段的工作。其工作流程圖如圖6所示。

2.1.3通信協(xié)議

根節(jié)點(diǎn)與葉子節(jié)點(diǎn)通過無線串口進(jìn)行連接，采用高級數(shù)據(jù)鏈路控制(High Level Data Link Control，HDLC)協(xié)議進(jìn)行串口通信。HDLC是一種數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，確保傳送到下一層的數(shù)據(jù)在傳輸過程中能夠準(zhǔn)確地被接收。一般來說，串口消息包括兩部分，即串口消息頭和有效載荷，沒有footer和metadata部分。完整的串口數(shù)據(jù)消息格式如圖7所示。

(c)

圖7　串口通信格式

在圖7所示的串口數(shù)據(jù)幀中，F(xiàn)占一個(gè)字節(jié)，表示幀定界符，標(biāo)識幀的開始或者結(jié)束。HDLC規(guī)定每一個(gè)數(shù)據(jù)幀都必須以0x7E作為開始和結(jié)束標(biāo)志。P占用一個(gè)字節(jié)，為TinyOS串口協(xié)議棧的協(xié)議字段(TinyOS是專門為WSN設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng))，當(dāng)該字段值等于0x44時(shí)，表示串口數(shù)據(jù)幀需要確認(rèn)，接收端收到數(shù)據(jù)幀后需要返回確認(rèn)幀。當(dāng)該字段值等于0x45時(shí)，則不需要返回確認(rèn)幀；S為序列號字段，占一個(gè)字節(jié)長度；D表示包格式類型，占一個(gè)字節(jié)格式，默認(rèn)值為0。payload的內(nèi)容即為串口消息，包括串口消息頭和有效載荷部分，串口消息頭格式如圖7所示，最大有效載荷仍然使用默認(rèn)的28個(gè)字節(jié)。CRC為兩個(gè)字節(jié)的循環(huán)校驗(yàn)碼，采用ITU-T標(biāo)準(zhǔn)CRC生成多項(xiàng)式。G_16(x) = x16+ x12+ x5+ 1，校驗(yàn)范圍從P字段開始到payload結(jié)束。

(1)下行數(shù)據(jù)。當(dāng)WSN根節(jié)點(diǎn)向葉子節(jié)點(diǎn)以洪泛廣播形式發(fā)送消息時(shí)，需要按照協(xié)議規(guī)定的格式封裝數(shù)據(jù)包，然后發(fā)送到串口。普通節(jié)點(diǎn)接收到串口數(shù)據(jù)后，按照協(xié)議進(jìn)行解包，再根據(jù)命令類型封裝成不同的數(shù)據(jù)包，然后下發(fā)到網(wǎng)絡(luò)中。普通節(jié)點(diǎn)接收到根節(jié)點(diǎn)下發(fā)的命令后，需要記錄接收信息的時(shí)間T2，并從數(shù)據(jù)包中取出根節(jié)點(diǎn)所在的網(wǎng)絡(luò)號與自身的網(wǎng)絡(luò)號進(jìn)行對比。當(dāng)串口消息頭中的type字段值等于0x14時(shí)，表示是時(shí)間同步數(shù)據(jù)包，如果值等于0x15時(shí)，表示廣播分層數(shù)據(jù)包。串口消息頭的前兩個(gè)字節(jié)為根節(jié)點(diǎn)的ID號，串口消息頭的第三、第四字節(jié)分別為包類型與分發(fā)命令類型，第五、六個(gè)字節(jié)為δ，第七、八字節(jié)為d，第九字節(jié)為層次號，TinyOS規(guī)定下行數(shù)據(jù)必須有S字段。分發(fā)命令類型01表示下行數(shù)據(jù)，02表示上行數(shù)據(jù)。包類型分為廣播分層數(shù)據(jù)包01(如圖2(a)中的第1步)與廣播時(shí)間同步數(shù)據(jù)包02(如圖2(a)中的第3步)兩種。下行數(shù)據(jù)包格式如圖8所示。

圖8　下行廣播命令串口數(shù)據(jù)包示例

(2)上行數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)分層結(jié)束后，第一層節(jié)點(diǎn)開始向?qū)哟翁枮?的根節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息，0號根節(jié)點(diǎn)接收到普通節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)后，需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行解封，然后再封裝成串口消息包發(fā)送到根節(jié)點(diǎn)。上行數(shù)據(jù)不需要確認(rèn)幀，因此P字段值為0x45。本文規(guī)定當(dāng)串口消息頭中的type字段值等于0x35時(shí)，表示上傳時(shí)間同步數(shù)據(jù)，等于值0x36時(shí)表示上傳的傳感器數(shù)據(jù)，值等于0x37表示上傳的狀態(tài)數(shù)據(jù)，值等于0x38時(shí)表示上傳的拓?fù)鋽?shù)據(jù)。TinyOS規(guī)定上行數(shù)據(jù)沒有S字段。圖9為普通節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息到WSN根節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)格式。

圖9　行串口數(shù)據(jù)包格式示例

需要指出的是，串口數(shù)據(jù)幀中CRC字段采用的是小端格式，即數(shù)據(jù)傳輸時(shí)先傳送低字節(jié)后再傳送高字節(jié)，其他數(shù)據(jù)采用的是大端格式，即數(shù)據(jù)傳輸時(shí)先傳送高字節(jié)后傳送低字節(jié)。狀態(tài)數(shù)據(jù)、拓?fù)鋽?shù)據(jù)格式和傳感器數(shù)據(jù)格式類似，僅僅是串口消息頭中的類型標(biāo)識不同。

對RBS、TPSN、FTSP以及本文算法等4種算法的同步類型、同步方式、同步精度、算法復(fù)雜性以及算法收斂時(shí)間作比較，結(jié)果如表1所示。

表1　4種同步算法的比較

由以上分析得知，以上四種時(shí)間同步方法都采用了泛洪與廣播的方式。RBS對于節(jié)點(diǎn)較少且分布集中的網(wǎng)絡(luò)有較好的時(shí)間同步效果。TPSN算法采用雙向成對時(shí)間同步方法來同步節(jié)點(diǎn)時(shí)間，因此，該算法有較好的同步精度，但由于該算法對每個(gè)節(jié)點(diǎn)采用雙向成對同步方法，因此其收斂時(shí)間一般。FTSP算法采用單雙結(jié)合的方式對全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間進(jìn)行同步，該算法的復(fù)雜度較高，同步精度也較高，但是其收斂時(shí)間較長。本文算法采用單向與雙向相結(jié)合的時(shí)間同步模式，因此算法復(fù)雜度較低，同度精度較高，收斂時(shí)間比較短。

3系統(tǒng)測試

利用軟件仿真方法來測試本文算法的性能，軟件仿真的具體步驟如下：

采用MATLAB對本文算法進(jìn)行仿真，模擬出如下實(shí)驗(yàn)環(huán)境：在面積為100 m×100 m的范圍內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)為30，節(jié)點(diǎn)的通信半徑為10米。本文應(yīng)用一個(gè)6×30的矩陣來表示無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，每一列表示一個(gè)節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)信息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的第1行表示節(jié)點(diǎn)為的ID，第2、3行分別表示節(jié)點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，第4行表示每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始時(shí)間，第5行表示每個(gè)節(jié)點(diǎn)所在的層次，第6行表示節(jié)點(diǎn)的剩余能量。

將表1中另外三種算法與本文算法進(jìn)行比較，當(dāng)某一普通節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，上述四種同步算法分別按照各自的同步方法重新對所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間同步，圖10為某一節(jié)點(diǎn)失效后網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)同步時(shí)間與誤差間的關(guān)系。

圖10　葉子節(jié)點(diǎn)失效后同步時(shí)間與誤差的關(guān)系

若某一普通節(jié)點(diǎn)失效或有新節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，需要重新對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分層，并且重新配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。本文改進(jìn)的新型時(shí)間同步算法只需要通過鄰節(jié)點(diǎn)便可以計(jì)算出新加入節(jié)點(diǎn)的同步時(shí)間值。從圖11可以看出，本文算法明顯減少了節(jié)點(diǎn)的同步時(shí)間。

圖11　節(jié)點(diǎn)數(shù)與同步時(shí)間的關(guān)系

4結(jié)束語

本文提出了一種改進(jìn)的時(shí)間同步算法，該算法極大地節(jié)省了節(jié)點(diǎn)的開銷，最大限度的減少了因節(jié)點(diǎn)缺失造成的損失。同時(shí)，該算法因?yàn)椴捎昧藛坞p結(jié)合的時(shí)間同步方法，因此具有較好的時(shí)間同步精度與較高的時(shí)間同步效率。經(jīng)測試，本文提出的時(shí)間同步算法具有較高的魯棒性，時(shí)間精度較高，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，且擴(kuò)展性較好。

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A Novel Time Synchronization Algorithm for Wireless Sensor Networks

You Ji’an, Li Zhe

(CollegeofTechnology,HubeiEngineeringUniversity,Xiaogan,Hubei432000,China)

Key Words：wireless sensor networks; time synchronization; layering; transmission protocol

(責(zé)任編輯：張凱兵)