陳珍萍，黃友銳，唐超禮，曲立國(guó)

(安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南232001)

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物聯(lián)網(wǎng)感知層低能耗時(shí)間同步方法研究

陳珍萍，黃友銳，唐超禮，曲立國(guó)

(安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南232001)

摘要：針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)感知層對(duì)時(shí)間同步的需求及節(jié)點(diǎn)能量有限的特點(diǎn)，提出一種低能耗時(shí)間同步(Low Energy Consumption Time Synchronization，LECTS)的方法，從同步消息量、同步周期和占空比角度研究同步能耗的降低.對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行父子群的劃分，為每個(gè)群選擇PS(Pairwise Synchronization)節(jié)點(diǎn)，群內(nèi)節(jié)點(diǎn)持續(xù)同步，群間節(jié)點(diǎn)按需同步;父節(jié)點(diǎn)和PS節(jié)點(diǎn)間以同步周期和占空比雙向交換N次同步消息，群內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)同步消息，基于參數(shù)抵消的聯(lián)合極大似然法估計(jì)子節(jié)點(diǎn)與父節(jié)點(diǎn)間的相位偏移和頻率偏移，將群內(nèi)子節(jié)點(diǎn)同步到父節(jié)點(diǎn);在給定同步精度下，匯聚節(jié)點(diǎn)定期評(píng)估網(wǎng)絡(luò)同步誤差，由時(shí)間同步控制器調(diào)整網(wǎng)絡(luò)同步周期和占空比.仿真結(jié)果表明LECTS算法在保證同步精度的同時(shí)，降低了同步能耗、提高了網(wǎng)絡(luò)的生存周期.

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);時(shí)間同步;同步能耗;同步控制器

1　引言

物聯(lián)網(wǎng)是信息技術(shù)領(lǐng)域的一次重大變革［1，2］，在多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，其基本特征是信息的全面感知、可靠傳送和智能處理，其核心是物與物以及人與物之間的信息交互，信息感知為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了信息來(lái)源，是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ).文獻(xiàn)［1］從技術(shù)層面說(shuō)明了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，將實(shí)現(xiàn)智能感知功能的網(wǎng)絡(luò)稱(chēng)為物聯(lián)網(wǎng)的底層網(wǎng)絡(luò)，也即物聯(lián)網(wǎng)的感知層網(wǎng)絡(luò).為實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能感知，感知層節(jié)點(diǎn)間需要協(xié)同與協(xié)作、對(duì)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合［3，4］，這要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間保持時(shí)間同步;時(shí)分多址TDMA(Time Division Multiple Access)技術(shù)按時(shí)間間隙劃分地址，實(shí)現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)共享信道的訪問(wèn)，但要求參與通信的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步;物聯(lián)網(wǎng)中的一些支撐技術(shù)，如測(cè)距、定位等，將感知數(shù)據(jù)與位置信息關(guān)聯(lián)以提高數(shù)據(jù)表示的完整性，這也要求節(jié)點(diǎn)間保持時(shí)間同步.時(shí)間同步是物聯(lián)網(wǎng)感知層的一個(gè)支撐技術(shù)，不僅為物聯(lián)網(wǎng)提供時(shí)間服務(wù)，也是物聯(lián)網(wǎng)獲得空間信息的基礎(chǔ).

為實(shí)現(xiàn)智能感知這一功能［5］，物聯(lián)網(wǎng)感知層包含有各種無(wú)線(xiàn)傳感器和有線(xiàn)傳感器.其中有線(xiàn)傳感器可使用傳統(tǒng)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步方法，本文主要研究基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)感知層時(shí)間同步方法.

現(xiàn)有面向無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步算法，如參考廣播同步算法RBS(Reference Broadcast Synchronization)、傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議TPSN(Timing-sync Protocol for Sensor Networks)、洪泛時(shí)間同步協(xié)議FTSP(Flooding Time Synchronization Protocol)、延時(shí)測(cè)量同步算法DMTS(Delay Measurement Time Synchronization)等，著重研究如何盡可能地提高時(shí)間同步精度［6］，但并未考慮到能耗和精度間的折中.針對(duì)水下應(yīng)用環(huán)境的特殊性，文獻(xiàn)［7］研究了水下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步的關(guān)鍵技術(shù)，綜述了現(xiàn)有時(shí)間同步的研究現(xiàn)狀.文獻(xiàn)［8，9］提出了一種基于成對(duì)廣播同步(Pairwise Broadcast Synchronization，PBS)的時(shí)間同步機(jī)制，從減少同步消息量這一角度降低了同步能耗.文獻(xiàn)［10］通過(guò)基于簇結(jié)構(gòu)的主動(dòng)和被動(dòng)結(jié)合的雙向同步算法，降低了同步消息量.文獻(xiàn)［11］基于簇狀結(jié)構(gòu)提出了一種精度可調(diào)的時(shí)間同步算法，實(shí)時(shí)測(cè)量簇內(nèi)同步誤差，在同步精度滿(mǎn)足時(shí)增加同步周期以降低同步事件的發(fā)生概率來(lái)節(jié)約節(jié)點(diǎn)能量，但該文獻(xiàn)實(shí)現(xiàn)的僅僅是簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步.文獻(xiàn)［12］提出一種低能耗的多跳自適應(yīng)時(shí)間同步(Multi-hop Adaptive Time Synchronization，MATS)算法，自適應(yīng)選擇同步模式、確定最優(yōu)同步消息交換次數(shù)和同步周期，通過(guò)同步模式切換、減小消息交換次數(shù)和增加同步周期，降低了同步能耗.

占空比(Duty Cycle，DC)技術(shù)是降低節(jié)點(diǎn)能量消耗的一個(gè)有效和常用的手段［13～15］，節(jié)點(diǎn)DC越小，能量有效性越高.由文獻(xiàn)［9］，無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)約17%的能量消耗在時(shí)間同步上，若將占空比機(jī)制引入時(shí)間同步中，則能提高時(shí)間同步的能量有效性，對(duì)于持續(xù)時(shí)間同步更是如此.文獻(xiàn)［15］將占空比引入到時(shí)間同步中，且針對(duì)于特定硬件平臺(tái)研究了同步周期與占空比之間的關(guān)系，節(jié)約了節(jié)點(diǎn)能量，但該算法并未考慮多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步，且沒(méi)有考慮占空比對(duì)同步精度的影響.

基于上述分析，本文研究從如下幾個(gè)方面減小同步能耗:(1)感知層中大部分節(jié)點(diǎn)以偵聽(tīng)方式獲取同步消息;(2)通信范圍內(nèi)子節(jié)點(diǎn)與父節(jié)點(diǎn)持續(xù)保持同步，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍囟ㄊ录l(fā)生時(shí)，事件源節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)按需遠(yuǎn)程同步;(3)節(jié)點(diǎn)以一定的DC周期性關(guān)閉射頻模塊;(4)匯聚節(jié)點(diǎn)定期評(píng)估網(wǎng)絡(luò)同步誤差進(jìn)而調(diào)整同步周期和DC，在滿(mǎn)足同步精度時(shí)盡可能增大同步周期、降低DC以降低同步能耗.

2　LECTS同步方案

圖1給出了物聯(lián)網(wǎng)感知層的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中匯聚節(jié)點(diǎn)可通過(guò)GPS接收器或有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)獲取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間UTC，為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供時(shí)間基準(zhǔn)，PS節(jié)點(diǎn)與父節(jié)點(diǎn)(包括匯聚節(jié)點(diǎn))雙向交換同步消息，偵聽(tīng)節(jié)點(diǎn)單向偵聽(tīng)同步消息.

LECTS算法分成群劃分及PS節(jié)點(diǎn)選擇、群內(nèi)持續(xù)同步和群間按需同步三個(gè)階段.

在第一階段，首先基于節(jié)點(diǎn)間的通信情況，本著群最少原則，從匯聚節(jié)點(diǎn)開(kāi)始將網(wǎng)絡(luò)分成若干個(gè)父子群;其次在文獻(xiàn)［8］基礎(chǔ)上，為每個(gè)群選擇合適的PS節(jié)點(diǎn);最后為保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量消耗的均衡性，不定期進(jìn)行群劃分和PS節(jié)點(diǎn)選擇.

第二階段的群內(nèi)持續(xù)同步框圖如圖2，其中Emax為同步誤差要求值，代表網(wǎng)絡(luò)同步精度，根據(jù)具體應(yīng)用可為μs、ms或s級(jí)，如節(jié)點(diǎn)定位需要0.5～7ms的同步精度［16］.

群內(nèi)節(jié)點(diǎn)持續(xù)同步過(guò)程為:(1)父節(jié)點(diǎn)與PS節(jié)點(diǎn)以同步周期T和DC雙向交換N次時(shí)間同步消息，群中其它偵聽(tīng)節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)2N次時(shí)間同步消息;(2)父節(jié)點(diǎn)和偵聽(tīng)節(jié)點(diǎn)基于參數(shù)抵消的聯(lián)合極大似然法估計(jì)所有子節(jié)點(diǎn)與父節(jié)點(diǎn)間的相位和頻率偏移，將子節(jié)點(diǎn)同步到父節(jié)點(diǎn);(3)群內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)按DC關(guān)閉射頻模塊;喚醒時(shí)間到時(shí)，打開(kāi)射頻模塊，重復(fù)步驟(1)～(3)進(jìn)行下一次時(shí)間同步;(4)匯聚節(jié)點(diǎn)定期地獲取網(wǎng)絡(luò)同步誤差，由時(shí)間同步控制器調(diào)整同步周期和DC，在同步精度滿(mǎn)足要求的情況下提高同步周期、降低DC，降低同步能耗.

第三階段事件觸發(fā)的按需同步過(guò)程為:(1)在數(shù)據(jù)傳輸?shù)仁录l(fā)生時(shí)，事件源節(jié)點(diǎn)借助于父子群中的父節(jié)點(diǎn)建立起與匯聚節(jié)點(diǎn)的一條通信路徑，并往上級(jí)父節(jié)點(diǎn)發(fā)送頻率偏移、相位偏移和事件發(fā)生時(shí)源節(jié)點(diǎn)本地時(shí)間;(2)上級(jí)父節(jié)點(diǎn)接收到參數(shù)后估計(jì)源節(jié)點(diǎn)與自身上級(jí)父節(jié)點(diǎn)間的頻率偏移、相位偏移，并將估計(jì)值和事件發(fā)生時(shí)源節(jié)點(diǎn)本地時(shí)間打包發(fā)送給上級(jí)父節(jié)點(diǎn)直至發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn);(3)匯聚節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包提取相位偏移、頻率偏移和事件發(fā)生時(shí)源節(jié)點(diǎn)本地時(shí)間，將事件發(fā)生時(shí)源節(jié)點(diǎn)本地時(shí)間調(diào)整到自身本地時(shí)間，實(shí)現(xiàn)事件發(fā)生時(shí)源節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的按需同步.

3　群內(nèi)節(jié)點(diǎn)持續(xù)同步

3.1節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘模型

選用一階線(xiàn)性關(guān)系來(lái)表示網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘模型.分別記父節(jié)點(diǎn)為Si、PS節(jié)點(diǎn)為Sj、偵聽(tīng)節(jié)點(diǎn)為Sm，Si、Sj和Sm的本地時(shí)間分別為T(mén)i(t)=ωit +φi、Tj(t)= ωjt +φj和Tm(t)=ωmt +φm，其中t為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，ωi及φi、ωj及φj和ωm及φm分別為Si、Sj和Sm的相對(duì)時(shí)鐘頻率和初始相位.給定晶體振蕩器的頻率漂移ρ，節(jié)點(diǎn)的相對(duì)時(shí)鐘頻率滿(mǎn)足1 -ρ≤ω≤1 +ρ.節(jié)點(diǎn)Sj與Si間的相對(duì)偏移為ωij=ωj/ωi和φij=φj-ωjφi/ωi，節(jié)點(diǎn)Sm與Si間的相對(duì)偏移為ωim=ωm/ωi和φim=φm-ωmφi/ωi.

3.2同步消息交換和時(shí)間戳標(biāo)記

本文采用同步消息雙向交換和單向偵聽(tīng)結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)本地時(shí)間T(t)的傳輸.群內(nèi)節(jié)點(diǎn)持續(xù)同步模型見(jiàn)圖3，時(shí)間同步由父節(jié)點(diǎn)周期性發(fā)起.

圖3中，第k次同步消息交換時(shí)，Si往Sj發(fā)送第k個(gè)同步請(qǐng)求消息syn，syn中包含發(fā)送時(shí)間戳T1，k; Sj和Sm分別在本地T2，k和T5，k時(shí)刻接收到syn; Sj在T3，k發(fā)送第k個(gè)同步應(yīng)答消息ack，ack中攜帶時(shí)間戳T2，k和T3，k; Si在T4，k時(shí)刻接收到ack，獲取T2，k、T3，k并保存，Sm在T6，k時(shí)刻接收到ack，獲取T3，k并保存.

N次同步消息交換后，Si保存有N組數(shù)據(jù){ T1，k，參數(shù)，估計(jì)與Si間的時(shí)鐘參數(shù)并調(diào)整頻偏和相偏.

3.3時(shí)鐘參數(shù)估計(jì)

在假定傳輸延遲服從高斯分布時(shí)，節(jié)點(diǎn)Si和Sm根據(jù)保存的時(shí)間數(shù)據(jù)，采用參數(shù)抵消的極大似然估計(jì)法估計(jì)節(jié)點(diǎn)間的頻率偏移ωij、ωim和相位偏移φij、φim，并調(diào)整節(jié)點(diǎn)本地時(shí)間.

3.3.1ωij和φij的估計(jì)

在Sj與Si的第k次同步消息交換時(shí)，有:

其中，d為Si和Sj間傳輸延遲的固定部分，，估計(jì)Sj與自身之間的時(shí)鐘參數(shù)和并往Sj發(fā)送同步參數(shù)消息s-pra，包含有接收到s-pra并獲取時(shí)鐘參數(shù)進(jìn)而調(diào)整頻偏和相偏;在偵聽(tīng)2N + 1次消息后，Sm保存有分別為Si到Sj和Sj到Si延遲中的隨機(jī)部分.由文獻(xiàn)［17］，假設(shè)服從均值為零、方差為σ2的高斯分布，即

為降低時(shí)鐘偏移估計(jì)算法復(fù)雜度，借鑒文獻(xiàn)［8］，固定下標(biāo)偏移量s為N/2，在式(1)、(2)中用第k + s組數(shù)據(jù)減去第k組數(shù)據(jù)，抵消待估參數(shù)d和φij，其中1≤k ≤N/2，得到式(1)和(2)的簡(jiǎn)化形式:

整理(3)、(4)得到:

令?lnL(σ，ωij)/?ωij=0，得到ωij的極大似然估計(jì):

則φij的估計(jì)值為

Si在估計(jì)完后，往Sj發(fā)送同步參數(shù)消息s-pra，包括有Sj的ID號(hào)和Sj接收s-pra，獲取和，且按照對(duì)頻偏ωij和相偏φij進(jìn)行調(diào)整.

3.3.2ωim和φim的估計(jì)

偵聽(tīng)節(jié)點(diǎn)Sm在第k次同步消息偵聽(tīng)時(shí)有:

節(jié)點(diǎn)Sm按照對(duì)頻偏ωim和相偏φim進(jìn)行調(diào)整.

3.4時(shí)間同步參數(shù)調(diào)整

本文根據(jù)網(wǎng)絡(luò)同步誤差和同步精度Emax調(diào)整同步周期T和DC.在同步精度滿(mǎn)足情況下，增大同步周期T、減小DC，降低同步能耗.考慮到物聯(lián)網(wǎng)感知層節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力有限［5］，與文獻(xiàn)［11］采用自適應(yīng)算法不同的是:本文采用一種易于實(shí)現(xiàn)的方法在調(diào)整同步周期的同時(shí)調(diào)整DC.

介于個(gè)別節(jié)點(diǎn)電壓過(guò)低對(duì)同步誤差的影響，采用去極值平均法定義群i的同步誤差ei(t):其中eik(t)為子節(jié)點(diǎn)Sk相對(duì)于父節(jié)點(diǎn)Si的同步誤差，Ni為群i子節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，包括PS節(jié)點(diǎn)Sj和偵聽(tīng)節(jié)點(diǎn)Sm.為均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，記網(wǎng)絡(luò)同步誤差為所有群同步誤差均值，即:

其中ei(t)為第i個(gè)群的同步誤差，Gnum為網(wǎng)絡(luò)群個(gè)數(shù).

匯聚節(jié)點(diǎn)定期評(píng)估網(wǎng)絡(luò)同步誤差，具體評(píng)估過(guò)程為:

(1)在需要評(píng)估同步誤差時(shí)，由匯聚節(jié)點(diǎn)開(kāi)始的所有父節(jié)點(diǎn)往同步參數(shù)消息s-pra中增加一標(biāo)志位，以表示需要獲取群同步誤差.

(2)所有子節(jié)點(diǎn)Sm從s-pra中獲取該標(biāo)志位，按照式(12)、(13)估計(jì)完ωim和φim后，往父節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步參數(shù)應(yīng)答消息e-ack，包含父節(jié)點(diǎn)Si的ID、ωim和φim.

(3)父節(jié)點(diǎn)接收所有子節(jié)點(diǎn)Sm的同步參數(shù)應(yīng)答消息e-ack，獲取子節(jié)點(diǎn)的ωik和φik(包括PS節(jié)點(diǎn)和偵聽(tīng)節(jié)點(diǎn))，按照式(15)計(jì)算出群同步誤差ei(t)，并發(fā)送給自身父節(jié)點(diǎn)，直至發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn).

(4)匯聚節(jié)點(diǎn)接收所有群的群同步誤差，按照式(16)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)同步誤差，并按照下式調(diào)整同步周期T和占空比DC.

4　事件觸發(fā)的按需同步

節(jié)點(diǎn)在特定事件發(fā)生，如需要將采集的數(shù)據(jù)傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)時(shí)，事件源節(jié)點(diǎn)需要同步到匯聚節(jié)點(diǎn).為降低通信能耗，本文采用按需同步方式在特定事件發(fā)生時(shí)實(shí)現(xiàn)事件源節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程同步.為表述方便起見(jiàn)，設(shè)源節(jié)點(diǎn)S1需同步到匯聚節(jié)點(diǎn)Sh，h≥2為S1到Sh的跳數(shù)，傳輸路徑S1→S2→…→Sh，φi和ωi為節(jié)點(diǎn)Si相對(duì)于父節(jié)點(diǎn)Si +1的相偏和頻偏(1≤i＜h)，則該路徑上相鄰兩節(jié)點(diǎn)的時(shí)間關(guān)系為:

通過(guò)迭代，得到S1與Si(1＜i≤h)間的相位偏移和頻率偏移分別為和ωi，1=對(duì)φi，1和ωi，1簡(jiǎn)化得到:

中間節(jié)點(diǎn)Si按照接收-估計(jì)-發(fā)送模式進(jìn)行時(shí)間同步參數(shù)的轉(zhuǎn)發(fā):在收到下級(jí)子節(jié)點(diǎn)Si -1發(fā)送的ωi -1，1和φi -1，1后，結(jié)合自身ωi和φi按照式(18)、(19)估計(jì)出ωi，1和φi，1并將估計(jì)值發(fā)送給上級(jí)父節(jié)點(diǎn)Si +1，直至數(shù)據(jù)包傳送到匯聚節(jié)點(diǎn).匯聚節(jié)點(diǎn)從數(shù)據(jù)包中提取ωh -1，1和φh -1，1，實(shí)現(xiàn)S1到Sh的按需同步.

5　仿真結(jié)果與分析

結(jié)合OMNet + +和Matlab平臺(tái)來(lái)進(jìn)行算法仿真.首先在OMNet + +平臺(tái)上搭建網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)置節(jié)點(diǎn)參數(shù);其次在OMNet + +仿真平臺(tái)上運(yùn)行時(shí)間同步算法，記錄同步周期、占空比、同步誤差指標(biāo)參數(shù)，每個(gè)參數(shù)取值為運(yùn)行1000次的平均值;再次將OMNet ++記錄的參數(shù)以文本形式輸出;最后在Matlab仿真平臺(tái)上將參數(shù)導(dǎo)入并進(jìn)行分析，繪制圖形和表格.

在OMNet + +仿真平臺(tái)的100×100m2范圍內(nèi)均勻布置M個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)通信距離為40m，本著群最少原則進(jìn)行父子群的劃分，參照文獻(xiàn)［8］的方法為每個(gè)群選擇PS節(jié)點(diǎn).節(jié)點(diǎn)參數(shù)設(shè)置為:匯聚節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘頻率為1、初始相位為0，其它節(jié)點(diǎn)初始頻偏和相偏在0.99～1.01 和-1～1s內(nèi)隨機(jī)選擇，所有群的初始DC為1%、初始同步周期T為10s.

5.1單位時(shí)間平均通信量

定義單位時(shí)間平均通信量為:一個(gè)周期內(nèi)網(wǎng)絡(luò)平均同步消息次數(shù)與平均同步周期的比值.單位時(shí)間平均通信量是衡量網(wǎng)絡(luò)平均同步能耗的一個(gè)重要指標(biāo)，與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)M、同步消息交換次數(shù)N、同步方式、同步周期T等相關(guān)，其值越小同步能耗越低、網(wǎng)絡(luò)生存周期越長(zhǎng).

在M = 10、N = 10、同步精度Emax= 100μs時(shí)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置分布、通信拓?fù)鋱D和同步誤差曲線(xiàn)如圖4所示.圖4(a)為節(jié)點(diǎn)初始位置分布圖;圖4(b)是經(jīng)過(guò)群劃分和PS節(jié)點(diǎn)選擇之后的通信拓?fù)鋱D，其中1號(hào)節(jié)點(diǎn)為匯聚節(jié)點(diǎn)，2號(hào)和3號(hào)節(jié)點(diǎn)為PS節(jié)點(diǎn)，故一個(gè)周期內(nèi)網(wǎng)絡(luò)平均同步消息為2×2N/M = 4次，節(jié)約了60%的通信量;由圖4(c)可以看出同步誤差滿(mǎn)足同步精度要求，且同步誤差隨之同步次數(shù)的增多而逐漸趨于同步精度要求值.在圖4(b)通信拓?fù)湎卤容^分析LECTS算法、文獻(xiàn)［11］和文獻(xiàn)［12］的平均同步周期、單位時(shí)間平均通信量指標(biāo)，繪制得到表1.

表1　不同算法的同步參數(shù)比較(Emax=100μs)

如表1所示，在給定100μs同步精度要求下，LECTS算法平均同步周期為36.46s;文獻(xiàn)［11］在100μs同步精度要求下的同步周期為12s;在文獻(xiàn)［12］MATS算法給定的參數(shù)下、同步精度為100μs和99.9%的置信度的平均同步周期為16.09s.故從同步周期角度來(lái)看，本文LECTS算法優(yōu)于文獻(xiàn)［11，12］.LECTS算法的平均同步消息為4，故單位時(shí)間平均通信量為4/36.46 =0.110(次/s);文獻(xiàn)［11］中，假設(shè)每同步10次評(píng)估一次簇內(nèi)最大和最小頻偏，一個(gè)周期內(nèi)網(wǎng)絡(luò)平均同步消息為0.7096次，單位時(shí)間內(nèi)平均通信量為0.7096/12 =0.059(次/s);文獻(xiàn)［12］一個(gè)周期內(nèi)網(wǎng)絡(luò)平均同步消息為2×N(N取6)次，故單位時(shí)間內(nèi)同步通信量為2×6/16.09 =0.746(次/s);從單位時(shí)間內(nèi)同步通信量來(lái)看，LECTS優(yōu)于文獻(xiàn)［12］不及文獻(xiàn)［11］.文獻(xiàn)［11］的同步通信量小是因?yàn)樵撐膬H在節(jié)點(diǎn)間交換同步消息4次，在假設(shè)傳輸延遲固定時(shí)僅估計(jì)節(jié)點(diǎn)間的相位偏移，并未估計(jì)節(jié)點(diǎn)的頻率偏移，且文獻(xiàn)［11］并未將占空比機(jī)制引入到時(shí)間同步中.

5.2網(wǎng)絡(luò)規(guī)模對(duì)同步精度和同步能耗的影響

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)為一多跳網(wǎng)絡(luò)，同步算法的性能會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的影響.網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大，即網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)M越大，由匯聚節(jié)點(diǎn)開(kāi)始的同步誤差逐層累積效應(yīng)越明顯.為說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)規(guī)模對(duì)LECTS算法性能的影響，現(xiàn)給出不同M值下的同步誤差曲線(xiàn)如圖5所示，不同M值下單位時(shí)間平均通信量如表2所示.為保證網(wǎng)絡(luò)具有相同的節(jié)點(diǎn)覆蓋率，增加M的同時(shí)按比例增大網(wǎng)絡(luò)面積，且僅記錄網(wǎng)絡(luò)連通時(shí)的參數(shù)值.設(shè)定參數(shù)N =10、同步精度Emax=1ms.

表2　不同M值下的單位時(shí)間平均通信量(Emax=1ms)

結(jié)合圖5和表2，可知: LECTS算法能較好地抑制網(wǎng)絡(luò)規(guī)模對(duì)同步誤差的影響，當(dāng)M在10～100間取值時(shí)，同步誤差均能滿(mǎn)足同步精度要求，但隨著M增加，同步誤差曲線(xiàn)在穩(wěn)態(tài)值附近的波動(dòng)幅度也隨之增大，但其幅度均不超過(guò)5%;隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加，平均同步周期減小，通信頻率增加，單位時(shí)間平均通信量增加，M =100時(shí)的通信頻率和單位時(shí)間平均通信量為M =10時(shí)的6.92倍和8.03倍.

5.3同步周期和占空比的調(diào)整

現(xiàn)給出由同步精度誤差調(diào)整同步周期和占空比的閉環(huán)控制效果，并與文獻(xiàn)［15］的占空比指標(biāo)進(jìn)行比較.同步精度要求初值設(shè)置為1ms，M =10，N =10，運(yùn)行100個(gè)同步周期(3346.8s)后，精度突變?yōu)?.1ms，以新的同步精度再運(yùn)行100個(gè)同步周期，總同步時(shí)間為22513.5s，每同步10次評(píng)估網(wǎng)絡(luò)同步誤差.在同步精度要求值Emax發(fā)生變化時(shí)，同步誤差、同步周期曲線(xiàn)和占空比曲線(xiàn)見(jiàn)圖6(a)、(b)和(c).

由圖6可以得出如下結(jié)論:(1)在Emax發(fā)生變化時(shí)，同步誤差能跟蹤上Emax的變化，并最終穩(wěn)定在Emax附近;(2)定義誤差帶為0.95Emax～1.05Emax，當(dāng)同步誤差大于1.05Emax時(shí)，同步周期減小、占空比增加，以單位時(shí)間平均通信量增加為代價(jià)減小同步誤差，當(dāng)同步誤差小于0.95Emax時(shí)，同步周期增加、占空比減小，單位時(shí)間平均通信量減小，若同步誤差曲線(xiàn)位于誤差帶內(nèi)，同步周期和占空比維持不變，單位時(shí)間平均通信量不變;(3)LECTS算法的平均同步周期為112.57s，平均占空比為0.85%，文獻(xiàn)［15］在同步周期為1s和60s時(shí)的占空比分別為0.46%和0.017%.本文LECTS算法的平均占空比大于文獻(xiàn)［15］，其原因是LECTS算法的同步消息次數(shù)N = 10，而文獻(xiàn)［15］僅需要在節(jié)點(diǎn)間單向傳遞1次同步消息，即N =0.5.

6　結(jié)論

針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)感知層對(duì)時(shí)間同步的需求，本文研究了一種低能耗時(shí)間同步方法LECTS.LECTS有如下特點(diǎn):(1)通過(guò)消息偵聽(tīng)和群間按需同步方式，降低網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)耐较⒘浚贜 = 10、M = 10、Emax= 100μs時(shí)，LECTS算法的單位時(shí)間平均通信量分別為文獻(xiàn)［11］和文獻(xiàn)［12］MATS的2倍和0.147倍，但文獻(xiàn)［11］和文獻(xiàn)［12］均未考慮以一定的DC周期性關(guān)閉射頻模塊;(2)定期評(píng)估網(wǎng)絡(luò)同步誤差，調(diào)整同步周期和占空比，在同步精度滿(mǎn)足的情況下降低同步能耗，同步精度Emax=100μs時(shí)的平均占空比為0.97%，平均同步周期為36.46s;(3)通過(guò)同步周期和占空比的閉環(huán)調(diào)整降低了由網(wǎng)絡(luò)規(guī)模造成的同步誤差累積效應(yīng).LECTS從同步消息量、同步周期和占空比三個(gè)方面降低同步能耗的方法是有效的，可提高物聯(lián)網(wǎng)感知層節(jié)點(diǎn)生存周期.

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陳珍萍女，1981年6月出生，安徽南陵人.2002年畢業(yè)于安徽理工大學(xué)自動(dòng)化系，現(xiàn)為安徽理工大學(xué)博士研究生，從事網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和時(shí)間同步方面的有關(guān)研究.

E-mail: zhpchen10@163.com

黃友銳(通信作者)男，1971年6月出生，安徽長(zhǎng)豐人，教授、博士生導(dǎo)師.主要從事智能控制、礦山物聯(lián)網(wǎng)、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)等方面的研究工作.E-mail: hyr628@163.com

Research on Low Energy Consumption Time Synchronization Method for Internet of Things’Perception Layer

CHEN Zhen-ping，HUANG You-rui，TANG Chao-li，QU Li-guo
(School of Electrical and Information Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan，Anhui 232001，China)

Abstract:In view of the energy limits and synchronization requirements of sensor nodes of Internet of Things(IoTs)，a low-energy-consumption time synchronization algorithm LECTS is proposed，and the energy consumption’s reduction is performed from average synchronization message amount，synchronization period and duty cycle aspects.The network is divided into several parent-child groups and for each group one or more PS nodes are chosen.The intra-group nodes are synchronized continuously and the out-group nodes are synchronized on-demand.In each parent-child group，the parent node and PS nodes exchange synchronous message N times given synchronization period and duty cycle，and other intragroup nodes passively overhear those messages.The clock skew and offset respected to the parent node are estimated jointly based on the maximum likelihood estimation，and thus the intra-group nodes are all synchronized to the parent node.With the given synchronization precision，the network synchronization error is periodically evaluated by the sink node.Synchronization period and duty cycle are adjusted by synchronization controller according to the synchronization precision error.Simulation results show that LECTS method can guarantee synchronization precision and reduce energy consumption effectively，thus it can improve the network’s lifetime.

Key words:internet of things; time synchronization; synchronization energy consumption; synchronization controller

作者簡(jiǎn)介

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(No.51404008，No.51274011，No.61300001)

收稿日期:2014-08-08;修回日期: 2014-10-18;責(zé)任編輯:孫瑤

DOI:電子學(xué)報(bào)URL：http: / /www.ejournal.org.cn10.3969/j.issn.0372-2112.2016.01.028

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0372-2112(2016)01-0193-07