車亞輝，鄭貴省，李月明，王 鵬

(1.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊，天津 300161； 2.軍事交通學(xué)院 基礎(chǔ)部，天津 300161；3.軍事交通學(xué)院 學(xué)員旅，天津 300161)

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鐵路運輸裝備監(jiān)測節(jié)點時間同步算法

車亞輝1，鄭貴省2，李月明1，王 鵬3

(1.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊，天津 300161； 2.軍事交通學(xué)院 基礎(chǔ)部，天津 300161；3.軍事交通學(xué)院 學(xué)員旅，天津 300161)

對數(shù)據(jù)采集與處理時序有嚴格要求的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須進行時間同步，不同的時間同步技術(shù)會影響整個網(wǎng)絡(luò)的時間同步精度、算法復(fù)雜性、功耗及通信帶寬等。研究現(xiàn)有的時間同步算法在鐵路運輸裝備監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用上存在功耗和魯棒性方面的限制，基于分簇思想，提出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的I-PTP算法。仿真結(jié)果表明，該算法能夠在保證時間同步精度的同時，節(jié)約能量消耗，一定程度上提高實際應(yīng)用水平。

鐵路運輸裝備；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；時間同步算法

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包含大量微型低功耗傳感器，是依靠節(jié)點間的相互協(xié)作，通過無線方式完成通信的分布式自治網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，而時間同步技術(shù)是其實現(xiàn)目標跟蹤、數(shù)據(jù)融合等功能的基礎(chǔ)[1]。在鐵路裝備運輸中，由于貨運列車不具備自帶電力設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)連接的條件，一般情況下，也僅能通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對其運輸物資進行安全監(jiān)測。實際應(yīng)用中，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的單個節(jié)點成本較低、體積較小，通常只能利用晶體振蕩器和無線通信模塊作為時間同步器件。由于頻率的不同步是晶體振蕩器的固有屬性，加之電壓和溫度的變化，都會導(dǎo)致節(jié)點的時鐘在長時間累積中產(chǎn)生偏差，無法保證網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點全部或者部分在瞬時的同步[2]。

而實際中，節(jié)點需要彼此并行操作，將不同節(jié)點收集的數(shù)據(jù)按時序進行融合，提高監(jiān)測信息質(zhì)量，并通過數(shù)據(jù)的時間相關(guān)性剔除冗余的信息，減少通信量；其次，要保證網(wǎng)絡(luò)的低功耗，提高監(jiān)測節(jié)點的實際可用性，睡眠喚醒的節(jié)能機制是必不可少的。其與節(jié)點的協(xié)作傳輸以及安全協(xié)議均利用時間作為基礎(chǔ)來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能或彌補傳感器節(jié)點硬件功能方面的不足[3]。因此，實現(xiàn)節(jié)點的時間同步成為基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鐵路運輸裝備監(jiān)測系統(tǒng)功能實現(xiàn)的前提和關(guān)鍵。本文圍繞與時間同步相關(guān)的問題展開研究，介紹幾種常用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步算法的基本原理，分析其優(yōu)缺點，并基于分簇網(wǎng)絡(luò)思想，改進PTP算法，使其適用于鐵路運輸裝備監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步。

1 常見的時間同步算法

1.1 RBS同步算法

參考廣播同步算法(reference broadcast synchronization，RBS)，是由J. Elson等人提出基于receiver-receiver(接收者-接收者)的同步算法。該算法以網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點為基準參考點，向其他節(jié)點周期性地廣播同步消息。其他節(jié)點記錄接收到同步廣播消息的時間，并相互交換該記錄時間，根據(jù)計算及比較彼此的時鐘偏移量，最終使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點彼此之間實現(xiàn)時間的同步(如圖1所示)。

圖1 RBS同步原理

基準參考點R廣播同步消息后，節(jié)點i、j、k分別在時刻tir、tjr、tkr接收到該報文。隨后各接收節(jié)點之間交互比較接收時間，可得出節(jié)點j、k與節(jié)點i之間的相對時間偏移分別為tjr-tir、tkr-tir，根據(jù)時間偏移調(diào)整各節(jié)點本地時鐘實現(xiàn)時間同步。

RBS算法可以很好地消除同步過程中發(fā)送時間和訪問時間帶來的誤差，但是并沒有實現(xiàn)基準節(jié)點與其他節(jié)點間的同步。另外，算法頻繁同步會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)有較大的通信量和多余的能量開銷，所以該算法在鐵路運輸背景下的應(yīng)用效果較差。

1.2 TPSN同步算法

傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議(timing-sync protocol for sensor networks，TPSN)。該算法參考網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(network time protocol，NTP)中的雙向報文傳輸機制，通過對稱性計算傳輸延時，提高同步精度。

TPSN算法采用層次型結(jié)構(gòu)，選擇具有精確時間同步器件的節(jié)點作為參考節(jié)點，將時間同步過程劃分為兩個階段：一是分級階段，為傳感器網(wǎng)絡(luò)劃分層次結(jié)構(gòu)，作為0級根節(jié)點(參考節(jié)點)廣播分級數(shù)據(jù)包，依次為其他節(jié)點賦予一個級別；二是同步階段，第1級節(jié)點與根節(jié)點進行時間同步，并作為新的參考節(jié)點與下一級節(jié)點進行同步，以此類推，第i級節(jié)點與第(i-1)級節(jié)點間進行時間同步，直至實現(xiàn)全網(wǎng)的時間同步(如圖2所示)。

圖2 TPSN時間同步算法

第i級節(jié)點在t1時刻向第(i-1)級節(jié)點發(fā)送帶有時間戳的報文，第(i-1)級節(jié)點在t2時刻接收到報文，并在t3時刻回復(fù)。設(shè)傳播時間為Delay，節(jié)點時差為Δt，則

t2=t1+Delay+Δt

t4=t3+Delay-Δt

以此來保證節(jié)點間的同步。

TPSN算法能夠?qū)崿F(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)節(jié)點的時間同步，但是隨著跳數(shù)距離增加，同步誤差隨之成正比增長；其次，在分級階段沒有考慮到新的傳感器節(jié)點加入以及個別傳感器節(jié)點失效的情況，出現(xiàn)此類情況時需要對網(wǎng)絡(luò)層次進行初始化，導(dǎo)致算法魯棒性不足。

1.3 PTP時間同步協(xié)議

同樣借鑒了NTP機制的精準時間同步技術(shù)(precision timing protocol，PTP )，也叫作IEEE1588時間同步協(xié)議，是一種應(yīng)用于Internet網(wǎng)路的高精度時間同步算法，其配置容易，收斂速度快，對帶寬及資源消耗較小。

該協(xié)議的同步過程如圖3所示。主設(shè)備周期性地廣播時間同步(sync)報文，并隨即發(fā)送一條Follow_up報文記錄sync報文的發(fā)送時間t0；從設(shè)備接收兩條報文后，于時刻t2向主設(shè)備發(fā)送時延請求報文，并記錄下主設(shè)備發(fā)送sync報文的時間t0以及自身接收到sync報文的時間t1；隨后主設(shè)備在t3時刻收到延遲請求報文后，將時間戳t2、t3放于響應(yīng)報文發(fā)送至從設(shè)備。

圖3 PTP時間同步算法

通過兩次交互，從設(shè)備得到了t0、t1、t2、t3這4個時間。設(shè)傳輸時延為Delay，節(jié)點時間偏差Δt：

Delay=[(t1-t0)+(t3-t2)]/2

Δt=t1-(t0+Delay)

根據(jù)時間偏差修改從設(shè)備的本地時鐘，完成同步。

PTP協(xié)議可以保證網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點間的同步精度，一定程度上消除時間偏差以及傳輸時延的影響。但是該協(xié)議會受數(shù)據(jù)包發(fā)送頻率的影響，對于網(wǎng)絡(luò)傳輸速率以及吞吐量的要求較高，因此，將其直接應(yīng)用于鐵路運輸裝備監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，會使得網(wǎng)絡(luò)負載大大增加，既不能保證同步精度，也無法保證其可靠性。

2 鐵路運輸裝備監(jiān)測節(jié)點的時間同步算法設(shè)計

鐵路運輸裝備監(jiān)測節(jié)點的安裝原理圖如圖4所示。

圖4 裝備監(jiān)測節(jié)點應(yīng)用示意

姿態(tài)基準節(jié)點與姿態(tài)信息采集節(jié)點之間通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸；姿態(tài)基準節(jié)點與監(jiān)控終端通過Sub-GHz進行交互。

針對已有算法存在的限制，首先對鐵路運輸裝備監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，建立分簇型網(wǎng)絡(luò)，選取監(jiān)控終端作為基站，姿態(tài)基準節(jié)點作為簇首節(jié)點，同一平車上的其他傳感器節(jié)點作為同簇內(nèi)待同步節(jié)點。將時間同步的過程分為兩個階段，分別是基站與簇首節(jié)點的時間同步階段以及簇首節(jié)點與同簇內(nèi)待同步節(jié)點的同步階段。以此減小基站的負荷，并在一定程度上降低網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)增多帶來的誤差積累[4]。

2.1 算法描述

考慮到鐵路運輸裝備監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗的特點，根據(jù)TPSN算法的原理，可以通過減少握手次數(shù)來降低PTP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)中的開銷來實現(xiàn)時間的精準同步。將PTP協(xié)議的兩次握手變換成1次握手來完成節(jié)點間的時間延時和時間偏差測量。改進后的時間同步算法 (improved precision timing protocol，I-PTP)由待同步節(jié)點發(fā)起，節(jié)點不僅可以即時加入，也可以即時離開。

如圖5所示，以第一階段為例，簇首節(jié)點周期性地向基站發(fā)送時間同步(sync)報文，并記錄下發(fā)送同步報文的時間tc1，基站接收到后會響應(yīng)一條帶有sync報文接收時間tb1以及應(yīng)答報文發(fā)送時間tb2時間戳的應(yīng)答報文，簇首節(jié)點在接收到該報文后，記錄下接收時間tc2。通過這一次握手的交互，簇首節(jié)點可得到基站的兩個時間tb1、tb2以及簇首節(jié)點的兩個時間tc1、tc2。

圖5 I-PTP時間同步算法

該算法中將網(wǎng)絡(luò)看作是對稱的，則傳輸時延為

Delay=[(tc2-tc1)+(tb2-tb1)]/2

同步后的簇首節(jié)點時間t′為

t′=t-(tc2-tb2)+Delay

同樣，在簇首節(jié)點與同簇內(nèi)待同步節(jié)點的時間同步階段也采取I-PTP算法，進行精準同步。

2.2 算法仿真

基于Matlab平臺進行了分簇型I-PTP時間同步算法的網(wǎng)絡(luò)仿真實驗，并與TPSN、PTP時間同步算法進行了比較。仿真實驗的相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表1[5]。

表1 網(wǎng)絡(luò)仿真參數(shù)設(shè)置

結(jié)果表明：隨著傳感器節(jié)點數(shù)的增加，I-PTP算法、TPSN算法、PTP算法的同步誤差隨之增大；但是在同步精度方面，I-PTP算法的同步精度要比TPSN算法更高，且與PTP算法相差不大(如圖6所示)；在能量消耗方面，I-PTP算法基本與TPSN算法持平(如圖7所示)。

圖6 各算法同步誤差比較

圖7 各算法能量消耗比較

3 結(jié) 語

在設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步算法時，要考慮多種限制條件，如體積、成本、能量開銷、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等。本文立足鐵路運輸，基于分簇思想，改進了PTP算法，仿真結(jié)果表明該算法在鐵路運輸裝備監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用性方面較之已有算法有一定的優(yōu)勢。但是實際的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)對其會造成怎樣的影響，以及如何進行分簇來提高算法性能，仍有待進一步研究。

[1] 韓曉哲.基于鐵路危險品運輸?shù)膫鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)覆蓋問題研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2014:8-10.

[2] 姜帆,鄭霖.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)TPSN-RBS聯(lián)合時間同步算法[J].傳感器與微系統(tǒng),2016,35(1):150.

[3] 曾煉成. 低功耗單跳無線網(wǎng)絡(luò)實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測量技術(shù),2012(4):121.

[4] 楊東. 基于分簇型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步機制研究[D].太原:太原理工大學(xué),2013:37-43.

[5] 卑璐璐,張然,韓麗娜，等. 一種線型結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步算法[J].工礦自動化,2015,41(2):77.

(編輯：閆曉楓)

Time Synchronization Algorithm on Equipment Monitor Nodes in Railway Transportation

CHE Yahui1， ZHENG Guixing2， LI Yueming1， WANG Peng3

(1.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 2.General Courses Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 3.Cadets Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

Wireless sensor network (WSN) which has strict requirements on data acquisition and processing needs time synchronization, and different time synchronization technology will affect time synchronization precision, complexity of algorithm, energy consumption, and communication bandwidth of WSN. The paper studies the restrictions of current time synchronization algorithm in energy consumption and robustness, and puts forward I-PTP algorithm based on cluster. The simulation result shows that this algorithm can guarantee the precision of time synchronization and reduce the energy consumption, which can improve the practical application level to some extent.

railway transportation equipment； wireless sensor network (WSN); time synchronization algorithm

2016-03-11；

2016-04-15．

車亞輝(1992—)，男，碩士研究生；

鄭貴省(1975—)，男，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師．

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2016.11.007

E234

A

1674-2192(2016)11- 0027- 04