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(duì)，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(yùn)輸裝備監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)時(shí)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(duì)，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(duì)數(shù)據(jù)采集與處理時(shí)序有嚴(yán)格要求的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須進(jìn)行時(shí)間同步，不同的時(shí)間同步技術(shù)會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)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(shí)間同步算法在鐵路運(yùn)輸裝備監(jiān)測(cè)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(shí)間同步精度的同時(shí)，節(jié)約能量消耗，一定程度上提高實(shí)際應(yīng)用水平。

鐵路運(yùn)輸裝備；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；時(shí)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(diǎn)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(shí)間同步技術(shù)是其實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤、數(shù)據(jù)融合等功能的基礎(chǔ)[1]。在鐵路裝備運(yùn)輸中，由于貨運(yùn)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(duì)其運(yùn)輸物資進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)。實(shí)際應(yīng)用中，監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的單個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)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(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘在長(zhǎng)時(shí)間累積中產(chǎn)生偏差，無法保證網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)全部或者部分在瞬時(shí)的同步[2]。

而實(shí)際中，節(jié)點(diǎn)需要彼此并行操作，將不同節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)按時(shí)序進(jìn)行融合，提高監(jiān)測(cè)信息質(zhì)量，并通過數(shù)據(jù)的時(shí)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(cè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際可用性，睡眠喚醒的節(jié)能機(jī)制是必不可少的。其與節(jié)點(diǎn)的協(xié)作傳輸以及安全協(xié)議均利用時(shí)間作為基礎(chǔ)來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能或彌補(bǔ)傳感器節(jié)點(diǎn)硬件功能方面的不足[3]。因此，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步成為基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鐵路運(yùn)輸裝備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的前提和關(guān)鍵。本文圍繞與時(shí)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(shí)間同步算法的基本原理，分析其優(yōu)缺點(diǎn)，并基于分簇網(wǎng)絡(luò)思想，改進(jìn)PTP算法，使其適用于鐵路運(yùn)輸裝備監(jiān)測(cè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步。

1 常見的時(shí)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(diǎn)為基準(zhǔn)參考點(diǎn)，向其他節(jié)點(diǎn)周期性地廣播同步消息。其他節(jié)點(diǎn)記錄接收到同步廣播消息的時(shí)間，并相互交換該記錄時(shí)間，根據(jù)計(jì)算及比較彼此的時(shí)鐘偏移量，最終使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)彼此之間實(shí)現(xiàn)時(shí)間的同步(如圖1所示)。

圖1 RBS同步原理

基準(zhǔn)參考點(diǎn)R廣播同步消息后，節(jié)點(diǎn)i、j、k分別在時(shí)刻tir、tjr、tkr接收到該報(bào)文。隨后各接收節(jié)點(diǎn)之間交互比較接收時(shí)間，可得出節(jié)點(diǎn)j、k與節(jié)點(diǎn)i之間的相對(duì)時(shí)間偏移分別為tjr-tir、tkr-tir，根據(jù)時(shí)間偏移調(diào)整各節(jié)點(diǎn)本地時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。

RBS算法可以很好地消除同步過程中發(fā)送時(shí)間和訪問時(shí)間帶來的誤差，但是并沒有實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)間的同步。另外，算法頻繁同步會(huì)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(yùn)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(shí)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(shí)間協(xié)議(network time protocol，NTP)中的雙向報(bào)文傳輸機(jī)制，通過對(duì)稱性計(jì)算傳輸延時(shí)，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(shí)間同步器件的節(jié)點(diǎn)作為參考節(jié)點(diǎn)，將時(shí)間同步過程劃分為兩個(gè)階段：一是分級(jí)階段，為傳感器網(wǎng)絡(luò)劃分層次結(jié)構(gòu)，作為0級(jí)根節(jié)點(diǎn)(參考節(jié)點(diǎn))廣播分級(jí)數(shù)據(jù)包，依次為其他節(jié)點(diǎn)賦予一個(gè)級(jí)別；二是同步階段，第1級(jí)節(jié)點(diǎn)與根節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間同步，并作為新的參考節(jié)點(diǎn)與下一級(jí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步，以此類推，第i級(jí)節(jié)點(diǎn)與第(i-1)級(jí)節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行時(shí)間同步，直至實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的時(shí)間同步(如圖2所示)。

圖2 TPSN時(shí)間同步算法

第i級(jí)節(jié)點(diǎn)在t1時(shí)刻向第(i-1)級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送帶有時(shí)間戳的報(bào)文，第(i-1)級(jí)節(jié)點(diǎn)在t2時(shí)刻接收到報(bào)文，并在t3時(shí)刻回復(fù)。設(shè)傳播時(shí)間為Delay，節(jié)點(diǎn)時(shí)差為Δt，則

t2=t1+Delay+Δt

t4=t3+Delay-Δt

以此來保證節(jié)點(diǎn)間的同步。

TPSN算法能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)的時(shí)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(zhǎng)；其次，在分級(jí)階段沒有考慮到新的傳感器節(jié)點(diǎn)加入以及個(gè)別傳感器節(jié)點(diǎn)失效的情況，出現(xiàn)此類情況時(shí)需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)層次進(jìn)行初始化，導(dǎo)致算法魯棒性不足。

1.3 PTP時(shí)間同步協(xié)議

同樣借鑒了NTP機(jī)制的精準(zhǔn)時(shí)間同步技術(shù)(precision timing protocol，PTP )，也叫作IEEE1588時(shí)間同步協(xié)議，是一種應(yīng)用于Internet網(wǎng)路的高精度時(shí)間同步算法，其配置容易，收斂速度快，對(duì)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(shí)間同步(sync)報(bào)文，并隨即發(fā)送一條Follow_up報(bào)文記錄sync報(bào)文的發(fā)送時(shí)間t0；從設(shè)備接收兩條報(bào)文后，于時(shí)刻t2向主設(shè)備發(fā)送時(shí)延請(qǐng)求報(bào)文，并記錄下主設(shè)備發(fā)送sync報(bào)文的時(shí)間t0以及自身接收到sync報(bào)文的時(shí)間t1；隨后主設(shè)備在t3時(shí)刻收到延遲請(qǐng)求報(bào)文后，將時(shí)間戳t2、t3放于響應(yīng)報(bào)文發(fā)送至從設(shè)備。

圖3 PTP時(shí)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(gè)時(shí)間。設(shè)傳輸時(shí)延為Delay，節(jié)點(diǎn)時(shí)間偏差Δt：

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

Δt=t1-(t0+Delay)

根據(jù)時(shí)間偏差修改從設(shè)備的本地時(shí)鐘，完成同步。

PTP協(xié)議可以保證網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)間的同步精度，一定程度上消除時(shí)間偏差以及傳輸時(shí)延的影響。但是該協(xié)議會(huì)受數(shù)據(jù)包發(fā)送頻率的影響，對(duì)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(yùn)輸裝備監(jiān)測(cè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，會(huì)使得網(wǎng)絡(luò)負(fù)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(yùn)輸裝備監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步算法設(shè)計(jì)

鐵路運(yùn)輸裝備監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的安裝原理圖如圖4所示。

圖4 裝備監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用示意

姿態(tài)基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)與姿態(tài)信息采集節(jié)點(diǎn)之間通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；姿態(tài)基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控終端通過Sub-GHz進(jìn)行交互。

針對(duì)已有算法存在的限制，首先對(duì)鐵路運(yùn)輸裝備監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)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(zhǔn)節(jié)點(diǎn)作為簇首節(jié)點(diǎn)，同一平車上的其他傳感器節(jié)點(diǎn)作為同簇內(nèi)待同步節(jié)點(diǎn)。將時(shí)間同步的過程分為兩個(gè)階段，分別是基站與簇首節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步階段以及簇首節(jié)點(diǎn)與同簇內(nèi)待同步節(jié)點(diǎn)的同步階段。以此減小基站的負(fù)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(yùn)輸裝備監(jiān)測(cè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗的特點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)時(shí)間的精準(zhǔn)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(diǎn)間的時(shí)間延時(shí)和時(shí)間偏差測(cè)量。改進(jìn)后的時(shí)間同步算法 (improved precision timing protocol，I-PTP)由待同步節(jié)點(diǎn)發(fā)起，節(jié)點(diǎn)不僅可以即時(shí)加入，也可以即時(shí)離開。

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

圖5 I-PTP時(shí)間同步算法

該算法中將網(wǎng)絡(luò)看作是對(duì)稱的，則傳輸時(shí)延為

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

同步后的簇首節(jié)點(diǎn)時(shí)間t′為

t′=t-(tc2-tb2)+Delay

同樣，在簇首節(jié)點(diǎn)與同簇內(nèi)待同步節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步階段也采取I-PTP算法，進(jìn)行精準(zhǔn)同步。

2.2 算法仿真

基于Matlab平臺(tái)進(jìn)行了分簇型I-PTP時(shí)間同步算法的網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)，并與TPSN、PTP時(shí)間同步算法進(jìn)行了比較。仿真實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步算法時(shí)，要考慮多種限制條件，如體積、成本、能量開銷、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等。本文立足鐵路運(yùn)輸，基于分簇思想，改進(jìn)了PTP算法，仿真結(jié)果表明該算法在鐵路運(yùn)輸裝備監(jiān)測(cè)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(shì)。但是實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)其會(huì)造成怎樣的影響，以及如何進(jìn)行分簇來提高算法性能，仍有待進(jìn)一步研究。

[1] 韓曉哲.基于鐵路危險(xiǎn)品運(yùn)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.

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(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