郭震津，鄭 賓

（中北大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，太原 030051）

近年來，隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)MEMS（microelectro-mechanical system）技術(shù)和微處理技術(shù)的迅速發(fā)展使傳感器技術(shù)趨于智能化，通過MEMS技術(shù)和射頻RF（radio frequency）通信技術(shù)的融合促進(jìn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的誕生，為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)[1]。時鐘同步技術(shù)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)成為眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)，該技術(shù)的應(yīng)用愈加廣泛，如功率管理、節(jié)能檢測、傳輸調(diào)度、定位和跟蹤、數(shù)據(jù)融合、標(biāo)記數(shù)據(jù)采集時間和安全協(xié)議等，都必須保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時鐘保持一致。因此研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時鐘同步技術(shù)具有重大意義。在此，通過參閱大量文獻(xiàn)，歸納并總結(jié)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時鐘同步技術(shù)的研究現(xiàn)狀，提出了未來的發(fā)展方向。

1 WSN及時鐘同步技術(shù)的概念

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

通常將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定義為以協(xié)作方式工作的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，這些節(jié)點(diǎn)使用傳感器來感知和控制周圍的環(huán)境并通過無線進(jìn)行通信[2]。一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（wireless sensor network）架構(gòu)由3部分組成，即傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)關(guān)）、監(jiān)控中心（任務(wù)管理器）。傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)構(gòu)成傳感器場，匯聚節(jié)點(diǎn)與用戶通過互聯(lián)網(wǎng)相互連接。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本框架如圖1所示。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本框架Fig.1 Basic framework of wireless sensor networks

每個傳感器節(jié)點(diǎn)通常由傳感器、CPU、無線單元和電源組成。通過傳感器實(shí)現(xiàn)對周圍環(huán)境數(shù)據(jù)（如溫度、濕度、壓力、熱量和振動）的監(jiān)測，完成監(jiān)控和傳感過程后，在CPU中完成必要的計(jì)算，最后通過節(jié)點(diǎn)間的無線信道將計(jì)算后的數(shù)據(jù)通過無線單元傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig.2 Node structure of wireless sensor network

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的核心部分是傳感器，傳感器將光、熱、聲等環(huán)境變量轉(zhuǎn)換成電信號。科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步使傳感器在日常生活中得到廣泛使用，典型的有溫度、振動和濕度3種傳感器。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是節(jié)點(diǎn)的集合，每個節(jié)點(diǎn)都是獨(dú)立的小型計(jì)算機(jī)。這些微型設(shè)備協(xié)同工作，形成集中的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)對節(jié)點(diǎn)的使用有一定的要求如效率、多功能性和無線性。在WSN中，數(shù)據(jù)采集和傳輸分為4個步驟：采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、打包數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)。這些工作通常由低功耗、短距離的無線通信模塊來完成，常用的有Chipcon公司的CC1010，CC2420 等。

匯聚節(jié)點(diǎn)即網(wǎng)關(guān)，允許系統(tǒng)管理員將節(jié)點(diǎn)連接到個人計(jì)算機(jī)PC（personal computer）。網(wǎng)關(guān)可以處于主動、被動和混合3種不同的狀態(tài)。主動網(wǎng)關(guān)允許節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)主動發(fā)送到網(wǎng)關(guān)服務(wù)器；被動網(wǎng)關(guān)只能向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送請求來發(fā)送數(shù)據(jù)；混合網(wǎng)關(guān)是這2種網(wǎng)關(guān)的組合，可以在2種狀態(tài)下運(yùn)行。

任務(wù)管理器通過互聯(lián)網(wǎng)連接到網(wǎng)關(guān)。任務(wù)管理器包括2個部分：客戶端瀏覽、處理數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)服務(wù)。任務(wù)管理器可以看作是一個信息處理和檢索平臺，存儲傳感器采集到的所有數(shù)據(jù)。用戶和管理員可以使用一個接口在本地和遠(yuǎn)程獲取并分析這些數(shù)據(jù)。

1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時鐘同步技術(shù)

時鐘同步技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，在眾多WSN應(yīng)用中扮演著重要的角色。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式無線網(wǎng)絡(luò)，在分布式無線網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)可以與其選擇的參考時鐘定期地交互時間信息并相應(yīng)地調(diào)節(jié)其邏輯時鐘。網(wǎng)絡(luò)中影響時鐘同步精度的因素有很多，主要包括主從時鐘頻率不一致、時間戳精度和系統(tǒng)延時等[3]，其中影響最大的是主從時鐘頻率的一致性。由于晶體振蕩器的頻率受初始制造公差、老化程度、溫度和壓強(qiáng)等因素的影響，會引起頻率漂移從而影響時鐘同步精度。因此，傳感器節(jié)點(diǎn)時鐘必須定期進(jìn)行同步，才能互相協(xié)作完成相應(yīng)的任務(wù)[4]。

時鐘同步是為分布式系統(tǒng)提供一個時間基準(zhǔn)的過程，在大多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中扮演著至關(guān)重要的角色。其重要性如下：

1）數(shù)據(jù)融合 作為WSN中的一個主要操作，數(shù)據(jù)融合將處理和集成來自不同節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，所以它需要網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)共享一個時間基準(zhǔn)。

2）功率管理 量效率是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的一個重要因素。傳感器節(jié)點(diǎn)的節(jié)能操作主要取決于時鐘同步，節(jié)能效果正比于同步精度。

3）傳輸調(diào)度 在WSN中最流行的多址方案是時分多址 TDMA（time division multiple access）。為構(gòu)成低能量TDMA無線調(diào)度需要高精度的時鐘同步。

4）節(jié)點(diǎn)定位 常用的節(jié)點(diǎn)定位算法需要測量定位信號的收發(fā)時間差，應(yīng)保證較高的時鐘同步精度。

2 WSN中時鐘同步技術(shù)面臨的問題

（1）時鐘同步的不確定性

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的本地時鐘計(jì)時是通過晶振的計(jì)數(shù)中斷實(shí)現(xiàn)的。在實(shí)際工程中，晶振的頻率會隨時間緩慢漂移從而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)之間的本地時鐘不同步。即使各個節(jié)點(diǎn)在某個時刻實(shí)現(xiàn)時鐘同步，但由于環(huán)境溫度、電磁干擾等的影響會導(dǎo)致各個節(jié)點(diǎn)的時鐘產(chǎn)生偏差。影響時鐘同步的主要因素是同步消息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延遲。目前，對時鐘同步技術(shù)的研究，主要集中在補(bǔ)償傳輸延遲進(jìn)而提高同步精度上，傳輸延遲每個部分的時延大小以及特性見表1。

表1 傳輸延遲的主要組成、大小及特性Tab.1 Main components，sizes and characteristics of the transmission delay

（2）功耗

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有體積小、功耗低的特點(diǎn)，通常節(jié)點(diǎn)采用能量有限的電池供電。由于傳感器節(jié)點(diǎn)的能量有限，為了減少功耗，應(yīng)適當(dāng)延長同步周期，使網(wǎng)絡(luò)時鐘同步的交換信息盡量減少。所以，在選擇時鐘同步機(jī)制時，應(yīng)均勻使用節(jié)點(diǎn)的能量從而實(shí)現(xiàn)能量的高效使用。在能量受到約束的情況下，實(shí)現(xiàn)低功耗、高精度的時鐘同步將成為未來學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

（3）可擴(kuò)展性

大型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中包含成千上萬個傳感器節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)部署的地理范圍和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度都不盡相同，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布但通常分布密度不均勻，這些因素都會影響同步效率[5]。因此，設(shè)計(jì)時鐘同步算法時，必須保證良好的可擴(kuò)展性以適應(yīng)節(jié)點(diǎn)密度的變化。

（4）魯棒性

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常應(yīng)用在野外軍事基地等一些環(huán)境十分惡劣的條件下，惡劣的現(xiàn)場環(huán)境會對無線鏈路造成巨大干擾。因此，傳感器節(jié)點(diǎn)容易遭受許多惡意攻擊，造成傳感器節(jié)點(diǎn)失效。只有讓同步算法具有非常好的魯棒性，才能避免丟包、節(jié)點(diǎn)故障以及噪聲等情況的出現(xiàn)，進(jìn)而確保在惡劣環(huán)境中節(jié)點(diǎn)的同步效果。

3 WSN時鐘同步技術(shù)研究現(xiàn)狀

為了在不同環(huán)境中實(shí)現(xiàn)較高精度的時鐘同步，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多經(jīng)典時鐘同步算法。

3.1 經(jīng)典時鐘同步算法

3.1.1 成對同步

（1）TPSN 算法

文獻(xiàn)[6]所提出的傳感器網(wǎng)絡(luò)定時同步TPSN（timing-sync protocol for sensor network）算法，采用發(fā)送端—接收端同步的方式進(jìn)行信息的雙向交換，實(shí)現(xiàn)兩節(jié)點(diǎn)間的同步，如圖3所示。

圖3 TPSN雙向報(bào)文交換機(jī)制Fig.3 TPSN two-way message exchange mechanism

該算法的執(zhí)行包含2個操作階段——同步階段和層次發(fā)現(xiàn)階段[7]。在層次發(fā)現(xiàn)階段，WSN以樹形展開；在同步階段進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間的成對報(bào)文交換。全局同步依靠雙向報(bào)文來估計(jì)消息的傳輸延遲，當(dāng)雙向報(bào)文傳輸延遲很短時可得到較高的同步精度。

應(yīng)用TPSN算法的優(yōu)點(diǎn)在于，其復(fù)雜度低，能在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)時鐘同步，但功耗大、穩(wěn)定性差等不足限制了其更廣泛的應(yīng)用。目前已有研究人員針對算法穩(wěn)定性不足的缺點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種同時校正時鐘相偏和時鐘偏移的方案，以保證TPSN算法的長期穩(wěn)定。

另外，自適應(yīng)多跳時間同步AMTS（adaptive multi-hop time synchronization）算法，在時間信息交換延遲較大的傳感器網(wǎng)絡(luò)中取得廣泛應(yīng)用，例如水下聲納傳感器網(wǎng)絡(luò)[8]。

（2）RBS 算法

文獻(xiàn)[9]所提出的參考廣播同步RBS（reference broadcast synchronization）算法，是一種基于接收者-接收者的同步方法。該算法利用無線信道的廣播特性，由參考節(jié)點(diǎn)廣播同步消息，各節(jié)點(diǎn)接收此同步消息后與自身本地時鐘記錄的時間信息進(jìn)行交換，通過計(jì)算出兩者的時鐘偏差以實(shí)現(xiàn)時鐘同步。RBS算法基本原理如圖4所示。

圖4 RBS算法基本原理Fig.4 Basic principles of RBS algorithm

該算法最大的優(yōu)點(diǎn)在于，通過比較2個節(jié)點(diǎn)收到相同分組的時間戳來消除發(fā)送端的時延不確定性。但RBS算法必須有廣播介質(zhì)，對于大型網(wǎng)絡(luò)或多跳網(wǎng)絡(luò)來說會產(chǎn)生極大地通信開銷，最終導(dǎo)致較大的同步誤差。針對RBS算法的不足，文獻(xiàn)[10]提出一種自適應(yīng)RBS同步機(jī)制，解決了多跳網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)間需要大量交換時間信息的問題。

（3）Tiny-Sync和 Mini-Sync算法

Tiny-Sync和Mini-Sync是2種計(jì)算較為簡單的同步算法，后者為前者的延伸。它們都采用雙向信息交換機(jī)制多次發(fā)送探測消息，最終利用線性回歸方法估算2個節(jié)點(diǎn)間的時鐘頻偏和相偏，在保證同步精度的同時降低了通信開銷。但這2種算法對于存儲和計(jì)算能力有限的傳感器節(jié)點(diǎn)并不適用，無法在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中保證時鐘同步精度。

（4）FTSP 算法

泛時間同步FTSP（flooding time synchronization protocol）算法，利用單個廣播信息來建立發(fā)送端和接收端的同步，采用線性回歸的方法擬合回歸曲線。這樣雖然可以實(shí)現(xiàn)對時鐘頻偏和相偏的估計(jì)，進(jìn)而達(dá)到較高的時鐘同步精度。但FTSP算法對出現(xiàn)誤差的數(shù)據(jù)十分敏感，只要有一個數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤就會導(dǎo)致估計(jì)結(jié)果的失真，無法滿足容錯率較低的環(huán)境。

同步間隔時間的長短會影響同步開銷。在此，針對上述經(jīng)典同步算法，對其時間同步開銷情況進(jìn)行對比分析。假定同步廣播域內(nèi)有一個根節(jié)點(diǎn)、n個子節(jié)點(diǎn)，設(shè)定TPSN，RBS，Mini-Sync和FTSP單跳同步均需要K個包以完成線性擬合，不同算法時間同步的開銷見表2。由于晶振可在一定時間內(nèi)保持穩(wěn)定，TPSN算法的時間同步開銷較小，其他算法都估計(jì)了晶振的頻移，延長同步間隔時間，產(chǎn)生了較大的同步開銷。

表2 不同算法時間同步的開銷Tab.2 Cost of time synchronization of different algorithms

3.1.2 全網(wǎng)同步

目前在全網(wǎng)中取得時鐘同步的算法有很多種。其中，基于樹形結(jié)構(gòu)的輕量同步LTS（lightweight tree-based synchronization）算法，是一種低復(fù)雜度時鐘同步算法，分別應(yīng)用于集中式多跳網(wǎng)絡(luò)和分布式多跳網(wǎng)絡(luò)。LTS算法的核心理念是使用盡可能小的算法復(fù)雜度去實(shí)現(xiàn)所需同步精度，但局限性在于可實(shí)現(xiàn)的同步精度相對較低。

時間擴(kuò)散協(xié)議 TDP（time diffusion protocol）可使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)達(dá)到一個網(wǎng)絡(luò)平衡時間[11]。試驗(yàn)表明TDP協(xié)議可使全網(wǎng)的時鐘收斂到某個特定值。

異步擴(kuò)散協(xié)議ADP（asynchronous diffusion protocol）依靠節(jié)點(diǎn)間精確地交換時鐘信息和處理，就可以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的時鐘同步，然而消息時延和節(jié)點(diǎn)移動性等因素會造成ADP算法在實(shí)際無線網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)現(xiàn)較為困難。

3.2 IEEE 1588協(xié)議及其WSN時鐘同步技術(shù)

通過分析上述算法可知：想要在WSN環(huán)境下實(shí)現(xiàn)時鐘同步存在許多難題，如算法復(fù)雜度、能量、成本、同步精度、穩(wěn)定性等，因此尋找一種適合應(yīng)用在無線網(wǎng)絡(luò)中的高精度時鐘同步算法成為亟待解決的問題。近幾年，隨著國內(nèi)外相關(guān)研究工作的開展，將IEEE 1588協(xié)議應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中已成為一個新穎的研究熱點(diǎn)。

3.2.1 關(guān)于IEEE 1588協(xié)議

2002年發(fā)布的IEEE 1588協(xié)議，為網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)的精確時鐘同步標(biāo)準(zhǔn)，其基本原理是周期性地交換報(bào)文信息以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的時鐘同步[12]，如圖5所示。

IEEE 1588協(xié)議廣泛應(yīng)用于分布式有線網(wǎng)絡(luò)中，算法較簡單并且對帶寬的要求非常低，同步精度最高可達(dá)ns級。由于無線網(wǎng)絡(luò)的不對稱鏈路特性，會影響協(xié)議的時鐘同步精度，造成IEEE 1588協(xié)議在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用存在一些困難，限制其在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的發(fā)展。對此眾多國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了相關(guān)探索研究。

圖5 IEEE 1588協(xié)議基本原理Fig.5 Basic principles of the IEEE 1588 protocol

3.2.2 應(yīng)用于WSN的探索與研究

為了使IEEE 1588協(xié)議在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高精度的時鐘同步，相關(guān)研究多集中在使用卡爾曼濾波算法對時間同步過程進(jìn)行優(yōu)化上?？柭鼮V波器主要針對時變線性系統(tǒng)，實(shí)時性高且存儲量小，在處理動態(tài)數(shù)據(jù)問題時表現(xiàn)出很高的性能[13]。由于各節(jié)點(diǎn)在報(bào)文信息傳輸過程中易引入噪聲，卡爾曼濾波器通過建立輸入輸出的狀態(tài)方程，利用當(dāng)前時刻的測量值和上一時刻的狀態(tài)變量值，對當(dāng)前的狀態(tài)變量進(jìn)行估計(jì)，并采用最小均方誤差準(zhǔn)則進(jìn)行濾波，實(shí)質(zhì)是通過測量值重構(gòu)得到系統(tǒng)狀態(tài)向量的過程。使用卡爾曼濾波算法抑制觀測噪聲，最終實(shí)現(xiàn)提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時鐘同步精度的目的。

使用卡爾曼濾波算法得到相對精確的雙向時延后，研究人員為使從時鐘盡可能高精度地跟蹤主時鐘，設(shè)計(jì)出功能強(qiáng)大的時鐘伺服系統(tǒng)已成為必然趨勢。伺服時鐘系統(tǒng)定期修正時鐘，以盡可能減小時鐘偏移量和時鐘偏移率，當(dāng)修正值越發(fā)接近標(biāo)準(zhǔn)值時，可獲得很高的時鐘同步精度。

國外的研究側(cè)重于采用有線與無線相結(jié)合的方式提高時鐘同步精度；在國內(nèi)如西南大學(xué)和電子科技大學(xué)，在伺服時鐘系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和IEEE 1588仿真建模方面的研究已非常成熟，推動了IEEE 1588協(xié)議在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)展。

3.2.3 在WSN中的發(fā)展方向

目前，IEEE 1588協(xié)議應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的研究主要集中在軟件設(shè)計(jì)上，然而軟件算法提高時鐘同步精度的效果并不明顯，最高只能達(dá)到μs級。另外，國內(nèi)外學(xué)者尚未開發(fā)出支持IEEE 1588協(xié)議的無線通訊芯片，無法在硬件上予以支持。

通過分析IEEE 1588協(xié)議在分布式有線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用可了解到：采取軟硬件結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)IEEE 1588協(xié)議可以獲得ns級的時鐘同步精度。因此，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，采取軟硬件結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)IEEE 1588協(xié)議，成為一個新的思路。

隨著研究的進(jìn)一步深入，研發(fā)出在硬件上支持IEEE 1588協(xié)議的無線通訊芯片指日可待。使用此類芯片可實(shí)現(xiàn)硬件標(biāo)記時間戳，極大地縮減了消息包傳輸時間，進(jìn)而減小外界環(huán)境對同步精度的影響，而在軟件上使用合適的濾波算法對時偏和頻偏的進(jìn)行估計(jì)，可以減少噪聲、傳輸時延等不確定性誤差的影響，最終軟硬件配合完成IEEE 1588消息傳遞，得到較高的時鐘同步精度。

4 結(jié)語

IEEE 1588協(xié)議，比起其他時鐘同步算法，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中更具備優(yōu)勢，雖然在該領(lǐng)域的研究還處于起步階段，但其廣闊的前景值得學(xué)者去不斷探索研究。時鐘同步技術(shù)是WSN中的核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度的時鐘同步將對WSN相關(guān)應(yīng)用的發(fā)展起到推動作用。