袁頌岳

（桂林信息科技學院 電子工程學院 廣西 桂林 541004）

1 引言

無線傳感器是互聯(lián)網(wǎng)技術領域當中的核心技術之一，關于其自身的發(fā)展和研究也受到國內外研究人員的極大關注和重視。無線傳感器通過多學科知識及技術的融合而來，可以通過多類別的集成化微型傳感器節(jié)點共同實現(xiàn)感知、采集和檢測，最終實現(xiàn)對信息的處置。分布式空間節(jié)點共同構成傳感器網(wǎng)絡，并且各個節(jié)點都設置多個傳感器和控制單元，并且在軍事、生態(tài)環(huán)境治理、醫(yī)療、家具生活等多個方面獲得普遍的運用。而時間同步技術作為無線傳感器的核心技術，對傳感器穩(wěn)定運行產(chǎn)生極大的影響。由于無線傳感器運用的多元化導致對時間同步技術提出了更高的標準。下文就對無線傳感器網(wǎng)絡、時間同步技術的概念以及優(yōu)化策略展開簡要探討。

2 無線傳感器網(wǎng)絡

無線傳感器網(wǎng)絡得益于我國科學技術的快速發(fā)展，從而在許多領域中都得到了廣泛的應用和推廣，尤其是推動軍事、智能交通、環(huán)境監(jiān)測以及醫(yī)療衛(wèi)生等實現(xiàn)融合發(fā)展，提供便民服務，進一步滿足現(xiàn)代化社會經(jīng)濟發(fā)展和需求。加強對無線傳感器網(wǎng)絡的研究，有助于推動檢查和感知世界相關技術的進步，完成對信息數(shù)據(jù)的全面檢測和收集，也能夠加強對數(shù)據(jù)信息的應用

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡概述

無線傳感器是由監(jiān)測區(qū)內的體積微小傳感器節(jié)點組成的一支無線多跳的網(wǎng)絡系統(tǒng)，每個節(jié)點都有傳感器、數(shù)據(jù)處理、無線通訊電源模塊構成，借助節(jié)點內不同作用和類型的傳感器能夠高效測量周邊環(huán)境中的不同信號以及周圍濕度、溫度、壓強等物理現(xiàn)象。運用好無線傳感器，能夠完成較高質量的信息采集及處理任務。

隨著微電子和無線通訊技術的高速發(fā)展，多功能傳感器也逐漸成為生活生產(chǎn)中必不可少的組成部分，無線傳感器網(wǎng)絡也因為自身低成本、低消耗、大規(guī)模的優(yōu)勢將繼續(xù)對人類生活產(chǎn)生巨大影響。在影響人類未來生活的十大新興技術中，無線傳感器網(wǎng)絡位居榜首。借助無線傳感器網(wǎng)絡能夠開展數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)，通過對傳輸網(wǎng)絡覆蓋地區(qū)內部的對象的感知和檢測，獲取被感知對象的各項信息，并且將這些信息進行歸納整理之后發(fā)給能夠連接網(wǎng)絡的所有者和使用者，通過這種方式，也能夠實現(xiàn)對各種環(huán)境參數(shù)的檢測，比如：電磁、溫度、濕度、壓力等，也可以捕捉到物體移動的方向和速度，周圍環(huán)境中各種多變的現(xiàn)象都可以被獲取，從而在許多領域中都具有十分重要的應用意義?？偟膩碚f，傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展歷程可以分為傳感器→無線傳感器→無線傳感器網(wǎng)絡三個發(fā)展階段。

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡結構特點

傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡一般是通過無線信道傳輸數(shù)據(jù)進行通信節(jié)點，只負責數(shù)據(jù)分組和轉發(fā)。在高移動環(huán)境當中也可以將網(wǎng)絡利用最大化，保障服務質量。目前所使用的無線傳感器網(wǎng)絡主要具備以下特點：

大規(guī)模網(wǎng)絡：大規(guī)模網(wǎng)絡主要指的是傳感器節(jié)點分布在很大的一片地理區(qū)域當中，可以利用傳感器網(wǎng)絡進行環(huán)境監(jiān)測或者是預防火災。另外也可以是傳感器部署比較密集在相對較小的面積區(qū)域內放置大量傳感器加強監(jiān)測，保證信息可靠性。

自組織網(wǎng)絡：在無線傳感器網(wǎng)絡當中所有節(jié)點的地位是相等的，沒有指定的中心，各節(jié)點通過分布式算法來進行相互協(xié)調工作，在無人值守的前提下，節(jié)點也能夠組織起一個完善的監(jiān)測網(wǎng)絡體系，這也就代表無線傳感網(wǎng)絡本身具有較強的自組織能力，可以進行自動配置和管理。

多跳路由：由于自身能量受限，在無線傳輸過程中是有距離限制的，距離限制一般在幾百米之內，只有兩個相近的節(jié)點才能夠實現(xiàn)信息直接傳輸。所以在沒有節(jié)點覆蓋的地方是無法進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，只能依靠其他?jié)點進行傳輸。但是在采用多跳路由時，可以由多個普通節(jié)點完成數(shù)據(jù)傳輸，多跳路由是由網(wǎng)絡普通節(jié)點完成的，并不需要設置專門的設備，網(wǎng)絡傳感器既能夠進行數(shù)據(jù)傳輸也可以對數(shù)據(jù)進行轉發(fā)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效率傳輸。

動態(tài)性網(wǎng)絡：當傳感器節(jié)點出現(xiàn)問題時或者人為增加節(jié)點，網(wǎng)絡結構也會隨著節(jié)點數(shù)量的增加或減少而產(chǎn)生動態(tài)變化，這就需要整個網(wǎng)絡體系具有一定的適應能力以及較高的動態(tài)系統(tǒng)可重構特點。

以數(shù)據(jù)為中心：無線傳感器網(wǎng)絡屬于一個任務型網(wǎng)絡，在用戶查詢網(wǎng)絡事件時，需要將所有信息進行傳輸并匯報給用戶。通過感知客觀物理世界，獲取用戶所關心的信息量，從而將所獲得的具體的指定事件的信息匯報給相關用戶，從而能夠更好地滿足用戶的需求，也能夠進一步延長網(wǎng)絡的使用壽命。所以無線傳感器網(wǎng)絡主要是基于數(shù)據(jù)本身為中心的一種功能性網(wǎng)絡體系。

3 無線傳感器時間同步的重要性

時間同步是無線傳感器運行過程中提供時間基準的主要過程，任何分布式網(wǎng)絡都需要重視時間同步技術。只有無線傳感器網(wǎng)絡的時間同步，各節(jié)點才能夠協(xié)同完成工作，準確地進行信息采集和傳輸。

3.1 數(shù)據(jù)融合

在分布式網(wǎng)絡當中數(shù)據(jù)融合是一個非常重要的過程，各節(jié)點需要對區(qū)域內數(shù)據(jù)進行收集，并根據(jù)數(shù)據(jù)時間發(fā)生的信息進行時間截標記，如果各節(jié)點不能夠保持良好的時間同步就不能夠使數(shù)據(jù)進行有效融合，因此時間同步對無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)處理以及傳輸都有著非常重要的影響意義，直接決定了數(shù)據(jù)的準確性和有效性。從這個角度來看，傳感器網(wǎng)絡本身就是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡，基于統(tǒng)一的網(wǎng)絡通信協(xié)議，采用更加符合人類自然語言交流的方式，將獲得的指定事件的信息匯報給相關用戶，通過這種方式，能夠及時將用戶所關心的事件通告和傳達給網(wǎng)絡，進而有效跟蹤數(shù)據(jù)動態(tài)。

3.2 傳輸調度

調度協(xié)議是基于時間同步產(chǎn)生的，比如在分布式網(wǎng)絡當中使用的通信方案，DTMA只適用于同步網(wǎng)絡。節(jié)點與上層節(jié)點的通訊過程需要在該節(jié)點被分配到傳輸時隙中完成，如果本地節(jié)點的時間出現(xiàn)偏差，就有可能與其他節(jié)點發(fā)生碰撞，引起信息丟失，所以在分布式網(wǎng)絡當中，傳感器節(jié)點必須要保障統(tǒng)一的時間基準。所跟蹤的目標信息可能出現(xiàn)在各個位置，伴隨著其不斷移動而出現(xiàn)在任何地方，用戶所關心的只有自己的目標信息的時間和具體位置，并不在意監(jiān)測到目標的節(jié)點，但無線傳感器網(wǎng)絡就是由不同的節(jié)點提供具體的目標信息。

3.3 能量管理

由于傳感器一般體積較小，有自身攜帶的小型電池進行電量供給，在網(wǎng)絡部署之后使用期限內很難對傳感器進行電池維護更換。受電池容量的影響，節(jié)點必須要做到能量節(jié)省延長使用壽命，因此在節(jié)點空閑或休眠狀態(tài)當中會進行智能能量管理，降低消耗功率。加強對所移動的目標的位置的監(jiān)測，實現(xiàn)短時間內對數(shù)據(jù)的整理、分析和傳輸，所消耗的成本是比較低的，而且能夠借助集成化處理的方式，為各個節(jié)點實現(xiàn)其功能提供了便利的條件，從而有助于降低所消耗的功率，實現(xiàn)高精度識別和檢測。

4 時間同步

4.1 同步協(xié)議分類

時間同步可理解為網(wǎng)絡節(jié)點中節(jié)點時鐘顯示相同的時間，實際上時間同步也有很多類型，以適應不同的需求和環(huán)境。

長期同步：長期同步可分為持續(xù)性同步和響應式同步，長期同步需要保持所有時刻到時鐘同步，不管任何時間各節(jié)點都需要保持同步。但是這種情況在無線傳感器網(wǎng)絡應用過程中屬于一種浪費行為，如果事件不頻繁發(fā)生，那么在空閑時期維護網(wǎng)絡時鐘同步的資源就會被白白浪費。另外一種響應是同步，可以在事件發(fā)生時生效同步算法，這也就避免了在不需要運行的時候出現(xiàn)的浪費問題。

速率同步：所謂速率同步指的是各個節(jié)點在測量后得出的時間間隔相等。

內同步和外同步：在WSNs網(wǎng)絡體系當中形成全網(wǎng)一致的是內同步，與UTC一致的為外同步，一般只有在外界其他系統(tǒng)或數(shù)據(jù)存檔過程中才需要使用外同步。

接收者同步：接收者同步指的是發(fā)送者在數(shù)據(jù)中嵌入發(fā)送時間，而接收者接收后需要記錄接收時間，利用這些時間計算雙方收發(fā)的時鐘偏移，進而達到時鐘同步的目的。

4.2 時間同步誤差來源

對本地物理時鐘的頻率進行估算可以發(fā)現(xiàn)同步信息時間誤差主要包括以下幾個方面：

發(fā)送時延：在操作系統(tǒng)和當前系統(tǒng)負載的影響之下，網(wǎng)絡層到鏈路層會出現(xiàn)發(fā)送時延的問題。

接入時延：受網(wǎng)絡流量影響，鏈路層協(xié)議等待信道空閑的時間就屬于時延。

傳送時延：由于包長和發(fā)送速度的影響，在物理層發(fā)送數(shù)據(jù)包的過程中也會出現(xiàn)傳送時延的問題。

傳播時延：在無線環(huán)境影響下距離，電磁波速度也會導致數(shù)據(jù)在鏈路傳輸過程中出現(xiàn)時延。

接收時延：與發(fā)送時延相關，在接受數(shù)據(jù)包時，因發(fā)送時延導致接收時延。

接收處理時延：在節(jié)點接收信息之后，需要對該信息進行處理，而處理時間與節(jié)點處理能力有關，若節(jié)點處理能力較差，就會導致接收處理時延。

5 高效率時間同步技術改進

5.1 改進算法

時間同步一般是在檢測到感興趣的事件后，節(jié)點進行同步，而不是進行長期同步。此概念在2002年提出之后在該領域中引起了廣泛的關注，至今已經(jīng)形成多種時間同步算法，在能量需求、基礎設施配備以及其他方面都提出了不同的需求。而ARBS時間同步需要在大范圍內進行，可以借助評估算法獲得多個節(jié)點的時間偏差，為了在此過程中降低能耗，滿足一定的同步精度需要進行協(xié)議改進，在監(jiān)測到事件發(fā)生后，各節(jié)點發(fā)出時間同步請求，只要在節(jié)點信息傳輸路徑上實現(xiàn)時間同步即可，其余沒有事件發(fā)生的節(jié)點在接受到同步信息后，需要判斷時鐘是否保持在誤差范圍之內。

RBS、TPSN、FTPS都屬于耗能較低的時間同步協(xié)議，但是缺乏同步精準度。因此可采用單項報文傳輸來實現(xiàn)兩個節(jié)點之間的同步接收。節(jié)點測量數(shù)據(jù)分組后從發(fā)送節(jié)點到接收節(jié)點單向傳輸，運用分組中的MAC層加上時間標記計算時鐘偏差，并根據(jù)偏差來調整本地時鐘。

在算法改進之后，兩個節(jié)點的同步精度與DMTS算法類似，也就是說采用這一算法，時間同步精度完全取決于節(jié)點對時間偏差的測量精度。

根據(jù)網(wǎng)絡中是部分還是全部節(jié)點時間同步進行劃分，可以將其分為全網(wǎng)同步和局部同步兩類型，局部同步只需要部分與用戶所關注的事件相關節(jié)點時間同步即可，并不需要網(wǎng)絡中全部節(jié)點都同步。由于這一同步過程屬于局部同步，除了強制同步的廣播信息之外，節(jié)點在接收到節(jié)點發(fā)送的同步分組時，可以根據(jù)本地時鐘參照時鐘偏差并決定是否要繼續(xù)同步，因此節(jié)省了不必要的能量耗損，也降低了算法的復雜度。

5.2 螢火蟲同步

在傳統(tǒng)的同步協(xié)議當中，由于多個原因影響會導致同步時間出現(xiàn)偏差，而螢火蟲同步技術不同于傳統(tǒng)同步協(xié)議，螢火蟲的閃光節(jié)奏由內部的振子控制，也是一種全新的同步機制，每個節(jié)點通過進行不停的信號接收與發(fā)送，并改變其他節(jié)點的節(jié)奏，從而實現(xiàn)時鐘同步。

該協(xié)議不需要以報文的方式進行時間同步，可通過物理層直接使用硬件實現(xiàn)時間同步。而且同步精準度并不會受到MAC延遲或協(xié)議處理的影響，也不會加重處理器的負擔。另外由于該協(xié)議對任何信號的同步以及處理方法相同，不會受到同步信號的影響，因此在使用過程中具有較高的擴展性和網(wǎng)絡動態(tài)變化能力，很少會因為外界因素影響時間同步。而且螢火蟲同步技術的同步機制十分簡單，在同步過程中不需要儲存任何時間信息，只要求每個節(jié)點具有相似性，并在這一機制之下形成同步網(wǎng)絡，并通過多節(jié)點的運行，實現(xiàn)時間同步。

所以螢火蟲同步協(xié)議相比起傳統(tǒng)的同步技術更有優(yōu)勢，也可以解決多節(jié)點運行過程中存在的時間偏差問題，可以有效保障信息獲取處理的精準度和有效性。通過增加單位空間內部的測試節(jié)點的總數(shù)，從而進一步擴大節(jié)點的分布范圍，優(yōu)于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡的網(wǎng)絡規(guī)模，以這種方式進一步提高測試的精準度。

5.3 協(xié)作同步技術

在無線傳感器網(wǎng)絡運行過程中，假設節(jié)點密度較高且存在固定傳播延遲問題。節(jié)點的時間模型為速度恒定模型與假設條件存在一定差距，這就需要解決大規(guī)模節(jié)點出現(xiàn)的網(wǎng)絡時間同步問題。

受到各個節(jié)點傳輸功率的影響，節(jié)點報文無法傳輸?shù)捷^遠的節(jié)點當中，但是只要在同一路徑上放置多個節(jié)點就可以進行遠距離傳輸。因此可以了解到雖然單一節(jié)點的發(fā)送功率不足，但是可以在與其他節(jié)點的協(xié)同之下，使得信息傳輸更遠更加高效。想要真正實現(xiàn)遠程時間信息同步，就必須要采用協(xié)同同步技術來建立分布式網(wǎng)絡體系。通過這種方式能夠降低用戶彼此之間的干擾，提高多用戶通信和溝通的效率，實現(xiàn)對資源和信息的最大化利用，操作需求較為簡單。

隨著微科技的發(fā)展，協(xié)作同步技術也可以在原本的多節(jié)點協(xié)同之上進行改進創(chuàng)新，考慮到無線傳感器網(wǎng)絡同步算法運行時能量消耗與同步進度很難同時實現(xiàn)，因此可以運用一種全新的時鐘同步算法，指的是在事件觸發(fā)算法之后，節(jié)點向根發(fā)出同步請求，該路徑上的也需要進行同步，這樣就可以很好地避免沒有必要的分組同步耗損能源，還能夠很好地控制時鐘，誤差保障時鐘誤差在合理范圍之內，從而實現(xiàn)小周期、高效率的時間節(jié)點同步。上行協(xié)作主要是利用通信網(wǎng)絡中的協(xié)作伙伴，不僅能夠負責自己的信息之間的傳送，也可以幫助協(xié)作伙伴進行信息的傳送，這樣就能夠構建與協(xié)作伙伴之間的空間信道，用來進行資源和信息的溝通交流，也能夠獲得一定的空間分集增益。下行協(xié)作主要利用基站間協(xié)作的傳輸技術來提高系統(tǒng)的總體容量，有助于改善傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡的覆蓋領域，也能夠進一步緩解小區(qū)之間的干擾，提高用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾剩ㄟ^抑制多用戶之間信號的干擾，而實現(xiàn)多用戶通信的需求，借助協(xié)作通信能夠形成統(tǒng)一的信號調度。有助于實現(xiàn)對資源的優(yōu)化利用，進一步改善頻譜效率，也能夠以靈活的方式進行資源管理，從而提高整個系統(tǒng)的功率利用效率。這對于無線傳感器網(wǎng)絡今后的改善和應用來說都具有重要的作用。

6 結語

無線傳感器網(wǎng)絡在多個領域都有十分重要的應用價值，但是在實際應用過程中無法忽視始終同步以及能源耗損的問題，解決這些問題可以更好地提高無線傳感器網(wǎng)絡的應用效率，更加高效地進行數(shù)據(jù)收集處理。在進行相關研究之后，也可以發(fā)現(xiàn)將傳統(tǒng)的時鐘同步技術與其他技術有效融合，可以實現(xiàn)良好的互補作用。而且采用全新的同步算法，也能夠提高傳感器精準度，還能夠在一定程度上降低能源的損耗，提高節(jié)點的使用壽命，降低維護成本。