无线传感器网络时间同步技术分析

摘要：时间同步是无线传感器网络管理的重要内容，它是无线传感器网络应用可以可靠运行的前提。本论文分析了无线传感器网络时钟偏差的根源，阐述了同步技术的发展现状，分别介绍了目前三种时间同步机制中的典型算法，探讨了无线传感器网络时间同步技术领域的难题，最后提出了今后在该领域的研究方向。

关键词：无线传感器网络；时间同步；典型算法

中图分类号：TP311 文献标识号：A 文章编号：2095-2163（2016）02-

The Analyzing of time synchronization technique for

Wireless Sensor Networks

LIN Xiaopeng

（Xiamen Ocean Vocational College， Xiamen，Fujian，361012， P.R.China，）

Abstract： Time Synchronization is one of important content and is definitely a prerequisite for the applications of Wireless Sensor Network. The reason of network time offset is analyzed and current research statuses of time synchronization are summarized in this paper. Three forms of typical time synchronization algorithm are discussed. Finally， the challenged and further research directions of wireless sensor networks are presented.

Keywords： WSN； Time Synchronization； Typical algorithm

0 引言

无线传感器网络[1]（Wireless Sensors Network，WSN）是在监测区域内部署大量传感器节点，以无线通信方式形成的单跳或多跳的自组织网络系统，以协同感知、采集和处理监测区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络能大大提高人类对物理环境的远端监视和控制能力，在国防军事、环境监测、智能交通、医疗保健、物流管理、农牧业生产等方面有着广泛的应用[2]。

无线传感器网络往往需要大规模地部署于野外环境，其节点的计算资源和存储资源都十分有限，与传统计算机网络相比较，无线传感器网络在网络设备、终端节点、工作环境等方面与传统网络存在显著差异，传统的网络管理无法完全应用于无线传感器网络。网络管理技术是实现无线传感器网络可靠、安全、有效运行的保障，而时间同步是无线传感器网络管理的关键技术之一[3]。

基于无线传感器网络的应用，如目标定位和追踪、协同数据处理、能量管理等都需要时间同步的保障。如在目标定位和追踪应用中，除了要检测目标的位置、速度、前进方向等信息外，还必须有采集信息的时戳，才能正确绘制出目标的运动轨迹。由于传感节点的能量有限，为了节约能耗以延长网络生存周期，传感节点大部分时间要处于休眠状态，在准备工作时需及时唤醒，这也要求各节点要有准确的时间同步。此外，数据融合、通信信道复用等也都需要时间同步的保障。

目前，学术界和业界对无线传感器网络的时间同步技术进行了一定的研究，本文总结了无线传感器网络时间同步技术的研究现状，对三种不同时间同步机制的经典算法进行分析和比较，讨论了同步技术下一步研究的方向。

1 时钟描述及时钟偏移

在无线传感器网络中，各传感节点分布于一定的物理区域内，因节点内部时钟晶振的频率偏差、各节点所处的工作环境差异、电磁干扰等原因，使得各节点时间出现偏差，所以节点间需要周期性进行本地时钟信息的交互，以保证各节点的时间一致性。只有整个网络内各节点时间达到同步，无线传感器网络的应用才有效果实现的强大理想保障。

1.1 时钟描述

表示t0时刻节点i的硬件时间， 表示节点i的硬件时钟因环境温度和干扰等产生的偏差。这是节点间时间偏差的硬件因素。

1.2 信息传输延迟

在发送端，需要对检测到的信息进行处理，并按一定的协议标准封装成数据包，其中存在延时主要取决于处理器的性能和负荷，可能高达几百毫秒。排队延时是指封装后的数据包从进入传输通道直至开始发送的时间，这一过程主要取决于网络负载情况，可能从几毫秒到几秒。发送延时是发送节点将信息全面发出需要的时间。传播延时是数据包从发送节点到接收节点花费的时间，主要取决于两者的通信方式和距离。接收延时是接收节点全部接收到数据包的时间，接受延时是对收到的数据包进行处理，再传递给上层应用程序的时间。

延迟的产生也会导致节点的同步时间偏差，需要对信息传递过程的延时进行分析补偿，以消除同步信息传输过程的不确定性，提高系统的同步精度。

2 同步技术研究现状

自从2002年J.Elson和K.Romer在学术会议HotNets上首次提出时间同步这一研究课程后，到目前为止，无线传感器网络的时间同步技术取得了一定进展，开发出了多种时间同步算法。这些算法可以分为基于接收者—接收者的时间同步算法、基于成对同步的双向时间同步算法、基于发送者—接收者的单向时间同步算法等3类。RBS[5]、TPSN[6]、FTSP[7]分别是这3类同步机制的典型代表算法，其他代表性的同步算法还有DMTS[8]、LTS[9]、TSync[10]、GCS[11]等。在此，则针对RBS、TPSN和FTSP这3类典型算法给出性能概述与分析。

首先，RBS算法是无线传感器时间同步技术领域的开创性成果。改算法通过指定的“时标”节点周期广播时间信息分组，位于广播域内的节点用各自的时钟记录接收到该分组的时间，随即接收节点再两两互换消息以确定节点之间的时钟偏移量，最终达到各节点的时钟同步。在Mote试验平台上，RBS可以达到29微秒的同步精度。但RBS同步误差与跳数的平方根成正比，并且仅能够实现在广播域内节点的局部时间同步，却难以应用于密集多跳的网络中。

其次，TPSN算法将整个网络按层次进行划分，指定根节点初始化分层消息后逐层扩散，发送者与接收者依次成对同步来实现整个网络内的时间同步。TPSN扩展性好，结果的同步精度也优于RBS，但其根节点的失效将严重影响同步过程。

第三，FTSP算法形成一个Ad-hoc网络结构来将全局时间从根节点转换到所有节点，对链路故障、动态拓扑改变有较强的鲁棒性，可以达到很高的同步精度，且算法的复杂度和功耗低，在实际需要中也已得到广泛应用。

目前对于单跳网络的同步研究已趋于成熟，但由于同步误差的累积，导致单跳网络的同步技术难以扩展到多跳网络，使得多跳网络的同步技术研究较为薄弱。若再考虑节点的移动性，则会极大增加同步技术的研究难度。因此，无线传感器网络的时间同步技术还有很大的研究空间。

3 时间同步经典算法

3.1 基于接收者—接收者机制的同步算法

各节点可通过式（2）得到相对其他所有节点时钟偏移量的平均值，经多轮同步获得接收节点之间的时间偏差值，并据此调节本地时钟实现时间同步。RBS算法允许节点构建本地的时间尺度，并且通过同步信息包的多轮发送，极具现实优势地消除传输过程中的时间不确定性；另一方面，其缺点却在于当网络节点数量增多时，将会使得同步收敛时间大大延长。

节点可以根据计算结果调到自身时间，按层次结构分层逐级执行同步，如此操作直至全网同步完成为止。TPSN算法容易扩展，同步计算量也较小，但该算法还不能应用于快速移动节点，而且也不支持多跳网络。

FTSP算法对链路故障、动态拓扑改变具有较强的鲁棒性，可以达到很高的同步精度，且算法的复杂度和功耗低，在实际的研究发展中得到广泛应用。

4 结束语

本文介绍了节点时钟的模型，分析了无线传感器网络中时钟偏差的原因，对目前时钟同步技术的发展现状进行总结，分别介绍了基于接收者-接收者机制、基于发送者-接收者机制、基于发送者-接收者机制等3种同步类型中的典型算法。

在无线传感器网络中，时间同步不仅要关注同步精度，还要考虑算法复杂度、同步能耗、可扩展性、网络尺寸、鲁棒性等性能参数。目前对于单跳网络的同步研究已趋于成熟，能够满足大多数应用场合的现实需求，在多跳网络中则要进一步考虑同步误差累计、节点移动性的影响等因素。

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