无线传感器网络时间同步机制设计

廖丁毅 曾维卓

【摘要】由于价格、体积和能耗的约束，傳统的NTP和GPS时间同步机制在无线传感器网络中的应用有很多限制，而时间同步是传感器节点进行数据采集、目标定位和跟踪的保证，本文研究了一种可用于运动节点的RTT时间同步机制，仿真分析表明网络时间同步精度优于50ns。

【关键词】无线传感器网络;时间同步;

NTP、PTP（IEEE 1588v2）等时间同步方式能达到精确的时间同步，但这些同步协议都是建立在以太网上的，如何推进在无线网络上进行时间同步的应用是后续需要努力的方向;GPS授时能够在无线环境下应用，但其成本高、能耗高以及低适应力等不足限制了其在无线传感器网络中的应用。

无线传感器网络是一种分布式网络系统，且不需要底层网络设备的支持，网络中的节点彼此合作完成通信过程。无线传感器网络具有：能量有限、性能有限、通信带宽有限和网络结构动态变化等特点，无线传感器网络的时间同步机制在设计上需要考虑信道占用率和算法复杂度，设计适应无线传感器网络的时间同步机制有重要的现实意义。

1. 无线网络时间同步方案

时间同步方案是通过硬件和软件将网络从节点的时钟与主节点时钟设备的时钟实现同步，使得分布式网络内的各层子节点与顶层主节点同步。

时间戳设计：时间戳是指数据发送或到达本机时刻的一个标志，时间同步是通过主、从节点交换时间戳信息达到同步的目的，时间戳侦测可以在应用层、协议层或物理层实现， 应用层、协议层属于软件层面，侦测精度受到处理器运行速度、任务调度等环境影响，精度不高。要实现高精度的时间同步，需要高精度的时间戳，时间戳的侦测点越靠近物理层，其所测量的时间戳越精确，本方案采用硬件时间戳来保证时间测量精度。（见图1）

点对点时间同步流程：（见图2）

步骤1：主节点在T1时刻发送一个包给从节点，并在记录发送时间戳（T1），时间戳同时被放入到发送的数据帧中。

步骤2：从节点接收到主节点发送的数据帧，并记录接收时间戳（T2），并从数据帧中解出T1，并记录。

步骤3：从节点在T3时刻发送一个回复数据帧给主节点，并记录发送时间戳（T3），时间戳同时被放入到发送的数据帧中。

步骤4：主节点接收到数据帧，并记录接收时间戳（T4）。

步骤5：主节点根据时间戳T1，T2，T3，T4来计算时间偏差（Offset）与传输延时R（假设往返传输延时相同）：

（2-1）

联立（2-1）两式，可得：

（2-2）

步骤6：主节点在T5时刻发送计算结果数据帧（包含计算结果时间偏差）。

步骤7：从节点在T6时刻接收到结果数据帧，解出时间偏差值，并根据该值进行时钟调整，完成同步。

相对运行速度估计及补偿：

为了适应运动环境及进行高精度相对定位，需开展积分多普勒的观测，本方案在发送数据时，同时发射两个载波频率f1、f2。

对于载频f1、f2由积分多普勒值得到的多普勒频偏分别为、，则有：

（2-3）

（2-4）

公式中为接收机与发射机晶振之间的频差;，为载波f1、f2的多普勒频移;为接收机和发射机的相对运动速度。从而求出接收机和发射机晶振的之间的频差并且进行补偿，得到真实的多普勒频移：

（2-5）

（2-6）

（2-7）

多节点时间同步流程：

多跳式网络时间同步拓扑图如图3所示，网络中心位置红色的节点是Sink节点，是具有高精度的时钟源或已与外部高精度时钟同步的节点，蓝色的节点为待同步节点。

时间同步首先要建立时钟树。首先以Sink节点为顶层节点，层次树编号0，Sink节点广播一个建立时间同步树指令的初始化的数据帧，包含本节点的编号，层次树编号和发送时间。附近的节点接收数据帧以后，将收到的数据帧中层次最低的节点作为其父节点，之后等待一个预先定义的时间T，再向附近节点广播建立本节点的时间树指令的数据帧，同样也包含本节点的节点编号、层次树信息。重复上述过程，直到网络内所有节点的父节点和层次树都得到确定。

网络同步采用TDD模式。假设Sink节点下级有2个子节点，在第一个时隙Sink点携带自己的时间戳信息发送广播帧给2个子节点。在第二个时隙子节点1回复一个数据帧。在第三个时隙子节点2也回复一个数据帧。然后在第四个时隙Sink节点计算出2个子节点与自己偏差，并偏差放入数据帧中广播给2个子节点。两个子节点收到数据帧得到自己的偏差并做时钟调整，完成与父节的同步。之后两个子节点再向下一层的节点进行同步。

2. 误差分析

本文采用OPNET软件的仿真平台进行分析。跳数对同步精度的影响如图4所示：

从仿真结果可以得出，当网络跳数为8跳时，网络同步后时间偏移的误差大约40ns。

3. 结束语

本文分析了一种用于无线传感器网络的时间同步机制，仿真表明当网络跳数为8跳时，网络同步误差优于50ns，在工程上有一定的参考价值。

参考文献：

[1] CHEN D，NIXON M，MOK A.WirelessHART： Real-Time  Mesh  Network  for  Industrial Automation[M]. Springer Publishing Company， Incorporated， 2010.

[2] GIUSTINA D D，FERRARI P，FLAMMINI A， et al.Experimental Characterization of Time Synchronization over A Heterogeneous Network for Smart Grids [C].2013 IEEE International [3] ELSON J，RÖMER K.Wireless Sensor Networks： A New Regime for Time Synchronization [J].ACM  SIGCOMM  Computer  Communication  Review， 2003， 33（1）： 149-154.

[4] 汪付强.面向工业应用的无线传感器网络时间同步算法研究[D].辽宁：中国科学院沈阳自动化研究所，2011.

作者简介：廖丁毅（1983-），男，广州海格通信集团股份有限公司工程师，研究方向：卫星导航与时频技术。曾维卓（1992-），男，广州精天信息科技股份有限公司助理工程师，研究方向：为北斗导航与通信技术。