無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步算法的研究與探討

摘要：時(shí)間同步是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合、TDMA調(diào)度、定位等基本應(yīng)用的基礎(chǔ)。從時(shí)間同步的概念和定義出發(fā)，首先對(duì)幾種經(jīng)典的常用的時(shí)間同步算法及新型的螢火蟲同步和梯度同步算法進(jìn)行了介紹，然后主要分析分布式的時(shí)隙互同步算法，最后展望了未來時(shí)間同步算法的研究方向。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；梯度同步；分布式時(shí)隙同步算法

引言
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合了傳感器、低功耗嵌入式計(jì)算器、無線網(wǎng)絡(luò)和通信、分布式信息處理等技術(shù)，利用傳感節(jié)點(diǎn)通過自組網(wǎng)絡(luò)對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集，在環(huán)境、資源、智能交通、礦井安全等領(lǐng)域都有著良好的應(yīng)用前景，是近年來國(guó)內(nèi)外信息領(lǐng)域研究和競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。而時(shí)間同步技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一項(xiàng)非常關(guān)鍵的基礎(chǔ)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議NTP(Network Time Protocol)是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步協(xié)議，最早由美國(guó)Delaware大學(xué)的Mill教授提出。然而NTP是應(yīng)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的能量效率、網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)、基礎(chǔ)設(shè)施和系統(tǒng)而構(gòu)建，因此并不適合低功耗、低成本、微型化、高集成、協(xié)作式多跳自組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。另外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步算法還要考慮能量消耗、可拓展性、精確度、魯棒性等問題，這些都對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步算法提出了新的要求和挑戰(zhàn)。
    在2002年的HotNets上，J Elson和Kay Romer首次提出并闡述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)的課題，在國(guó)際上引發(fā)了廣泛的關(guān)注和思考，吸引了許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)參與研究，已經(jīng)提出許多種不同的實(shí)現(xiàn)算法及改進(jìn)算法，典型的有RBS算法、TPSN算法、還有TDP算法、FTSP算法、DMTS算法、LTS算法、TS／MS算法、HRTS算法、OFDC算法、CHTS算法、CRIT算法以及最新的基于螢火蟲技術(shù)和協(xié)作技術(shù)的時(shí)間同步算法等。

1 概念與定義
    在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中，時(shí)鐘通常用品體振蕩器脈沖來度量，即
   
    式中C(t)為構(gòu)造的本地時(shí)鐘，t為真實(shí)時(shí)間變量，k為依賴于晶振的物理特性常量，ω(τ)為晶振的頻率，間隔c(t)-c(t0)被用來作為度量時(shí)間。對(duì)于理想的時(shí)鐘，有r(t)=dc(t)／dt=1，也就是說，理想時(shí)鐘的變化速率r(t)為1。但在工程實(shí)踐中，因?yàn)闇囟?、壓力、電源電壓等外界環(huán)境的變化，往往會(huì)導(dǎo)致晶振頻率產(chǎn)生波動(dòng)。因此構(gòu)造理想時(shí)鐘比較困難，但在一般情況下晶振頻率的波動(dòng)幅度并非任意的，而是局限在一定范圍之內(nèi)。為了方便描述與分析，定義了速率恒定模型、漂移有界模型和漂移變化有界模型。
    假定c(t)是一個(gè)理想的時(shí)鐘。如果在t時(shí)刻有c(t)=ci(t)，則稱ci(t)在t時(shí)刻是準(zhǔn)確的；如果dc(t)／dt=dci(t)／dt。則稱時(shí)鐘ci(t)在t時(shí)刻是精確的；如果ci(t)=ck(t)，則稱時(shí)鐘ci(t)在t時(shí)刻與時(shí)鐘ck(t)是同步的。上述定義表明，兩個(gè)同步時(shí)鐘不一定是準(zhǔn)確或精確的，時(shí)間同步與時(shí)間的準(zhǔn)確性和精度沒有必然的聯(lián)系。
    如果采用時(shí)鐘速率恒定模型，由式(1)，時(shí)鐘ci(t)可以簡(jiǎn)化表示為：
    ci(t)=ai·t+bi     (2)
    由此可知，時(shí)鐘ci(t)和ck(t)之間應(yīng)該存在如下的線性關(guān)系：
    ci(t)=aik·ck(t)+bik     (3)
    式中aik、bik為相對(duì)漂移量和相對(duì)偏移量。

2 典型同步算法
    Elson、Girod和Estrin在參考文獻(xiàn)中以“第三節(jié)點(diǎn)”實(shí)現(xiàn)同步的思想提出了RBS算法，這是一種基于接收者一接收者的時(shí)間同步協(xié)議。根節(jié)點(diǎn)周期性地向其廣播域中的子節(jié)點(diǎn)發(fā)送不包含時(shí)間戳的參照廣播(Referenccs Broadcast)消息。接收到廣播消息后，鄰居子節(jié)點(diǎn)用自已
的本地時(shí)鐘記錄各自的接收時(shí)刻作為參考比對(duì)時(shí)鐘，然后相互交換它們記錄的時(shí)間信息，這樣接收節(jié)點(diǎn)就能知道彼此之間的時(shí)鐘偏移量。然后利用式(4)計(jì)算相對(duì)其他各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘偏移的平均值，并相應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)都獲得相對(duì)其他節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘偏移量平均值時(shí)，所有接收同一參照廣播消息的接收節(jié)點(diǎn)便獲得了一個(gè)相對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間，即：
   
    式中：n為待同步節(jié)點(diǎn)數(shù)，m為參考廣播的次數(shù)，Ti,k為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)接收第k次參考廣播的本地時(shí)刻。顯然，由offset(i，j)形成的矩陣為對(duì)稱矩陣，且對(duì)角線元素為0。
    TPSN算法是由Ganeriwal等人提出的，是一種基于發(fā)送者和接收者的時(shí)間同步算法。采用層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。算法分兩步：首先是層次發(fā)現(xiàn)階段，建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；然后每個(gè)節(jié)點(diǎn)與上一級(jí)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間同步，最終實(shí)現(xiàn)所有節(jié)點(diǎn)都與根節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步。
    FTSP協(xié)議是一種單向廣播的發(fā)送者和接收者的時(shí)間同步辦議。協(xié)議首先要網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)地選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)的根節(jié)點(diǎn)，其時(shí)間作為全網(wǎng)的參考時(shí)間，根節(jié)點(diǎn)把含有當(dāng)前本地時(shí)間的信息包發(fā)送給它單跳廣播域內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)；鄰居節(jié)點(diǎn)在收到信息后分別記錄相應(yīng)的接收時(shí)間，采用參數(shù)擬合技術(shù)算出相對(duì)于根節(jié)點(diǎn)的時(shí)間漂移和時(shí)間偏移；然后這些與根節(jié)點(diǎn)同步了的鄰居節(jié)點(diǎn)也作為參考節(jié)點(diǎn)，采用與根節(jié)點(diǎn)同步的相同的辦法，使它們的鄰居節(jié)點(diǎn)也實(shí)現(xiàn)與其同步。
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最常見的幾種同步算法的性能比較如表1所列。

3 螢火蟲同步算法和梯度同步算法
    前面的時(shí)間同步技術(shù)都是基于時(shí)間信息交換的同步技術(shù)，然而在大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，存在同步誤差會(huì)隨著跳距而積累的問題和可拓展性需求等問題。螢火蟲同步技術(shù)和協(xié)作同步技術(shù)是為了實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的同步性，即使節(jié)點(diǎn)的某些周期性動(dòng)作具有相同的周期和相位，例如使一群螢火蟲同步閃爍并且閃爍周期相同。1990年，Mirollo和Strogatz在Peskin模型的基礎(chǔ)上提出了更一般的脈沖耦合振蕩器模型(后簡(jiǎn)稱為M＆S模型)。在此模型中，振蕩器使用狀態(tài)變量x來描述，x的變化服從函數(shù)f(φ)，其中f是一個(gè)[0，1]到[0，1]的光滑單淵遞增上凸函數(shù)，φ是相位變量且滿足(T是同步周期)。Mirollo和Strogatz從理論上證明了在M＆S模型下，多個(gè)耦合振蕩器系統(tǒng)在幾乎所有的初始情況下都能夠達(dá)到同步，并在無線多跳網(wǎng)絡(luò)測(cè)試床Gains上實(shí)現(xiàn)了M＆S模型的螢火蟲同步算法。
    麻省理工學(xué)院的Rui Fan、Nancy Lynch兩位作者第一次提出了GCS梯度同步算法。在移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)中往往是鄰居節(jié)點(diǎn)聯(lián)系比較密切，而相距較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)很少交換消息，因此相距較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)可以允許較大誤差。如數(shù)據(jù)融合中，具有相同父節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)需要精確的同步，但是較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)不是同一個(gè)父節(jié)點(diǎn)，可以允許誤差大一些。作者就是根據(jù)這一特征提出了梯度同步算法。在通常的時(shí)間同步算法的基礎(chǔ)上，假設(shè)兩任意節(jié)點(diǎn)i、j，f(dij)為節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間的最大時(shí)鐘差，時(shí)鐘記為。信息從節(jié)點(diǎn)i傳到j(luò)的傳播時(shí)間為0到dij，dij為節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的距離。D=maxijdij為網(wǎng)絡(luò)的直徑。GCS提出了兩要求：
   
    計(jì)算出時(shí)鐘漂移的最低邊界滿足f(D)=Ω(d+lgD／lg lgD)，這也就是說節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘漂移不只與兩個(gè)節(jié)點(diǎn)問的距離有關(guān)，還與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模有關(guān)，越近的節(jié)點(diǎn)同步效果越好，反之越差。GTSP(Gradient Time Synchronization Protocol)協(xié)議中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過接收鄰居節(jié)點(diǎn)的時(shí)間來修正自己的時(shí)鐘，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)無需建立一個(gè)拓?fù)錁浣Y(jié)構(gòu)，也無需參考節(jié)點(diǎn)，主要是實(shí)現(xiàn)直接的鄰居節(jié)點(diǎn)間直接的高精度的同步，同時(shí)考慮時(shí)間漂移和偏移補(bǔ)償，漂移補(bǔ)償采用式(5)。通過這種補(bǔ)償機(jī)制，所有節(jié)點(diǎn)的邏輯漂移將趨近值Xss；時(shí)鐘偏移補(bǔ)償采用式(6)。協(xié)議的作者在Mica2節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行了仿真，通過20個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，采用Mac層時(shí)間戳技術(shù)，得出鄰居節(jié)點(diǎn)之間的平均同步精度達(dá)到4．0μs，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平均同步精度達(dá)到14．0μs。
   

4 分布式時(shí)隙同步算法
    主從同步方法是網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)保持時(shí)間同步，對(duì)參考節(jié)點(diǎn)依賴性高，且同步的誤差隨著跳數(shù)而累積；分布式同步則利用網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的彼此時(shí)間信息進(jìn)行調(diào)整，不依賴任何特殊的節(jié)點(diǎn)，且不會(huì)有誤差的累積，因此更加適合于大型的多跳自組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。分布式時(shí)隙同步算法利用了網(wǎng)絡(luò)中鄰居節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙偏差值來計(jì)算時(shí)隙的調(diào)整量，實(shí)驗(yàn)證明該算法收斂速度快，平均每個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算量小，非常適合于移動(dòng)自組網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行。采用固定的時(shí)隙調(diào)整時(shí)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)間時(shí)隙基準(zhǔn)是超前還是滯后來調(diào)整時(shí)隙基準(zhǔn)。基于分布式一致的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步協(xié)議的收斂和加速問題研究中，將分布式一致的收斂和加速問題映射到馬爾科夫鏈的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程，但是排除了連通度對(duì)收斂速度的影響，得出收斂速度與節(jié)點(diǎn)鄰居數(shù)和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模有關(guān)的結(jié)論，并通過100個(gè)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)得出了可以降低25％的迭代數(shù)的結(jié)論。
    假設(shè)網(wǎng)內(nèi)任意節(jié)點(diǎn)i，對(duì)應(yīng)其所有的鄰居節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙差值為△tij，可以算出所有鄰居節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙偏差值的加權(quán)平均值為εi，時(shí)隙修正量ωij。節(jié)點(diǎn)互同步過程如圖1所示，假設(shè)節(jié)點(diǎn)5能感知其鄰居節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)3、節(jié)點(diǎn)6、節(jié)點(diǎn)9)的參考時(shí)隙偏差△t53(n)、△t56和△t59(n)，從而計(jì)算出自己的時(shí)隙調(diào)整量：
    ε5=ω55×0+ω53△t53(n)+ω56△t56(n)+ω59△t59(n)     (7)
    式中ω55+ω53+ω56+ω59=1，然后計(jì)算出參考的時(shí)隙基準(zhǔn)：
    t5(n+1)=t5(n)-ε5(n)      (8)

    即可根據(jù)和鄰居節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙偏差，選擇合適的時(shí)隙修正量使全網(wǎng)時(shí)間同步。為了理論分析，可以認(rèn)為時(shí)間基準(zhǔn)偏差εi是該節(jié)點(diǎn)i與全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)時(shí)隙偏差的加權(quán)平均值，不連通節(jié)點(diǎn)的權(quán)值為0，即，式中N為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)。一種可行的權(quán)值選擇方法是采用鄰居節(jié)點(diǎn)的算術(shù)平均法，把相鄰的節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙偏差算術(shù)平均后作為時(shí)隙的修正量。對(duì)此算法的收斂性的仿真分析得出，隨著節(jié)點(diǎn)覆蓋半徑的提高，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的連通度增大，網(wǎng)絡(luò)的最大跳數(shù)變少，因而收斂速度提高。算法平均迭代38次可以達(dá)到最大時(shí)隙偏差收斂到10-5以下。

5 總結(jié)及展望
    本文從時(shí)間同步的概念出發(fā)，首先簡(jiǎn)要介紹了幾種典型的時(shí)間同步算法及分析了他們的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)它們的時(shí)間同步算法的性能進(jìn)行了綜合比較，然后還介紹了與傳統(tǒng)基于時(shí)間信息交換的時(shí)間同步算法不同的兩種新技術(shù)：螢火蟲同步技術(shù)和協(xié)作同步技術(shù)。雖然目前對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步算法的研究已經(jīng)取得了如此大的進(jìn)展，但是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不同的應(yīng)用特征，還可以在以下幾個(gè)方面作進(jìn)一步的研究和發(fā)展：
    ①大規(guī)模無限傳感節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步研究?，F(xiàn)有的大部分時(shí)間同步算法都是在實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，是基于幾個(gè)或小規(guī)模的單跳網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的仿真和研究。而現(xiàn)實(shí)中，隨著傳感器節(jié)點(diǎn)的低成本、微型化，及實(shí)際中的應(yīng)用，大規(guī)模的多跳的無線自組網(wǎng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究將是今后研究的方向之一。
    ②魯棒性和容錯(cuò)性的研究?，F(xiàn)有的時(shí)間同步算法基本上都是在實(shí)驗(yàn)室或較簡(jiǎn)單的室外環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的，和實(shí)際的不可預(yù)測(cè)的、惡劣的真實(shí)環(huán)境相比，存在更多的干擾因素，因此時(shí)間同步算法在現(xiàn)實(shí)中的魯棒性和容錯(cuò)性的研究也將是今后的研究方向之一。
    ③可拓展性的研究。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的生產(chǎn)商很多，網(wǎng)絡(luò)中一般會(huì)包含大量的不同類型的移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)，時(shí)間同步算法要相互兼容就需要很好的可拓展性，因此時(shí)間同步算法的可拓展性也值得進(jìn)一步研究。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是與實(shí)際應(yīng)用相關(guān)的，不同的應(yīng)用需要不同的時(shí)間同步精度和能耗要求，因此對(duì)時(shí)間同步的需求也是多種多樣的，應(yīng)該結(jié)合特定的實(shí)際應(yīng)用來研究和開發(fā)時(shí)間同步算法。