鐵路運輸裝備監測節點時間同步算法

車亞輝，鄭貴省，李月明，王 鵬

(1.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161； 2.軍事交通學院 基礎部，天津 300161；3.軍事交通學院 學員旅，天津 300161)

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鐵路運輸裝備監測節點時間同步算法

車亞輝1，鄭貴省2，李月明1，王 鵬3

(1.軍事交通學院 研究生管理大隊，天津 300161； 2.軍事交通學院 基礎部，天津 300161；3.軍事交通學院 學員旅，天津 300161)

對數據采集與處理時序有嚴格要求的無線傳感器網絡必須進行時間同步，不同的時間同步技術會影響整個網絡的時間同步精度、算法復雜性、功耗及通信帶寬等。研究現有的時間同步算法在鐵路運輸裝備監測無線傳感器網絡應用上存在功耗和魯棒性方面的限制，基于分簇思想，提出無線傳感器網絡的I-PTP算法。仿真結果表明，該算法能夠在保證時間同步精度的同時，節約能量消耗，一定程度上提高實際應用水平。

鐵路運輸裝備；無線傳感器網絡；時間同步算法

無線傳感器網絡包含大量微型低功耗傳感器，是依靠節點間的相互協作，通過無線方式完成通信的分布式自治網絡系統，而時間同步技術是其實現目標跟蹤、數據融合等功能的基礎[1]。在鐵路裝備運輸中，由于貨運列車不具備自帶電力設備和網絡連接的條件，一般情況下，也僅能通過無線傳感器網絡對其運輸物資進行安全監測。實際應用中，監測網絡的單個節點成本較低、體積較小，通常只能利用晶體振蕩器和無線通信模塊作為時間同步器件。由于頻率的不同步是晶體振蕩器的固有屬性，加之電壓和溫度的變化，都會導致節點的時鐘在長時間累積中產生偏差，無法保證網絡中的節點全部或者部分在瞬時的同步[2]。

而實際中，節點需要彼此并行操作，將不同節點收集的數據按時序進行融合，提高監測信息質量，并通過數據的時間相關性剔除冗余的信息，減少通信量；其次，要保證網絡的低功耗，提高監測節點的實際可用性，睡眠喚醒的節能機制是必不可少的。其與節點的協作傳輸以及安全協議均利用時間作為基礎來優化網絡性能或彌補傳感器節點硬件功能方面的不足[3]。因此，實現節點的時間同步成為基于無線傳感器網絡的鐵路運輸裝備監測系統功能實現的前提和關鍵。本文圍繞與時間同步相關的問題展開研究，介紹幾種常用無線傳感器網絡時間同步算法的基本原理，分析其優缺點，并基于分簇網絡思想，改進PTP算法，使其適用于鐵路運輸裝備監測的無線傳感器網絡時間同步。

1 常見的時間同步算法

1.1 RBS同步算法

參考廣播同步算法(reference broadcast synchronization，RBS)，是由J. Elson等人提出基于receiver-receiver(接收者-接收者)的同步算法。該算法以網絡中任一節點為基準參考點，向其他節點周期性地廣播同步消息。其他節點記錄接收到同步廣播消息的時間，并相互交換該記錄時間，根據計算及比較彼此的時鐘偏移量，最終使網絡內的節點彼此之間實現時間的同步(如圖1所示)。

圖1 RBS同步原理

基準參考點R廣播同步消息后，節點i、j、k分別在時刻tir、tjr、tkr接收到該報文。隨后各接收節點之間交互比較接收時間，可得出節點j、k與節點i之間的相對時間偏移分別為tjr-tir、tkr-tir，根據時間偏移調整各節點本地時鐘實現時間同步。

RBS算法可以很好地消除同步過程中發送時間和訪問時間帶來的誤差，但是并沒有實現基準節點與其他節點間的同步。另外，算法頻繁同步會導致網絡有較大的通信量和多余的能量開銷，所以該算法在鐵路運輸背景下的應用效果較差。

1.2 TPSN同步算法

傳感器網絡時間同步協議(timing-sync protocol for sensor networks，TPSN)。該算法參考網絡網絡時間協議(network time protocol，NTP)中的雙向報文傳輸機制，通過對稱性計算傳輸延時，提高同步精度。

TPSN算法采用層次型結構，選擇具有精確時間同步器件的節點作為參考節點，將時間同步過程劃分為兩個階段：一是分級階段，為傳感器網絡劃分層次結構，作為0級根節點(參考節點)廣播分級數據包，依次為其他節點賦予一個級別；二是同步階段，第1級節點與根節點進行時間同步，并作為新的參考節點與下一級節點進行同步，以此類推，第i級節點與第(i-1)級節點間進行時間同步，直至實現全網的時間同步(如圖2所示)。

圖2 TPSN時間同步算法

第i級節點在t1時刻向第(i-1)級節點發送帶有時間戳的報文，第(i-1)級節點在t2時刻接收到報文，并在t3時刻回復。設傳播時間為Delay，節點時差為Δt，則

t2=t1+Delay+Δt

t4=t3+Delay-Δt

以此來保證節點間的同步。

TPSN算法能夠實現整個網絡范圍內節點的時間同步，但是隨著跳數距離增加，同步誤差隨之成正比增長；其次，在分級階段沒有考慮到新的傳感器節點加入以及個別傳感器節點失效的情況，出現此類情況時需要對網絡層次進行初始化，導致算法魯棒性不足。

1.3 PTP時間同步協議

同樣借鑒了NTP機制的精準時間同步技術(precision timing protocol，PTP )，也叫作IEEE1588時間同步協議，是一種應用于Internet網路的高精度時間同步算法，其配置容易，收斂速度快，對帶寬及資源消耗較小。

該協議的同步過程如圖3所示。主設備周期性地廣播時間同步(sync)報文，并隨即發送一條Follow_up報文記錄sync報文的發送時間t0；從設備接收兩條報文后，于時刻t2向主設備發送時延請求報文，并記錄下主設備發送sync報文的時間t0以及自身接收到sync報文的時間t1；隨后主設備在t3時刻收到延遲請求報文后，將時間戳t2、t3放于響應報文發送至從設備。

圖3 PTP時間同步算法

通過兩次交互，從設備得到了t0、t1、t2、t3這4個時間。設傳輸時延為Delay，節點時間偏差Δt：

Delay=[(t1-t0)+(t3-t2)]/2

Δt=t1-(t0+Delay)

根據時間偏差修改從設備的本地時鐘，完成同步。

PTP協議可以保證網絡中各節點間的同步精度，一定程度上消除時間偏差以及傳輸時延的影響。但是該協議會受數據包發送頻率的影響，對于網絡傳輸速率以及吞吐量的要求較高，因此，將其直接應用于鐵路運輸裝備監測的無線傳感器網絡中，會使得網絡負載大大增加，既不能保證同步精度，也無法保證其可靠性。

2 鐵路運輸裝備監測節點的時間同步算法設計

鐵路運輸裝備監測節點的安裝原理圖如圖4所示。

圖4 裝備監測節點應用示意

姿態基準節點與姿態信息采集節點之間通過Zigbee網絡進行數據傳輸；姿態基準節點與監控終端通過Sub-GHz進行交互。

針對已有算法存在的限制，首先對鐵路運輸裝備監測網絡的拓撲結構進行優化，建立分簇型網絡，選取監控終端作為基站，姿態基準節點作為簇首節點，同一平車上的其他傳感器節點作為同簇內待同步節點。將時間同步的過程分為兩個階段，分別是基站與簇首節點的時間同步階段以及簇首節點與同簇內待同步節點的同步階段。以此減小基站的負荷，并在一定程度上降低網絡跳數增多帶來的誤差積累[4]。

2.1 算法描述

考慮到鐵路運輸裝備監測無線傳感器網絡低功耗的特點，根據TPSN算法的原理，可以通過減少握手次數來降低PTP協議在網絡中的開銷來實現時間的精準同步。將PTP協議的兩次握手變換成1次握手來完成節點間的時間延時和時間偏差測量。改進后的時間同步算法 (improved precision timing protocol，I-PTP)由待同步節點發起，節點不僅可以即時加入，也可以即時離開。

如圖5所示，以第一階段為例，簇首節點周期性地向基站發送時間同步(sync)報文，并記錄下發送同步報文的時間tc1，基站接收到后會響應一條帶有sync報文接收時間tb1以及應答報文發送時間tb2時間戳的應答報文，簇首節點在接收到該報文后，記錄下接收時間tc2。通過這一次握手的交互，簇首節點可得到基站的兩個時間tb1、tb2以及簇首節點的兩個時間tc1、tc2。

圖5 I-PTP時間同步算法

該算法中將網絡看作是對稱的，則傳輸時延為

Delay=[(tc2-tc1)+(tb2-tb1)]/2

同步后的簇首節點時間t′為

t′=t-(tc2-tb2)+Delay

同樣，在簇首節點與同簇內待同步節點的時間同步階段也采取I-PTP算法，進行精準同步。

2.2 算法仿真

基于Matlab平臺進行了分簇型I-PTP時間同步算法的網絡仿真實驗，并與TPSN、PTP時間同步算法進行了比較。仿真實驗的相關參數設置見表1[5]。

表1 網絡仿真參數設置

結果表明：隨著傳感器節點數的增加，I-PTP算法、TPSN算法、PTP算法的同步誤差隨之增大；但是在同步精度方面，I-PTP算法的同步精度要比TPSN算法更高，且與PTP算法相差不大(如圖6所示)；在能量消耗方面，I-PTP算法基本與TPSN算法持平(如圖7所示)。

圖6 各算法同步誤差比較

圖7 各算法能量消耗比較

3 結 語

在設計無線傳感器網絡時間同步算法時，要考慮多種限制條件，如體積、成本、能量開銷、網絡拓撲結構穩定性等。本文立足鐵路運輸，基于分簇思想，改進了PTP算法，仿真結果表明該算法在鐵路運輸裝備監測的無線傳感器網絡的應用性方面較之已有算法有一定的優勢。但是實際的網絡拓撲結構對其會造成怎樣的影響，以及如何進行分簇來提高算法性能，仍有待進一步研究。

[1] 韓曉哲.基于鐵路危險品運輸的傳感器網絡覆蓋問題研究[D].北京：北京交通大學，2014:8-10.

[2] 姜帆,鄭霖.無線傳感器網絡TPSN-RBS聯合時間同步算法[J].傳感器與微系統,2016,35(1):150.

[3] 曾煉成. 低功耗單跳無線網絡實時數據采集系統設計[J].電子測量技術,2012(4):121.

[4] 楊東. 基于分簇型無線傳感器網絡時間同步機制研究[D].太原:太原理工大學,2013:37-43.

[5] 卑璐璐,張然,韓麗娜，等. 一種線型結構無線傳感器網絡的時間同步算法[J].工礦自動化,2015,41(2):77.

(編輯：閆曉楓)

Time Synchronization Algorithm on Equipment Monitor Nodes in Railway Transportation

CHE Yahui1， ZHENG Guixing2， LI Yueming1， WANG Peng3

(1.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 2.General Courses Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 3.Cadets Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

Wireless sensor network (WSN) which has strict requirements on data acquisition and processing needs time synchronization, and different time synchronization technology will affect time synchronization precision, complexity of algorithm, energy consumption, and communication bandwidth of WSN. The paper studies the restrictions of current time synchronization algorithm in energy consumption and robustness, and puts forward I-PTP algorithm based on cluster. The simulation result shows that this algorithm can guarantee the precision of time synchronization and reduce the energy consumption, which can improve the practical application level to some extent.

railway transportation equipment； wireless sensor network (WSN); time synchronization algorithm

2016-03-11；

2016-04-15．

車亞輝(1992—)，男，碩士研究生；

鄭貴省(1975—)，男，博士，副教授，碩士研究生導師．

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2016.11.007

E234

A

1674-2192(2016)11- 0027- 04