一種基于休眠機制的網絡時間同步協議

牛宇卿，楊 挺

(天津大學電氣自動化與信息工程學院，天津 300072)

一種基于休眠機制的網絡時間同步協議

牛宇卿，楊 挺

(天津大學電氣自動化與信息工程學院，天津 300072)

時間同步技術是網絡系統正常運行的基礎。為了降低能耗，無線傳感器網絡(WSN)需要采用周期性休眠機制。針對目前WSN時間同步協議較少考慮網絡節點的休眠問題，提出了一種適用于采用休眠機制的WSN時間同步協議。該協議包括遞增序列號(ISN)機制和時鐘校正機制。ISN同步機制能夠在喚醒休眠節點的同時，將各網絡節點同步到一致的時間點。隨后，各節點利用本地時鐘與參考節點時鐘間的時鐘漂移差值，對本地時鐘進行校正。基于硬件平臺的測試表明，該協議能夠以較低的同步成本達到較高的同步精度；與傳統時間同步協議相比，協議的執行不再受節點休眠狀態影響，并且節點的喚醒過程與時間同步相結合，減少了同步消息的交換量；此外，協議中的時鐘校正機制還可有效延長再同步周期。該協議還為眾多基于時間同步的應用，如網絡通信協議、時分多址(TDMA)調度及節點定位等，奠定了必要的基礎。

無線網絡； 時間同步協議； 通信； 休眠機制； 時鐘漂移； 時鐘校正； 傳感器

0 引言

無線傳感器網絡(wireless sensor network，WSN)是由大量的傳感器節點通過無線通信技術互聯的網絡，可對采集的數據進行處理和傳輸。WSN已逐漸應用于建筑安全、環境監測等領域[1]。多數WSN應用，如確定事件時序、協調休眠以及時分多址(time division multiple access，TDMA)通信協議等[2]，都需要時間同步協議的支持。因此，時間同步協議是構建WSN的重要基礎。

Su Ping[3]提出的延遲測量時間同步協議(delay measurement time synchronization，DMTS)，采用單向消息傳遞機制。在該協議中，被同步節點利用接收到的主節點時鐘信息設置本地時鐘，以達成同步。傳感器網絡時間同步協議(timing-sync protocol for sensor networks，TPSN)是基于雙向消息交換機制協議的代表[4]。該協議首先在全網建立樹狀分級結構，隨后在各層級間進行同步，直到所有節點均達到同步為止。Elson等[5]提出的參考廣播同步(reference broadcast synchronization，RBS)協議采用了接收端-接收端同步方式。其中，被同步節點通過交換彼此的同步消息接收時間戳來達成同步。Maggs M K[6]等提出了協商時間同步協議，利用協商算法消除節點間的時鐘相位差和漂移。Schenato L等[7]提出了基于協商和謠傳算法的平均時間同步(average time synchronization，ATS)協議，通過對來自相鄰節點的時間信息進行平均計算以達成同步。Wu J等[8]提出了一種基于分簇的時間同步策略，各個簇頭被賦予不同的權值，時間同步過程在簇間和簇內相繼進行。

然而，上述協議均未考慮到WSN休眠機制的影響。在實際應用中，WSN經常部署于偏遠無人區域，使用電池供電[9]，并采用休眠/蘇醒交替的工作模式。此時，上述協議往往無法執行。

為此，本文提出了一種適用于WSN休眠機制的時間同步協議。該協議包括2種機制：①遞增序列號(incremental serial number，ISN)同步機制，用于喚醒并同步WSN節點；②時鐘校正機制，可對節點時鐘進行周期性校正，以延長再同步時間。

1 時鐘模型與時鐘漂移

1.1 時鐘模型

WSN 節點的時鐘由晶體振蕩器(簡稱晶振)和計數器組成。計數器通過對晶振產生的脈沖計數來計算時間。節點通過晶振獲取本地時間T與實際時間t的關系。時鐘模型一般為一階線性方程：

T=ρt+β+ε

(1)

對節點間的時間同步操作，即將β視為0。

1.2 時鐘漂移

在式(1) 中，理想時鐘的漂移率ρ=1。然而，實際時鐘的振蕩頻率與其標稱頻率一般存在偏差。該偏差將導致實際時鐘的漂移率ρ略大于或小于1。在應用中，將此偏差稱為晶振精度。例如，精度為10×10-6的晶振會與UTC標準時間產生最大為10 μs/s 的時間差。綜上所述，由于時鐘漂移的影響，為了長期保持WSN網絡的同步狀態，需要周期性地進行同步操作，同時伴隨大量的消息收發。對于WSN節點，數據無線收發消耗的電量通常遠大于本地CPU計算消耗的電量。為了節約電能，除ISN同步機制外，本協議還包括了時鐘校正機制。其利用節點的本地計算代替部分同步消息的收發，可避免頻繁同步操作帶來的能耗。

2 遞增序列號同步機制

對于采用休眠/蘇醒交替模式的WSN，時間同步時，被同步的節點均須處于蘇醒狀態。本文提出的ISN同步機制將節點的喚醒與同步過程相結合，最終將網絡節點同步到一致的時間點。

大量基于WSN的應用都需要在網絡中建立分層結構，如WSN路由算法和數據匯聚樹算法等[10]。因此，本文假設待同步WSN已建立類似TPSN協議中的分層結構。其中，根節點為0級，其鄰近分支節點為第1級，依次類推，最后一級節點為第n級。第(i-1)級節點利用ISN同步機制喚醒并同步第i級節點。

同步過程需要設置消息發送節點。為了喚醒下一級休眠節點，該節點將持續發送包含步進值為1的ISN和喚醒消息的數據包。ISN同步機制如圖1所示。

圖1 ISN同步機制示意圖

網絡節點具有時長為Δtw的蘇醒窗口。如果在Δtw內接收到喚醒消息，表明節點退出休眠；否則，再次進入時長為Δts的休眠狀態。由此可知，節點處于一個總時長為(Δtw+Δts)的蘇醒/休眠循環內。

WSN網絡剛建立時，各節點的本地時鐘初始值存在隨機差異，因此網絡節點蘇醒的時刻不同。設級別為i的3個節點a、b、c的蘇醒時刻分別為t1、t2、t3。在t0時刻，由第(i-1)級的節點連續發送時長為Tmsg、包含喚醒消息和ISN的數據包。第一個數據包中的ISN為1，第二個為2，依次類推，最后一個為n。為保證所有節點均被喚醒，需使Tmsg≥Δtw+Δts。a、b、c節點隨機蘇醒并接收到喚醒消息，若節點收到的ISN為N(1≤N≤n)，則根據式(2) 延時到tvirtual(虛擬時間點)，每個節點的延時長度為tdelay。

(2)

在ISN發送完畢的時刻，消息發送節點與a、b、c節點均被統一到tvirtual時刻。此時，4個節點的本地時鐘值不同，但它們均具有一致的虛擬時間。上述節點只要在tvirtual時刻將本地時鐘改寫為相同數值，即可將虛擬時間轉換為統一的本地時間。

3 時鐘校正機制

由于時鐘漂移的影響，同步完成后，節點僅在tvirtual時刻是同步的。從這一時刻起，節點間會重新出現時鐘偏差。時鐘漂移導致的蘇醒窗口移動過程如圖2所示。

圖2 蘇醒窗口移動過程示意圖

圖2中：t為節點的公共參考時間，并假設在上次時間同步后的一段時間內，第(i-1)級節點與第i級節點a之間不存在時鐘漂移，而a與b之間存在時鐘漂移，會導致它們之間的蘇醒窗口Δtw產生t1-t0的偏差。Δt為節點a蘇醒窗口結束時與節點b蘇醒窗口開始時之差，即t2-t1。設平均發送1個ISN的耗時為tcritical。假設在t0時刻，第(i-1)級節點持續發送喚醒消息。如果Δt≥tcritical，則節點b至少可收到1個喚醒消息；如果Δt

由式(1)可知，由于時鐘漂移的影響，網絡節點間難以保持絕對持續同步。一般認為，只要節點間的時鐘偏差能夠保持在某一區間內，即同步。對于上述WSN節點，各節點的蘇醒窗口起始時刻偏差可作為節點時間同步效果的度量。假如圖2中的該偏差能夠長期小于Δtw，則其效果等價于將網絡節點間的時鐘偏差保持在Δtw內。因此，節點可按如下步驟進行周期性的時鐘校正。

①由第(i-1)級某節點利用ISN同步機制，同步所有第i級節點。

②經過若干休眠周期后，步驟①中的第(i-1)級節點將包含本地時間戳t的消息發送給所有的i級節點。時間戳t由MAC層負責截取，并在發送前寫入消息中。

③第i級某節點a利用本地時鐘值對消息接收的時間打時間戳ta，并令Δclock=ta-t-δ。其中：δ為消息傳播時延。

RT=Δclock+RT

(3)

式中：RT為本地時鐘寄存器。

式(3)表示：首先，從RT獲取當前時鐘值；然后，作Δclock+RT運算；最后，將運算結果再次寫入RT中。校正完成后，即可長時間地將節點間時鐘偏差保持在Δtw內。

4 試驗結果

為了對ISN和時鐘校正機制進行驗證，試驗采用了自主開發的WSN節點。其微控制器采用C8051F921芯片，無線通信模塊采用Si4463芯片。上述器件均支持休眠模式。節點還具有實時時鐘(real time clock,RTC)功能，用于支持休眠/蘇醒模式的切換，并采用鋰電池供電。因此，該節點具有WSN節點的典型特征。

4.1 ISN同步機制測試結果

試驗采用3個WSN節點，消息發送節點為S，其余2個節點A、節點B均采用休眠機制。試驗原理如圖1所示。蘇醒窗口Δtw為10 ms，休眠時間Δts為4 990 ms。由于節點上電工作時間隨機，因此它們的起始時間差Δtw也是隨機的。為了喚醒節點，節點S發送時長為6 s、包含ISN的喚醒消息。節點A、節點B被喚醒后，對tdelay進行計算，并延時到tvirtual，最后在該時刻通過GPIO產生1個正脈沖。試驗將雙通道示波儀測量節點A、節點B的脈沖時間差ΔP作為同步效果的度量。

50次同步機制試驗的結果如下：最小值為9.2 μs，最大值為96.0 μs,平均值為44.4 μs,標準差為25.3 μs。

50次同步機制試驗的ΔP分布如圖3所示。試驗結果表明，ISN同步機制的最大同步誤差小于100 μs。

圖3 ΔP分布示意圖

表1給出了ISN同步機制與TPSN[4]協議、RBS[5]協議和ATS[7]協議的精度。Kumar R等在Berkeley motes平臺上測試了TPSN的精度。由于其試驗中的時鐘取自節點CPU時鐘，系統休眠后，該時鐘將無法工作。而本試驗采用的RTC時鐘在休眠模式下仍可持續工作。

表1 各種同步方式精度

4.2 時鐘校正機制測試結果

試驗采用消息發送節點S和待校正節點R。節點S與節點R首先被同步到tvirtual時間點。從該時刻開始，經過60次休眠循環后，節點S將本地時鐘值發送給節點R；節點R據此求出Δclock，然后每間隔5 min利用Δclock校正自身的本地時鐘值。節點S和節點R在每次蘇醒時產生1個正脈沖。使用雙通道示波儀每隔2.5 min測量兩脈沖的時間差ΔP，作為校正效果的度量，在對照組中則未進行校正。試驗持續進行60 min，每隔5 min測量節點S與節點R之間的時鐘漂移量。試驗在22 ℃的恒溫空調室內進行。時鐘校正試驗結果如表2所示。

為使結果更加直觀，每次測量結果均減去節點S與節點R的初始時鐘差，即ΔP初始值為0。

表2 時鐘校正試驗結果

由表2可知：無校正機制時，時鐘漂移率約為1.08 ms/min，試驗進行60 min后，漂移總量為65.03 ms；而加入校正機制后，60 min后的漂移總量為0.304 ms，僅為前者的1/213。60 min試驗中時鐘漂移量對比如圖4所示。

圖4 時鐘漂移量對比示意圖

為了驗證時鐘校正機制對時間同步操作間隔時間的影響，本試驗在節點S和節點R中實現了TPSN協議，并將同步差值上限設定為10 ms 。如2個節點間的時鐘差值在此上限內，就可以認為這2個節點是同步的；反之，則不同步。經測試，節點S和節點R每5 min的相對時鐘漂移量為8.7 ms。為了使節點S和節點R的同步差值保持在該上限內，每隔約344 s，TPSN就需要進行1次同步；而采用時鐘校正機制后，經過約32.9 h，相對時鐘漂移量才會達到同步差值上限，相當于將網絡節點的再同步時間延長了約344倍。

5 結束語

針對目前WSN時間同步協議較少考慮節點休眠的問題，本文提出了一種結合ISN和時鐘校正機制的時間同步的協議。試驗結果表明，與其他協議相比，本協議可將節點的喚醒與時間同步過程相結合，同時有效延長了網絡節點的再同步周期，降低了同步能量消耗，適用于采用休眠機制的WSN。

[1] OJHA T,MISRA S,RAGHUWANSHI N S.Wireless sensor networks for agriculture:the state of the art in practice and future challenges[J].Computers & Electronics in Agriculture,2015,118(3):66-84.

[2] 徐祥振,汪成亮.基于節點密度與 TDMA 的無線傳感器網絡集簇協議[J].傳感技術學報,2015,28(11):1689-1694.

[3] SU P.Delay measurement time synchronization for wireless sensor networks[J].Intel Research Berkeley Lab,2003(6):1-10.

[4] GANERIWAL S,KUMAR R,SRIVASTAVA M B.Timing-syncprotocol for sensor networks[C]//Proceedings of the 1st International Conference on Embedded Networked Sensor Systems,2003:138-149.

[5] ELSON J,GIROD L,ESTRIN D.Fine-grained network time synchronization using reference broadcasts[J].ACM SIGOPS Operating Systems Review,2002,36(SI):147-163.

[6] MAGGS M K,O’KEEFE S G,THIEL D V.Consensus clock synchronization for wireless sensor networks[J].Sensors Journal IEEE,2012,12(6):2269-2277.

[7] SCHENATO L,GAMBA G.A distributed consensus protocol for clock synchronization in wireless sensor network[C]//46th IEEE Conference on Decision and Control,2007:2289-2294.

[8] WU J,ZHANG L,BAI Y.Cluster-based consensus time synchronization for wireless sensor networks [J].IEEE Sensors Journal,2015,15(3):1404-1413.

[9] 徐潔,丁國強,熊明.低功耗無線傳感終端網絡系統設計與實現[J].自動化儀表,2015,36(1):59-62.

[10]于搖標.一種樹型層次結構的無線傳感器網絡應用研究[J].自動化儀表,2013,34(4):50-54.

NetworkTimeSynchronizationProtocolBasedonSleepingMechanism

NIU Yuqing，YANG Ting

(School of Electrical and Information Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Time synchronization technique provides the basis for the normal operation of network system.To save energy,the wireless sensor network(WSN) usually has to adopt sleeping mechanism.At present,the sleeping mechanism for network nodes does not be considered in the time synchronization protocol for WSN.Aiming at this problem,the time synchronization protocol based on sleeping mechanism which is suitable for WSN is proposed.The protocol includes an incremental serial number(ISN) synchronization mechanism and a clock correction mechanism.The ISN mechanism is able to synchronize a set of network nodes to consistent time points while waking them up.Then the network nodes will correct their local clocks in accordance with the time drift between their clock and that of the reference node.According to the experiment based on the hardware test platform,the proposed protocol is able to reach a high synchronization precision with relatively low cost;compared with traditional time synchronization protocols,the execution of the proposed protocol will not be affected by the sleeping state of the node,and the wake-up process of the node is combined with time synchronization,thus the amount of synchronization messages exchanged is reduced,and the resynchronization period can be effectively extended by the clock correction mechanism of the protocol.Meanwhile,the proposed protocol will also be the cornerstone for many applications based on time synchronization,such as network communication protocols,time division multiple access(TDMA) scheduling and node positioning,etc.

Wireless network; Time synchronization protocol; Communication; Sleep mechanism; Clock drift; Clock correction; Sensor

修改稿收到日期:2017-04-13

國家自然科學基金資助項目(61571324)、國際科技合作專項基金資助項目(2013DFA11040)、天津市自然科學基金資助重點項目(16JCZDJC30900)

牛宇卿(1984—)，男，在讀博士研究生，主要從事無線傳感器網絡、物聯網方向的研究,E-mail:niuyuq@foxmail.com;楊挺(通信作者)，男，博士，教授，主要從事無線傳感器網絡、電力信息物理融合系統方向的研究,E-mail:yangting@tju.edu.cn

TH86；TP393

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201712013