淺析無線傳感器網絡時間同步方法

李柏陽

（濟南市歷城第二中學，濟南 250104）

1 引言

有線傳感器網絡是由眾多的有線傳感器通過連接線組成的網絡結構，整個網絡以時間服務器或GPS為標準，對網絡中的傳感器和節點進行授時與校對，進而實現了時間同步。但是由于傳輸線路及空間的原因，大大限制了有線傳感器網絡的應用范圍，只能在小范圍內使用。

由于有線傳感器網絡存在種種限制，并隨著低功耗傳感器及無線通訊相關技術的成熟，價格低廉、低功耗、靈敏便利的無線傳感器網絡隨之出現。無線傳感器網絡的發展大致可分為三個階段。第一階段是在越南戰爭時期美國所使用的無線傳感器系統，這種系統十分傳統，是由眾多無線傳感器和一個管理節點，只能單方向的傳輸，形成不了緊密的網絡。無線傳感器發展第二階段位于二十世紀末，主要是美國研制出用于軍隊的無線傳感器系統，這類系統初步擁有了網絡化的雛形，并且此網絡具備了一定的計算能力、感知能力、通信能力。第三階段是二十一世紀以來，無線傳感器系統逐漸形成網絡，并且逐漸向微小化、智能化方向發展。

無線傳感器網絡中時間同步是整個網絡的基礎，通過實現整個無線傳感器網絡中的時間同步，使得由傳感器采集的數據更加具有時效性與可分析性。本文主要淺析了無線傳感器網絡的時間同步方法，并針對特定應用場所提出了該場所無線傳感器網絡時間同步方式的基本架構。

2 無線傳感器網絡和傳統傳感器網絡時間同步方法

2.1 無線傳感器網絡

2.1.1 無線傳感器網絡基本概念

無線傳感器網絡是一種分布式通信傳感網絡，它的終端由許多可以采集外部世界信息的傳感器組成，其上層節點主要是計算機或其他控制裝置[1]。在無線傳感器網絡中位于整個網絡末端的許多傳感器采集外界信息將外界物理量轉化為可以用作信息傳遞的電信號，無線傳感器網絡的匯集節點將這些信號匯聚并通過無線通訊的手段傳輸至管理節點，管理節點負責儲存分析這些數據并將分析數據應用于相關領域。

2.1.2 關鍵技術

無線傳感器網絡關鍵技術主要體現在信息采集系統設計、網絡服務支持和網絡通信協議設計[1]。其中信息采集系統設計需要通過網絡模型設計、系統平臺和操作系統、節點設計標準化和數據儲存標準化設計等實現。網絡服務支持包括網絡節點的時間同步和空間定位機制，同時數據融合與壓縮和網絡安全機制也是網絡服務支持的關鍵。網絡通信協議的設計在對網絡層、數據鏈路層、傳輸層及物理層的設計的同時還需考慮跨層優化設計。

2.2 傳統網絡時間同步

傳統無線傳感器網絡主要的時間同步方法有基于NTP與GPS授時兩種方式。

2.2.1 NTP時間同步

NTP是網絡時間協議，其為目前世界上計算機網絡中最通用的時間同步協議，其可實現大規模網絡的精準授時。其工作原理為客戶端先向網絡服務器發送一個NTP包，服務器接收并填充該包，再發回客戶端，客戶端通過偏差來進行校對。該時間同步方式在局域網中可達到十分之一微秒級別的精準授時，在互聯網內可達到數微秒至數十微秒的時間同步精度。

2.2.2 GPS時間同步

GPS時間同步系統是一種適用于全球范圍內的大規模時間同步方式。主要的工作原理是時間同步系統在衛星上獲得準確時間信號，對信號進行轉化，在根據接口的不同傳給不同的裝置。其信息源可以是GPS，也可以是北斗等時間同步衛星。其時間精度可高達納秒級別，具備高準確度、高穩定性、高可靠性和無時間漂移等優點。但該時間同步方式需要在GPS信號好的場景使用，對工作環境有較高的要求。

3 無線傳感器網絡時間同步

3.1 基于參照廣播的時間同步（RBS）

2002年J.Elson提出了RBS算法[1]，是一種接受者模式的時間同步算法。在RBS算法中，中間節點周期性的連續不斷的向鄰近的節點廣播beacon消息，節點會通過接收到的時間信息與自身的本地時間相比較，然后通過計算時間差來校對時間。同時各個節點互相發送信息，交換各自所記錄的時間，從而計算出偏差量，再通過計算對本地時鐘進行調整，最終獲得了時間同步。這種算法優點是精度高，在一定條件下可以忽略處理延時，適用于商業設備。缺點是在傳遞時間的信息中附加信息較多，較為復雜，并且當網絡中節點個數增多時，負載過大，影響算法的進行。

3.2 傳感器網絡時間同步算法（TPSN）

2003年Ganerwal提出了TPSN算法[2]，此算法采用了成對同步方式。該算法時間同步的達成有兩個步驟。第一個步驟是層次發現，在網絡中的節點都將獲得一個層次號。首先選取一個節點作為根節點，根節點的層次號為0。然后由根節點發出一個包，包內包含發送者標識和層次號，鄰近的節點第一個接收到包，以1作為自己的層次號。再由1在發送包，以此類推直至每個節點都有自身的層次號。第二個步驟是同步階段，0層與1層進行成對同步，后面n層與n+1層成對同步，最終使整個傳感器網絡都與根節點同步。TPSN算法比RBS算法具有更高的經度，其誤差主要在于根節點之間的跳數。并且TPSN算法更加便于傳感器網絡的拓展，但如果網絡中有節點損壞，則必須要求重新進行前兩個步驟，大大增加了計算與開銷。

3.3 LTS算法

LTS算法是由J.Greunen提出的[3]，此算法是通過降低精度從而減小時間同步的復雜程度并減小能量開銷。一共有兩種算法，其一為集中算法，先需要構成包括所有節點的低深度的生成樹，根節點和鄰近子節點進行成對同步，之后這些子節點又和自己的子節點成對同步，直至生成樹所有的葉節點均同步。第二種算法是多跳算法，每個節點都可以發出自己的時間請求，直接達到根節點并不利用樹結構，根節點到發出請求節點的路徑上的所有節點都會被動的時間同步。如果請求節點鄰近節點有所需求的信息，則直接從鄰近節點獲取。此種算法對能量要求較低，但精度不如TPSN算法。

4 基于無線傳感器網絡和GPS系統的時間同步系統

在一些居民場所或公共場所（如學校、火車站）內，空間尺度較大，但同時會有充足的能量的供應，傳感器能源供應基本無限制。如果單單運用無線傳感器網絡技術難度較大且成本較高。而這些場所可以接受到GPS信號，但有些地方的GPS信號較弱，無法正常進行時間同步。故采用了無線傳感器網絡與GPS系統互補進行時間同步。

在各個節點中，同時配置GPS時間同步和無線傳感器網絡時間同步兩套裝置，使其在GPS信號接收強時可以通過GPS來精確對時達到同步，當GPS信號弱或無法接收到GPS信號時，迅速的轉為無線傳感器網絡進行時間同步。該無線傳感器網絡的時間同步架構如圖1所示。

圖1 基于無線傳感器網絡和GPS系統的時間同步系統

因為GPS時間同步系統和無線傳感器網絡時間同步系統的互補，使得無線傳感器網絡授時方式更加靈活便利，不單單限制于一種授時方式。兩種時間同步方式優點結合，提升了整個無線傳感器網絡授時系統的穩定性與可靠性。該時間同步方式適用于相對封閉的建筑物內，如火車站、公司大樓和學校等具有能保證一定能量供應、空間較大和結構復雜特點的場所。

5 結束語

在各個應用領域無線傳感器網絡都可作為系統獲取外界信息的基本手段，而時間同步是其重要的技術支撐手段。本文對傳統的傳感器網絡時間同步方式進行介紹，又著重介紹了目前無線傳感器網絡時間同步方法，比照分析了各無線傳感器網絡時間同步方法的優劣勢。最后采用GPS授時與無線傳感器網絡內部授時相結合的方式對對特定應用場合的無線傳感器網絡的時間同步系統進行了架構設計，該架構在空間尺度大且能量供應充足的場所具有相應的優勢。