❶ 有關無線感測器網路中時間同步機制有哪些方法和策略
1 時間同步技術的重要性
感測器節點的時鍾並不完美，會在時間上發生漂移，所以觀察到的時間對於網路中的節點來說是不同的。但很多網路協議的應用，都需要一個共同的時間以使得網路中的節點全部或部分在瞬間是同步的。
第一，感測器節點需要彼此之間並行操作和協作去完成復雜的感測任務。如果在收集信息過程中，感測器節點缺乏統一的時間戳（即沒有同步），估計將是不準確的。
第二，許多節能方案是利用時間同步來實現的。例如，感測器可以在適當的時候休眠（通過關閉感測器和收發器進入節能模式），在需要的時候再喚醒。在應用這種節能模式的時候，節點應該在同等的時間休眠和喚醒，也就是說當數據到來時，節點的接收器可以接收，這個需要感測器節點間精確的定時。
2 時間同步技術所關注的主要性能參數
時間同步技術的根本目的是為網路中節點的本地時鍾提供共同的時間戳。對無線感測器
網路WSN（Wireless Sensor Networks）[1]
的時間同步應主要應考慮以下幾個方面的問題：
(1)能量效率。同步的時間越長，消耗的能量越多，效率就越低。設計WSN的時間同步演算法需以考慮感測器節點有效的能量資源為前提。
(2) 可擴展性和健壯性。時間同步機制應該支持網路中節點的數目或者密度的有效擴展，並保障一旦有節點失效時，餘下網路有效且功能健全。
(3)精確度。針對不同的應用和目的，精確度的需求有所不用。
(4)同步期限。節點需要保持時間同步的時間長度可以是瞬時的，也可以和網路的壽命一樣長。
(5)有效同步范圍。可以給網路內所有節點提供時間，也可以給局部區域的節點提供時間。
(6)成本和尺寸。同步可能需要特定的硬體，另外，體積的大小也影響同步機制的實現。 (7)最大誤差。一組感測器節點之間的最大時間差，或相對外部標准時間的最大差。 3 現有主要時間同步方法研究
時間同步技術是研究WSN的重要問題，許多具體應用都需要感測器節點本地時鍾的同步，要求各種程度的同步精度。WSN具有自組織性、多跳性、動態拓撲性和資源受限性，尤其是節點的能量資源、計算能力、通信帶寬、存儲容量有限等特點，使時間同步方案有其特
殊的需求，也使得傳統的時間同步演算法不適合於這些網路[2]
。因此越來越多的研究集中在設
計適合WSN的時間同步演算法[3]
。針對WSN，目前已經從不同角度提出了許多新的時間同步演算法[4]
。
3.1 成對(pair-wise)同步的雙向同步模式
代表演算法是感測器網路時間同步協議TPSN（Timing-Sync Protocol for Sensor
Networks）[5~6]
。目的是提供WSN整個網路范圍內節點間的時間同步。
該演算法分兩步：分級和同步。第一步的目的是建立分級的拓撲網路，每個節點有個級別。只有一個節點與外界通信獲取外界時間，將其定為零級，叫做根節點，作為整個網路系統的時間源。在第二步，每個i級節點與i-1（上一級）級節點同步，最終所有的節點都與根節點同步，從而達到整個網路的時間同步。詳細的時間同步過程如圖 1 所示。
圖1 TPSN 同步過程
設R為上層節點，S為下層節點，傳播時間為d，兩節點的時間偏差為θ。同步過程由節點R廣播開始同步信息，節點S接收到信息以後，就開始准備時間同步過程。在T1時刻，節點S發送同步信息包，包含信息(T1)，節點R在T2接收到同步信息，並記錄下接收時間T2，這里滿足關系：21TTd
節點R在T3時刻發送回復信息包，包含信息(T1,T2,T3)。在T4時刻S接收到同步信息包，滿足關系：43TTd
最後，節點S利用上述2個時間表達式可計算出的值：(21)(43)2
TTTT
TPSN由於採用了在MAC層給同步包標記時間戳的方式，降低了發送端的不確定性，消除了訪問時間帶來的時間同步誤差，使得同步效果更加有效。並且，TPSN演算法對任意節點的同步誤差取決於它距離根節點的跳數，而與網路中節點總數無關，使TPSN同步精度不會隨節點數目增加而降級，從而使TPSN具有較好的擴展性。TPSN演算法的缺點是一旦根節點失效，就要重新選擇根節點，並重新進行分級和同步階段的處理，增加了計算和能量開銷，並隨著跳數的增加，同步誤差呈線性增長，准確性較低。另外，TPSN演算法沒有對時鍾的頻差進行估計，這使得它需要頻繁同步，完成一次同步能量消耗較大。
3.2 接收方-接收方（Receiver-Receiver）模式
代表演算法是參考廣播時間同步協議RBS（Reference Broadcast Synchronization）[7]
。RBS是典型的基於接收方-接收方的同步演算法，是Elson等人以「第三節點」實現同步的思想而提出的。該演算法中，利用無線數據鏈路層的廣播信道特性，基本思想為：節點(作為發
送者)通過物理層廣播周期性地向其鄰居節點（作為接收者）發送信標消息[10]
，鄰居節點記錄下廣播信標達到的時間，並把這個時間作為參考點與時鍾的讀數相比較。為了計算時鍾偏移，要交換對等鄰居節點間的時間戳，確定它們之間的時間偏移量，然後其中一個根據接收
到的時間差值來修改其本地的時間，從而實現時間同步[11]
。
假如該演算法在網路中有n個接收節點m個參考廣播包，則任意一個節點接收到m個參考包後，會拿這些參考包到達的時間與其它n-1個接收節點接收到的參考包到達的時間進行比較，然後進行信息交換。圖2為RBS演算法的關鍵路徑示意圖。
網路介面卡
關鍵路徑
接收者1
發送者
接收者2
圖2 RBS演算法的關鍵路徑示意圖
其計算公式如下：
,,1
1,:[,]()m
jkikkinjnoffsetijTTm
其中n表示接收者的數量，m表示參考包的數量，,rbT表示接收節點r接收到參考包b時的時鍾。
此演算法並不是同步發送者和接收者，而是使接收者彼此同步，有效避免了發送訪問時間對同步的影響，將發送方延遲的不確定性從關鍵路徑中排除，誤差的來源主要是傳輸時間和接收時間的不確定性，從而獲得了比利用節點間雙向信息交換實現同步的方法更高的精確度。這種方法的最大弊端是信息的交換次數太多，發送節點和接收節點之間、接收節點彼此之間，都要經過消息交換後才能達到同步。計算復雜度較高，網路流量開銷和能耗太大，不適合能量供應有限的場合。
3.3 發送方-接收方(Sender-Receiver)模式
基於發送方-接收方機制的時間同步演算法的基本原理是：發送節點發送包含本地時間戳的時間同步消息，接收節點記錄本地接收時間，並將其與同步消息中的時間戳進行比較，調整本地時鍾。基於這種方法提出的時間同步演算法有以下兩種。
3.3.1 FTSP 演算法[8]
泛洪時間同步協議FTSP（Flooding Time Synchronization Protocol）由Vanderbilt大學Branislav Kusy等提出，目標是實現整個網路的時間同步且誤差控制在微秒級。該演算法用單個廣播消息實現發送節點與接收節點之間的時間同步。
其特點為：(1)通過對收發過程的分析，把時延細分為發送中斷處理時延、編碼時延、傳播時延、解碼時延、位元組對齊時延、接收中斷處理時延，進一步降低時延的不確定度；(2)通過發射多個信令包，使得接收節點可以利用最小方差線性擬合技術估算自己和發送節點的頻率差和初相位差；(3)設計一套根節點選舉機制，針對節點失效、新節點加入、拓撲變化
等情況進行優化，適合於惡劣環境[12]
。
FTSP演算法對時鍾漂移進行了線性回歸分析。此演算法考慮到在特定時間范圍內節點時鍾晶振頻率是穩定的，因此節點間時鍾偏移量與時間成線性關系，通過發送節點周期性廣播時間同步消息，接收節點取得多個數據對，構造最佳擬合直線，通過回歸直線，在誤差允許的時間間隔內，節點可直接通過它來計算某一時間節點間的時鍾偏移量而不必發送時間同步消息進行計算，從而減少了消息的發送次數並降低了系統能量開銷。
FTSP結合TPSN和RBS的優點，不僅排除了發送方延遲的影響，而且對報文傳輸中接收方的不確定延遲（如中斷處理時間、位元組對齊時間、硬體編解碼時間等）做了有效的估計。多跳的FTSP協議採用層次結構，根節點為同步源，可以適應大量感測器節點，對網路拓撲結構的變化和根節點的失效有健壯性，精確度較好。該演算法通過採用MAC層時間戳和線性回歸偏差補償彌補相關的錯誤源，通過對一個數據包打多個時戳，進而取平均和濾除抖動較大的時戳，大大降低了中斷和解碼時間的影響。FTSP 採用洪泛的方式向遠方節點傳遞時間基準節點的時間信息，洪泛的時間信息可由中轉節點生成，因此誤差累積不可避免。另外，FTSP的功耗和帶寬的開銷巨大。
3.3.2 DMTS 演算法[9]
延遲測量時間同步DMTS (delay measurement time synchronization) 演算法的同步機制是基於發送方-接收方的同步機制。DMTS 演算法的實現策略是犧牲部分時間同步精度換取較低的計算復雜度和能耗，是一種能量消耗輕的時間同步演算法。
DMTS演算法的基本原理為：選擇一個節點作為時間主節點廣播同步時間，所有接收節點通過精確地測量從發送節點到接收節點的單向時間廣播消息的延遲並結合發送節點時間戳，計算出時間調整值，接收節點設置它的時間為接收到消息攜帶的時間加上廣播消息的傳輸延遲，調整自己的邏輯時鍾值以和基準點達成同步，這樣所有得到廣播消息的節點都與主節點進行時間同步。發送節點和接收節點的時間延遲dt可由21()dtnttt得出。其中，nt為發送前導碼和起始字元所需的時間，n為發送的信息位個數，t為發送一位所需時間；1t為接收節點在消息到達時的本地時間；2t為接收節點在調整自己的時鍾之前的那一時刻記錄的本地時間，21()tt是接收處理延遲。
DMTS 演算法的優點是結合鏈路層打時間戳和時延估計等技術，消除了發送時延和訪問時延的影響，演算法簡單，通信開銷小。但DMTS演算法沒有估計時鍾的頻率偏差，時鍾保持同步的時間較短，沒有對位偏移產生的時間延遲進行估計，也沒有消除時鍾計時精度對同步精度的影響，因此其同步精度比FTSP略有下降，不適用於定位等要求高精度同步的應用。
基於發送方-接收方單向同步機制的演算法在上述三類方法中需要發送的時間同步消息數目最少。發送節點只要發送一次同步消息，因而具有較低的網路流量開銷和復雜度，減少了系統能耗。
4 結論
文章介紹了WSN時間同步演算法的類型以及各自具有代表性的演算法，分析了各演算法的設計原理和優缺點。這些協議解決了WSN中時間同步所遇到的主要問題，但對於大型網路，已有的方法或多或少存在著一些問題：擴展性差、穩定性不高、收斂速度變慢、網路通信沖突、能耗增大。今後的研究熱點將集中在節能和時間同步的安全性方面。這將對演算法的容錯性、有效范圍和可擴展性提出更高的要求。