无线传感器网络时间同步技术研究_图文

 第 24 卷 第 5 期

电脑开发与应用

( 总 355) ·15·

文章编号: 1003-5850( 2011) 05-0015-03
无线传感器网络时间同步技术研究

Research on Time Synchronization of Wireless Sensor Network
冯秀芳 高海燕

( 太原理工大学计算机科学与技术学院 太原 030024) 【摘 要】时间同步技术是无线传感器网络的一项重要技术, 它对无线传感器网络中许多技术的实现具有重大意 义。有限的电池能量, 存储以及带宽限制等传感器固有特性的存在, 导致传统的时间同步算法不适合无线传感 器网络。具体介绍了现有的无线传感器中的一些时间同步问题和时间同步算法, 并对其具体特性进行了深入的 分析比较。

【关键词】无线传感器网络, 时间同步, 同步算法

中图分类号: T P 39

文献标识码: A

ABSTRACT T im e synchr onization is one of the impor tant t echnolo gy of w ir eless sensor netw or k, It play s a gr eat r ole fo r many

kinds of w ir eless sensor technolog y . Because o f limited batter y ener gy , st or age and bandw idth a nd son, the tra dit ional t ime

synchro nizat ion alg or ithm is no t suitable fo r wireless sensor netw or ks. T his paper mainly int ro duces the time sy nchr onization

pro blem and time sy nchr onization algo rithms in the w ir eless sensor , a nd makes much analy sis and co mpariso n betw een many character istics. KEYWORDS w ireless sensor net wo rk, time sy nchr onization, synchro nizat ion algo r ithms

    小型化、低成 本、低功 耗设计的 发展推动 了大规 模、分布式的无线传感器网络的研究。随着无线传感器 网络的迅速发展, 无限传感器网络的实用性大大提高, 这使得影响无线传感器网络的关键技术之一时间同步 技术日益引起人们的高度重视。由于在无线传感器网 络中, 对于时钟的准确性和精度要求比传统网络中的 高, 再加上能量的限制, 传统网络中时间同步算法已经 不能满足无线传感器网络的要求。近年来, 国内外许多 大学和研究机构都对此进行了深入研究并提出了多种 基于无线传感器的时间同步机制, 从不同方面满足传 感器网络的应用需要。本论文就是对无线传感器网络 的现有时间同步技术进行深入研究, 并对典型的时间 同步算法进行研究和比较。
1 时间同步性能指标
评价一个无线传感器网络时间同步算法的性能, 一般包含网络能量效率、可扩展性、鲁棒性、精确度、收 敛性、寿命、有效范围等指标[ 1] 。
能量效率: 无线传感器节点的能量是有限的, 为 了尽可能地延长传感器网络的使用时间, 传感器网络 的时间同步算法必须将节省能量放在首要位置。
可扩展性: 在传感器网络布撒并形成后, 有可能 会加入新的节点, 这要求时间同步协议能够在不影响

现有时间同步结构的前提下, 快速使新加入节点达到 同步。
鲁棒性: 由于节点失效或无线通信质量, 无线传 感器网络拓扑结构是动态变化的, 时间同步算法要保 证在这种动态变化中, 全网的时间同步不会被破坏, 时 间同步的精度不会出现大的波动。
精确性: 传感器网络是根据应用配置的, 不同的 应用对时间同步的精度要求也是不同的。对于某些应 用, 只需要知道事件发生的先后顺序就可以了, 而对于 另外的一些应用( 如: 测距、测速等) , 则需要比较精确 的时间同步。
收敛性: 为了适应传感器网络拓扑结构动态变 化和能量受限这两个特点, 要求建立时间同步的速度 越快越好。
寿命: 时间同步算法提供的同步时间可以是瞬 时的, 也可以和网络的寿命一样长。
有效范围: 时间同步方案可以给网络内所有的 节点提供时间, 也可以给局部区域内的部分节点提供 时间。
2 几种经典的无线传感器网络时间同步算法
2. 1 参考广播同步算法 RBS RBS 是由 J. Elso n 等人提出的。属于接收方-接收

*   2011-01-13 收到, 2011-03-15 改回 * *  冯秀芳, 女, 1966 年生, 教授, 研究方向: 人工智能, 虚拟现 实, 无线传感器网络。

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无线传感器网络时间 同步技术研究

2011 年 

方时间同步模式。该协议利用了无线数据链路层的广 播信道特性, 一个节点发送广播消息, 接收到广播消息 的一组节点通过比较各自接收到消息时记录的本地时 刻, 实现节点间的时间同步。
图 1 R BS 机制的基本原理
参考广播时间同步协议的基本原理如图 1。发送 参考广播的节点广播一个信标( beacon) 分组, 在这个 广播域中, 所有节点都能够接收到这个分组。每个节点 接到信标分组后。用自己的本地时间记录接收到分组 的时刻, 然后交换它们记录的信标分组接收时间。两个 接收时间的差值相当于两个 接收节点之间的时间差 值, 其中一个接收节点可以根据这个时间差值更改它 的本地时间, 从而达到两个接收节点的时间同步。 2. 2 传感器网络时间同步协议
传 感 器网 络时 间同 步 协议 T PSN ( T im ing -sync Pro t ocol for Sensor N et w orks) [ 2] 能够提供整个网络范 围内的节点时间同步。它采用的是层次型的网络结构。 共分为两层, 在层次发现阶段通过广播分级数据包进 行分级, 网络内的所有节点都要被赋予一个级别。在同 步阶段, 根节点是通过向全网范围广播时间同步数据 包来启动的。网络中的所有节点都要进行时间同步, 并 且都要最终达到与根节点同步。 2. 3 延迟测量时间算法
DM T S ( Delay M easurement T ime Sy nchr onizat ion) [ 3] 算法是一种单向同步算法。它要求网络中的接 收节点通过测量从发送节点到接收节点的单向时间延 迟来计算时间调整值的。 2. 4 轻量级生成树同步算法
L T S 算法[ 4] 的目的是通过找到一个最小复杂度的 方法来达到最终的同步精度。L T S 算法提出集中式和 分布式两种同步算法, 两种算法都要求网中的节点和 相应的参考节点同步。 2. 5 洪泛时间同步协议
泛 洪 时 间 同 步 协 议 ( F looding T im e Synchronizat io n Pro to col ) 目标是实 现整个网 络的时 间同步并且误差控制在微秒级。该算法使用单个广播 消息实现发送节点与接收节点之间的时间同步。
3 对各种时间同步算法的比 较
上面介绍的传感器网络时间同步协议代表了当前

几类基本的时间同步方法。接下来, 将对这几种典型的 时间同步算法在精度、收敛性、扩展性等各个方面进行
详细的比较, 以便大家可以选择出适合的时间同步算 法。 3. 1 精度
RBS 协议: 该协议可以有效地消除发送时延、访问 时延和传输时延造成的时间同步误差。RBS 算法通过 去除这 3 个主要误差来源来提高时间同步的精度。 Elson 等人在实际传感器平台上实现并测试了 RBS 算 法, 获得了该算法的精度性能。所用的平台是 Berkeley M ot es, RBS 算法在该平台上所得到的精度在 11 s 以 内。
T PSN 协议: 与 RBS 相 比, T P SN 协 议考虑了 传 输时延、传播时延和接收时延所造成的影响, 利用双向 消息交换计算消息的平均延迟, 提高了时间同步的精 度。T PSN 协议的提出者在 M ica 平台上实现了 T PSN 和 RBS 两种协议, 所测得的 T P SN 的时间同步平均误 差是 16. 99 s, 而 RBS 的平均误差是 29. 19 s。
T iny -Sync/ M ini-Sync 算法: 该算法利用多个时间 同步数据点, 采用统计学的方法估计时间漂移和时间 偏移, 这样虽然降低了时间同步的复杂性, 但是时间同 步的精度也降低了。而该算法所采用的数据过滤算法 可以有效降低错误数据点对时间同步精度的影响。
F T SP 协议: F T SP 的提出者在 M ica 平台上实现 了 FT SP 协议, 所测得的两个节点间时间同步的平均 误差为 1. 5 s, 这个运行结果明显优于 RBS 和 T PSN 协议在相同平台上的运行结果。但是 FT SP 协议对硬 件的依赖性比较强。 3. 2 收敛性
RBS 协议: 发送参考广播的节点是预先选定的, 其 他节点接收到参考广播消息后, 就开始了同步的过程, 考虑到通信冲突, 在几个同步周期后, 全网就可以达到 时间同步, 收敛时间也比较短。
T PSN 协 议和 T iny-Sync/ M ini-Sync 算 法: 这 两 个时间同步方法的消息传递机制是相似的, 都是分为 两个过程, 包括分层阶段和同步阶段, 因此, 收敛时间 较长。
F T SP 协议: 该协议的根节点选择过程是 伴随时 间同步一起进行的, 根节点选择不会对收敛性造成影 响, 在几个同步周期后, 全网就能达到时间同步, 收敛 时间也比较短。 3. 3 可扩展性
RBS 协议: 在全网达到同步后, 新节点的加入不会 影响到参考广播节点的地位, 也就不会对全网的结构

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造成影响。但是, 加入新的参考广播节点就会使得情况 变得复杂, 必须考虑处于不同广播域内的节点达到同 步的问题。对于多跳网络的 RBS 协议需要依赖有效的 分簇方法, 保证簇之间具有共同的节点以便簇间进行 时间同步。
T P SN 协议 和 T iny-Sync/ Mini-Sync 算 法: 从 分 层这个过程可以看出, 新节点加入后会对网络的拓扑 结构造成很大的 影响, 因此, 两个协议 的扩展性都很 差, 这也是这两个协议最大的缺点之一。
FT SP 协议: 如果加入的是 ID 号 最小的节点, 该 节点首先使自己与网络达到同步, 然后再进行根节点 选择, 不会影响网络时间同步。如果不是 ID 号最小的 节点, 该节点只需要进行时间同步并广播时间同步消 息。
3. 4 鲁棒性 RBS 协议: 由 RBS 协议的同步原理可以看出, 节
点失效或网络通信故障不会破坏整个拓扑结构, 每个 节点都有大量的冗余消息来保证时间同步。但是参考 节点失效就会影响到该节点 广播域内所有节点的同 步。
T P SN 协议 和 T iny-Sync/ Mini-Sync 算 法: 当 某 个节点失效, 该节点以下的节点就有可能接收不到时 间同步消息。全网的时间同步会受到个别节点的影响, 鲁棒性很差。
FT SP 协议: 如果是根节点失效, 那么其他节点就 会开始根节点选择的过程, 重新选出一个根节点, 这在 一段时期内会破坏时间同步, 但是, 很快全网就能重新 达到同步。如果是其他节点失效, 个别节点不会影响全 网时间同步。FT SP 协议具有良好的鲁棒性。 3. 5 能耗
可以利用网络中的节点在一次时间同步中平均接 收和发送消息的数来简单地 估计时间同步协议的能 耗。
RBS 协议: 要实现两个节点之间的时间同步, 节点 需要接收一次广播消息, 然后再交换一次时间同步消 息, 平均需要 2 次消息发送和 3 次消息接收。协议的能 量消耗较大。
T P SN 协 议和 T iny -Sy nc/ M ini. Sync 算 法: 由于 这两个方法采用的都是类客户/ 服务器模式, 所以, 实 现一次时间同步, 节点平均需要 2 次消息发送和 2 次 消息接收。协议的能量消耗相对较小。
FT SP 协议: 该协议中, 节点接收到时间同步消息 后, 使得节点本地时间与全局时间达到同步, 然后形成 新的时间同步消息并发送出去。每次同步, 节点平均需

要 1 次消息发送和 1 次消息接收。协议的能量消耗是 最小的。 3. 6 结 论
根据上文的比较分析可以看出, 不同的时间同步 协议在精度、扩展性、鲁棒性和能耗这几个方面都各有 其优劣。为使大家更加明了各种时间同步算法的各方 面的优劣, 特总结出表 1 供参考。
表 1 各种时间同步算法的比较

RBS T PSN LT S T S/ MS Tsync DM TS FTSP

时间速率/ 时间偏移 两者 偏移 偏移 两者 偏移 偏移 两者

连续同步/ 按需同步 按需 连续 按需 连续 连续 连续 连续

全网同步/ 子网同步 子网 全网 两者 子网 全网 全网 全网

内同步/ 外同步 内 外 外 内 外 内 内

时标 时钟 时标 时标 时钟 时钟 时钟 时标转换/ 时钟同步
转换 同步 转换 转换 同步 同步 同步

广播

是 是 否 否 是是 是

单向/ 双向

单 双 双 双 双单 单

复杂性

一般 一般 较高 高 低 中等 高

同步精度

较高 较高 低 高 中等 低 高

收敛时间

一般 一般 一般 长 短 长 长

4 总结及展望
时间同步技术是无线传感器网络的重要的支撑技 术, 是目前无线传感器网络研究的热点和难点。本文对 目前的时间同步算法进行了较详细的分析比较。并介 绍了几种经典的无线传感器网络时间同步算法的基本 原理、适用范围以及优缺点。最后对各种算法进行了比 较, 有利于根据不同的应用需求选择适当的时间同步 算法。但是, 目前没有一种算法能够满足所有的应用需 求和性能指标, 这与实际应用还有一定差距, 仍需我们 继续努力研究出更好更优的算法以适应应用的需要。
参考文献

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