无线传感器网络时钟同步协议研究

魏秋桐　曾培

【摘 要】无线传感器网络应用的出现，使无线传感器网络中传感器节点的时钟同步技术变得越来越重要。本文旨在回顾一些主要的时钟同步协议，然后从拓扑结构方面对这些协议进行分类，并基于准确性、鲁棒性、计算负载三个标准对这些协议进行分析和比较。

【关键词】偏移；偏斜；时间戳

【Abstract】Time Synchronization of nodes in Wireless sensor networks is becoming increasingly important as the emergence of Wireless Sensor Networks applications. This paper aims to review some of the main protocols and classify them based on their topology structure， then analyzes them based on three criteria of accuracy， robustness， and computation load.

【Key words】Offset； Skew； Timestamp

0 引言

传感器网络中的很多应用都需要节点的时钟同步，为此，研究人员提出了许多不同的时钟同步协议。在无线传感器网络中，传感器节点的能量消耗是最主要的问题。围绕这个问题，本文的评价标准如下：

准确性：协议的平均精度或误差。

抗节点失效的鲁棒性：特定的单节点/多节点的故障不影响协议的进程。

计算负载：关于时钟偏斜和偏移的估计和补偿的计算。在本文中，任何统计分析的使用，都被认为是高负载的计算。

本文的协议划分为两种：集中式和分布式。其中，集中式是网络中有一个具有领导者功能的节点，其他节点都跟随此节点。分布式是网络中的所有节点功能相同，不存在具有特殊功能的节点结构。

1 同步协议研究

1.1 集中式时钟同步协议

RBS（Reference Broadcast Synchronization）[1]省略了发送方消息的非确定性部分。在RBS中，主节点广播一个不带时间戳的普通消息，从节点用自己的本地时钟记录各自的消息接收时间，然后与邻居节点相互交换时间信息，并利用偏移矩阵计算相对于所有其他节点时钟偏移的平均值，对本地时钟进行相应调整。

TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks）[2]证明了传统发送者-接收者的方法优于RBS接收者-接收者的方法。TPSN使用事件驱动与后向同步相结合，通过双向时间戳交换机制仅对时钟偏移进行估计。由于时间戳是在MAC层读取，发送、访问和接收时间可以忽略。

DMTS（Delay Measurement Time Synchronization）[2]旨在消除消息中所有可能的延迟，减少消息开销。当检测到清晰频道出现时，DMTS标记消息，消除发送方延迟，仅剩下接收端产生的延迟。协议使用选举算法选出一个主节点，其他节点与主节点同步。通过接收主节点的广播和时间戳消息来估计剩余延迟。

FTSP（Flooding Time Synchronization Protocol）[3]同时具备RBS和TPSN的优势，在发送端和接收端都存储多个时间戳。基于先前一致接收的消息估计时钟漂移，并使用线性回归算法找到最好的线路。

PBS（Pairwise Broadcast Synchronization）[3]能大幅度降低能耗。它假设时钟漂移为零，并基于偏移校正进行网络的同步。在PBS中，主节点和从节点成对执行操作，广播域中的节点通过监听估计自己的时钟偏移，减少了消息开销。

1.2 分布式时钟同步协议

DTSP（Distributed Time Synchronization Protocol）[4]通过使用递归最小二乘法（RLS）计算消息的传输时延，估计时钟偏移和偏斜，并在第一个字节发送后将时间戳添加到消息中。

GTSP（Gradient Time Synchronization Protocol）[5]补偿时钟偏斜和偏移，它采用MAC层时间戳避免了部分误差。网络中，临近邻居节点紧密同步，远距离节点松散耦合。GTSP时钟偏斜和偏移是临近邻居时钟的平均值。

TDP（Time Diffusion synchronization Protocol）[6]有两个阶段：活跃阶段（持续时间基于最大允许时钟漂移）和睡眠阶段（执行同步算法）。协议将节点分为不同的簇，每个活跃阶段选举产生主节点，具有鲁棒性。每一簇的主节点通过扩散时钟消息来聚集本地时间，获得一个系统级的时间标度。

2 结论

本文回顾了8种不同的时钟同步协议，并对他们进行了分类和评价，见表1。基于以上回顾，我们可以发现一些新的研究方向。大多数协议都是基于统计分析来估计时钟漂移，需要在节点内存中存储数据点，从而需要更多的内存和能量，并且没有漂移补偿，不可能延长同步间隔。同步间隔的延长可以发送更少的消息（同步消息大多与真实数据消息不同），从而消耗更少的能量。一种解决方案是合并消息中的真实数据和同步数据，并按周期（根据所需要的精度确定）添加同步数据到真实数据消息中。但是，层次结构网络中的数据流流向汇聚节点，而同步消息流从汇聚节点发出，方向相反，因此基于结构的限制应该受到重视。在今后工作中，将在不失准确性的前提下提出低消耗的同步协议，降低能源消耗。

【参考文献】

[1]李文峰，王汝传.基于RBS的无线传感器网络时间同步算法[J].通信学报， 2008（06）.

[2]徐世武，王平.DMTS与TPSN时间同步算法的融合设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2010（12）.

[3]杨朔.无线传感器网络时间同步算法研究[J].电子科学与技术，2014.

[4]周书民，周建勇.无线传感网络中时钟同步的研究[J].电子技术与应用，2006（9）.

[5]王瑜，张继荣.无线传感器网络的时间同步[J].西安邮电学院学报，2010（06）.

[6]严斌宇，刘戈.无线传感器网络时钟同步技术[J].计算机测量与控制，2009（06）.

[责任编辑：王楠]