关于无线传感器网络的时间同步技术研究

袁颂岳

（桂林信息科技学院 电子工程学院 广西 桂林 541004）

1 引言

无线传感器是互联网技术领域当中的核心技术之一，关于其自身的发展和研究也受到国内外研究人员的极大关注和重视。无线传感器通过多学科知识及技术的融合而来，可以通过多类别的集成化微型传感器节点共同实现感知、采集和检测，最终实现对信息的处置。分布式空间节点共同构成传感器网络，并且各个节点都设置多个传感器和控制单元，并且在军事、生态环境治理、医疗、家具生活等多个方面获得普遍的运用。而时间同步技术作为无线传感器的核心技术，对传感器稳定运行产生极大的影响。由于无线传感器运用的多元化导致对时间同步技术提出了更高的标准。下文就对无线传感器网络、时间同步技术的概念以及优化策略展开简要探讨。

2 无线传感器网络

无线传感器网络得益于我国科学技术的快速发展，从而在许多领域中都得到了广泛的应用和推广，尤其是推动军事、智能交通、环境监测以及医疗卫生等实现融合发展，提供便民服务，进一步满足现代化社会经济发展和需求。加强对无线传感器网络的研究，有助于推动检查和感知世界相关技术的进步，完成对信息数据的全面检测和收集，也能够加强对数据信息的应用

2.1 无线传感器网络概述

无线传感器是由监测区内的体积微小传感器节点组成的一支无线多跳的网络系统，每个节点都有传感器、数据处理、无线通讯电源模块构成，借助节点内不同作用和类型的传感器能够高效测量周边环境中的不同信号以及周围湿度、温度、压强等物理现象。运用好无线传感器，能够完成较高质量的信息采集及处理任务。

随着微电子和无线通讯技术的高速发展，多功能传感器也逐渐成为生活生产中必不可少的组成部分，无线传感器网络也因为自身低成本、低消耗、大规模的优势将继续对人类生活产生巨大影响。在影响人类未来生活的十大新兴技术中，无线传感器网络位居榜首。借助无线传感器网络能够开展数据采集、处理和传输的环节，通过对传输网络覆盖地区内部的对象的感知和检测，获取被感知对象的各项信息，并且将这些信息进行归纳整理之后发给能够连接网络的所有者和使用者，通过这种方式，也能够实现对各种环境参数的检测，比如：电磁、温度、湿度、压力等，也可以捕捉到物体移动的方向和速度，周围环境中各种多变的现象都可以被获取，从而在许多领域中都具有十分重要的应用意义。总的来说，传感器网络的发展历程可以分为传感器→无线传感器→无线传感器网络三个发展阶段。

2.2 无线传感器网络结构特点

传统的无线网络一般是通过无线信道传输数据进行通信节点，只负责数据分组和转发。在高移动环境当中也可以将网络利用最大化，保障服务质量。目前所使用的无线传感器网络主要具备以下特点：

大规模网络：大规模网络主要指的是传感器节点分布在很大的一片地理区域当中，可以利用传感器网络进行环境监测或者是预防火灾。另外也可以是传感器部署比较密集在相对较小的面积区域内放置大量传感器加强监测，保证信息可靠性。

自组织网络：在无线传感器网络当中所有节点的地位是相等的，没有指定的中心，各节点通过分布式算法来进行相互协调工作，在无人值守的前提下，节点也能够组织起一个完善的监测网络体系，这也就代表无线传感网络本身具有较强的自组织能力，可以进行自动配置和管理。

多跳路由：由于自身能量受限，在无线传输过程中是有距离限制的，距离限制一般在几百米之内，只有两个相近的节点才能够实现信息直接传输。所以在没有节点覆盖的地方是无法进行数据传输的，只能依靠其他节点进行传输。但是在采用多跳路由时，可以由多个普通节点完成数据传输，多跳路由是由网络普通节点完成的，并不需要设置专门的设备，网络传感器既能够进行数据传输也可以对数据进行转发，实现数据的高效率传输。

动态性网络：当传感器节点出现问题时或者人为增加节点，网络结构也会随着节点数量的增加或减少而产生动态变化，这就需要整个网络体系具有一定的适应能力以及较高的动态系统可重构特点。

以数据为中心：无线传感器网络属于一个任务型网络，在用户查询网络事件时，需要将所有信息进行传输并汇报给用户。通过感知客观物理世界，获取用户所关心的信息量，从而将所获得的具体的指定事件的信息汇报给相关用户，从而能够更好地满足用户的需求，也能够进一步延长网络的使用寿命。所以无线传感器网络主要是基于数据本身为中心的一种功能性网络体系。

3 无线传感器时间同步的重要性

时间同步是无线传感器运行过程中提供时间基准的主要过程，任何分布式网络都需要重视时间同步技术。只有无线传感器网络的时间同步，各节点才能够协同完成工作，准确地进行信息采集和传输。

3.1 数据融合

在分布式网络当中数据融合是一个非常重要的过程，各节点需要对区域内数据进行收集，并根据数据时间发生的信息进行时间截标记，如果各节点不能够保持良好的时间同步就不能够使数据进行有效融合，因此时间同步对无线传感器网络的数据处理以及传输都有着非常重要的影响意义，直接决定了数据的准确性和有效性。从这个角度来看，传感器网络本身就是以数据为中心的网络，基于统一的网络通信协议，采用更加符合人类自然语言交流的方式，将获得的指定事件的信息汇报给相关用户，通过这种方式，能够及时将用户所关心的事件通告和传达给网络，进而有效跟踪数据动态。

3.2 传输调度

调度协议是基于时间同步产生的，比如在分布式网络当中使用的通信方案，DTMA只适用于同步网络。节点与上层节点的通讯过程需要在该节点被分配到传输时隙中完成，如果本地节点的时间出现偏差，就有可能与其他节点发生碰撞，引起信息丢失，所以在分布式网络当中，传感器节点必须要保障统一的时间基准。所跟踪的目标信息可能出现在各个位置，伴随着其不断移动而出现在任何地方，用户所关心的只有自己的目标信息的时间和具体位置，并不在意监测到目标的节点，但无线传感器网络就是由不同的节点提供具体的目标信息。

3.3 能量管理

由于传感器一般体积较小，有自身携带的小型电池进行电量供给，在网络部署之后使用期限内很难对传感器进行电池维护更换。受电池容量的影响，节点必须要做到能量节省延长使用寿命，因此在节点空闲或休眠状态当中会进行智能能量管理，降低消耗功率。加强对所移动的目标的位置的监测，实现短时间内对数据的整理、分析和传输，所消耗的成本是比较低的，而且能够借助集成化处理的方式，为各个节点实现其功能提供了便利的条件，从而有助于降低所消耗的功率，实现高精度识别和检测。

4 时间同步

4.1 同步协议分类

时间同步可理解为网络节点中节点时钟显示相同的时间，实际上时间同步也有很多类型，以适应不同的需求和环境。

长期同步：长期同步可分为持续性同步和响应式同步，长期同步需要保持所有时刻到时钟同步，不管任何时间各节点都需要保持同步。但是这种情况在无线传感器网络应用过程中属于一种浪费行为，如果事件不频繁发生，那么在空闲时期维护网络时钟同步的资源就会被白白浪费。另外一种响应是同步，可以在事件发生时生效同步算法，这也就避免了在不需要运行的时候出现的浪费问题。

速率同步：所谓速率同步指的是各个节点在测量后得出的时间间隔相等。

内同步和外同步：在WSNs网络体系当中形成全网一致的是内同步，与UTC一致的为外同步，一般只有在外界其他系统或数据存档过程中才需要使用外同步。

接收者同步：接收者同步指的是发送者在数据中嵌入发送时间，而接收者接收后需要记录接收时间，利用这些时间计算双方收发的时钟偏移，进而达到时钟同步的目的。

4.2 时间同步误差来源

对本地物理时钟的频率进行估算可以发现同步信息时间误差主要包括以下几个方面：

发送时延：在操作系统和当前系统负载的影响之下，网络层到链路层会出现发送时延的问题。

接入时延：受网络流量影响，链路层协议等待信道空闲的时间就属于时延。

传送时延：由于包长和发送速度的影响，在物理层发送数据包的过程中也会出现传送时延的问题。

传播时延：在无线环境影响下距离，电磁波速度也会导致数据在链路传输过程中出现时延。

接收时延：与发送时延相关，在接受数据包时，因发送时延导致接收时延。

接收处理时延：在节点接收信息之后，需要对该信息进行处理，而处理时间与节点处理能力有关，若节点处理能力较差，就会导致接收处理时延。

5 高效率时间同步技术改进

5.1 改进算法

时间同步一般是在检测到感兴趣的事件后，节点进行同步，而不是进行长期同步。此概念在2002年提出之后在该领域中引起了广泛的关注，至今已经形成多种时间同步算法，在能量需求、基础设施配备以及其他方面都提出了不同的需求。而ARBS时间同步需要在大范围内进行，可以借助评估算法获得多个节点的时间偏差，为了在此过程中降低能耗，满足一定的同步精度需要进行协议改进，在监测到事件发生后，各节点发出时间同步请求，只要在节点信息传输路径上实现时间同步即可，其余没有事件发生的节点在接受到同步信息后，需要判断时钟是否保持在误差范围之内。

RBS、TPSN、FTPS都属于耗能较低的时间同步协议，但是缺乏同步精准度。因此可采用单项报文传输来实现两个节点之间的同步接收。节点测量数据分组后从发送节点到接收节点单向传输，运用分组中的MAC层加上时间标记计算时钟偏差，并根据偏差来调整本地时钟。

在算法改进之后，两个节点的同步精度与DMTS算法类似，也就是说采用这一算法，时间同步精度完全取决于节点对时间偏差的测量精度。

根据网络中是部分还是全部节点时间同步进行划分，可以将其分为全网同步和局部同步两类型，局部同步只需要部分与用户所关注的事件相关节点时间同步即可，并不需要网络中全部节点都同步。由于这一同步过程属于局部同步，除了强制同步的广播信息之外，节点在接收到节点发送的同步分组时，可以根据本地时钟参照时钟偏差并决定是否要继续同步，因此节省了不必要的能量耗损，也降低了算法的复杂度。

5.2 萤火虫同步

在传统的同步协议当中，由于多个原因影响会导致同步时间出现偏差，而萤火虫同步技术不同于传统同步协议，萤火虫的闪光节奏由内部的振子控制，也是一种全新的同步机制，每个节点通过进行不停的信号接收与发送，并改变其他节点的节奏，从而实现时钟同步。

该协议不需要以报文的方式进行时间同步，可通过物理层直接使用硬件实现时间同步。而且同步精准度并不会受到MAC延迟或协议处理的影响，也不会加重处理器的负担。另外由于该协议对任何信号的同步以及处理方法相同，不会受到同步信号的影响，因此在使用过程中具有较高的扩展性和网络动态变化能力，很少会因为外界因素影响时间同步。而且萤火虫同步技术的同步机制十分简单，在同步过程中不需要储存任何时间信息，只要求每个节点具有相似性，并在这一机制之下形成同步网络，并通过多节点的运行，实现时间同步。

所以萤火虫同步协议相比起传统的同步技术更有优势，也可以解决多节点运行过程中存在的时间偏差问题，可以有效保障信息获取处理的精准度和有效性。通过增加单位空间内部的测试节点的总数，从而进一步扩大节点的分布范围，优于传统无线网络的网络规模，以这种方式进一步提高测试的精准度。

5.3 协作同步技术

在无线传感器网络运行过程中，假设节点密度较高且存在固定传播延迟问题。节点的时间模型为速度恒定模型与假设条件存在一定差距，这就需要解决大规模节点出现的网络时间同步问题。

受到各个节点传输功率的影响，节点报文无法传输到较远的节点当中，但是只要在同一路径上放置多个节点就可以进行远距离传输。因此可以了解到虽然单一节点的发送功率不足，但是可以在与其他节点的协同之下，使得信息传输更远更加高效。想要真正实现远程时间信息同步，就必须要采用协同同步技术来建立分布式网络体系。通过这种方式能够降低用户彼此之间的干扰，提高多用户通信和沟通的效率，实现对资源和信息的最大化利用，操作需求较为简单。

随着微科技的发展，协作同步技术也可以在原本的多节点协同之上进行改进创新，考虑到无线传感器网络同步算法运行时能量消耗与同步进度很难同时实现，因此可以运用一种全新的时钟同步算法，指的是在事件触发算法之后，节点向根发出同步请求，该路径上的也需要进行同步，这样就可以很好地避免没有必要的分组同步耗损能源，还能够很好地控制时钟，误差保障时钟误差在合理范围之内，从而实现小周期、高效率的时间节点同步。上行协作主要是利用通信网络中的协作伙伴，不仅能够负责自己的信息之间的传送，也可以帮助协作伙伴进行信息的传送，这样就能够构建与协作伙伴之间的空间信道，用来进行资源和信息的沟通交流，也能够获得一定的空间分集增益。下行协作主要利用基站间协作的传输技术来提高系统的总体容量，有助于改善传统通信网络的覆盖领域，也能够进一步缓解小区之间的干扰，提高用户数据传输的速率，通过抑制多用户之间信号的干扰，而实现多用户通信的需求，借助协作通信能够形成统一的信号调度。有助于实现对资源的优化利用，进一步改善频谱效率，也能够以灵活的方式进行资源管理，从而提高整个系统的功率利用效率。这对于无线传感器网络今后的改善和应用来说都具有重要的作用。

6 结语

无线传感器网络在多个领域都有十分重要的应用价值，但是在实际应用过程中无法忽视始终同步以及能源耗损的问题，解决这些问题可以更好地提高无线传感器网络的应用效率，更加高效地进行数据收集处理。在进行相关研究之后，也可以发现将传统的时钟同步技术与其他技术有效融合，可以实现良好的互补作用。而且采用全新的同步算法，也能够提高传感器精准度，还能够在一定程度上降低能源的损耗，提高节点的使用寿命，降低维护成本。