《電子技術應用》
您所在的位置:首頁 > 通信與網(wǎng)絡 > 設計應用 > WSN中時間同步技術發(fā)展研究
WSN中時間同步技術發(fā)展研究
2014年微型機與應用第16期
王安義1,柯 磊1,2,劉 濤2,曾 婷2
1.西安科技大學 通信與信息工程學院,2.中國科學院國家授時中心,陜西 西安
摘要: 針對無線傳感器網(wǎng)絡WSN重要技術之一的時間同步技術研究了幾種時間同步技術的實現(xiàn)過程。典型同步技術應用于大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡時魯棒性和可擴展性受到限制,在此基礎上重點研究新的同步技術——協(xié)作同步和螢火蟲同步。協(xié)作同步解決了多跳誤差累積的情況;螢火蟲同步機制簡單,平等對待各個節(jié)點,可擴展性和魯棒性優(yōu)越。通過對國內(nèi)外學者的研究成果進行探討總結(jié),指出了未來時間同步技術的研究重點和方向。
Abstract:
Key words :

  摘  要: 針對無線傳感器網(wǎng)絡WSN重要技術之一的時間同步技術研究了幾種時間同步技術的實現(xiàn)過程。典型同步技術應用于大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡時魯棒性和可擴展性受到限制,在此基礎上重點研究新的同步技術——協(xié)作同步螢火蟲同步。協(xié)作同步解決了多跳誤差累積的情況;螢火蟲同步機制簡單,平等對待各個節(jié)點,可擴展性和魯棒性優(yōu)越。通過對國內(nèi)外學者的研究成果進行探討總結(jié),指出了未來時間同步技術的研究重點和方向。

  關鍵詞: 無線傳感器網(wǎng)絡;時間同步;螢火蟲同步;協(xié)作同步

  WSN(Wireless Sensor Network)通過無線通信方式形成一個多跳自組織網(wǎng)絡,在實際應用中,網(wǎng)絡規(guī)模大[1],節(jié)點數(shù)量眾多,需要降低節(jié)點成本和能量消耗[2]。針對Internet設計的時間同步協(xié)議NTP(Network Time Protocol)適用于靜態(tài)網(wǎng)絡,需要有一定的基礎設施支持,計算復雜度高。而全球定位系統(tǒng)GPS(Global Position System)功耗大,價格高,無法為每個節(jié)點都配備。WSN中時間同步技術面臨著新的困難和挑戰(zhàn)。自2002年8月ELSON J和ROMER M在HotNets學術會議上首次提出和闡述WSN時間同步的研究課題以來,致力于時間同步研究的學者越來越多,新的時間同步協(xié)議不斷被提出,WSN時間同步技術的研究取得了相當大的進展。

1 典型時間同步技術

  2002年12月ELSON J提出的RBS機制去除了時間同步誤差中發(fā)送節(jié)點引入的部分,縮短了關鍵路徑的長度[3]。2003年7月,伯克利英特爾實驗室的Su Ping提出單向同步算法DMTS,接收節(jié)點通過精確地測量從發(fā)送節(jié)點到接收節(jié)點的單向時間延遲,并結(jié)合發(fā)送節(jié)點中的時間戳修改自己的本地時間[4]。2003年11月,加州大學網(wǎng)絡和嵌入式系統(tǒng)實驗室GANERIWAL S等提出了TPSN同步機制,類似于互聯(lián)網(wǎng)同步協(xié)議NTP,TPSN利用雙向信息交換計算消息的平均延遲,提高了精度[5]。2004年Vanderbilt大學MIKLOS M和BRANISLAV K等提出了FTSP算法,發(fā)送節(jié)點在完成SYNC字節(jié)發(fā)送后在MAC層給以后發(fā)送的每個字節(jié)標記時間戳,這樣在發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點都獲得了多個時間戳[6]。典型同步機制大多是基于時間戳信息交換,主要是減少同步消息關鍵路徑的長度,提高MAC層時間戳信息準確性,利用無線廣播特性來降低同步功耗。FTSP同步精度最高,但是其根節(jié)點失效將會對網(wǎng)絡同步性能影響較大。RBS算法同步功耗低,但是只能實現(xiàn)局部節(jié)點間同步。DMTS算法同步功耗低,但是同步精度較低。TPSN精度較高,但是使用成對同步,同步功耗大,而且維持層次結(jié)構需要一定開銷。單跳WSN中這些協(xié)議已經(jīng)很成熟,目前在Mica系列節(jié)點上測試同步誤差達到幾十甚至十幾微秒的量級。但是這些同步協(xié)議要求節(jié)點具有全局或局部唯一ID,在進行全網(wǎng)同步時,往往需要建立一個樹形或?qū)哟涡徒Y(jié)構,應用于WSN多跳網(wǎng)絡中,健壯性和可擴展性以及同步累積誤差、同步功耗等方面都表現(xiàn)得不夠優(yōu)越。未來的研究考慮針對不同的應用研究相應的優(yōu)化同步算法,研究如何在同步開銷和同步精度上達到折衷,如何提高同步算法的健壯性、穩(wěn)定性和可擴展性。

2 新的同步技術

  為了解決典型同步技術的不足,協(xié)作同步技術和古老的螢火蟲同步技術走入研究者的視線。新的同步技術突破典型同步協(xié)議思想的限制,為WSN時間同步技術的研究開辟了新的研究方向。

  2.1 協(xié)作同步

  參考文獻[7]中HU A和SERVETTO S D首次提出協(xié)作同步的思想,如圖1所示節(jié)點1實現(xiàn)與節(jié)點n的同步,節(jié)點1已經(jīng)發(fā)送m個同步脈沖,節(jié)點2收到之后在m+1個脈沖發(fā)送時刻和節(jié)點1一同發(fā)送,能量的疊加使脈沖傳得更遠,直至節(jié)點n收到同步脈沖。而典型同步算法是通過中間節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)多跳同步。協(xié)作同步的優(yōu)點是不會出現(xiàn)同步誤差的累積現(xiàn)象。但是協(xié)作同步要求節(jié)點密度高,節(jié)點時間模型為恒定模型。參考文獻[8]提出空間平均和時間平均的思想,弱化前提條件,使得協(xié)作同步為解決大規(guī)模WSN時間同步提供了一個有益方向。

003.jpg

  2.2 螢火蟲同步

  對螢火蟲同步的關注歷史悠久,1665年惠更斯發(fā)現(xiàn)懸掛在同一橫梁上的鐘擺自發(fā)同步,1935年美國生物學家史密斯在其論文中闡述了東南亞螢火蟲有規(guī)律同步發(fā)光的現(xiàn)象。1975年,Charles把每個心肌細胞看成一個RC振蕩電路,模擬心臟有節(jié)奏的跳動。1989年Strogatz與Mirollo將問題抽象建立數(shù)學模型(即M&S模型)。系統(tǒng)狀態(tài)變量用x表示,系統(tǒng)的動力學模型為,其中,f是一個定義域和值域均為[0,1]的、光滑的、單調(diào)遞增的上凸函數(shù)(即f′>0,f″<0,),且滿足f(0)=0,f(1)=1。?椎稱為相位變量,滿足d?椎/dt=1/T(T是振蕩周期)。當x=1時,電容電壓到達閾值,振蕩器開始放電,對其他振蕩器電壓提升一個增量ε,電壓x突變?yōu)?,如圖2所示。此狀態(tài)循環(huán),最終所有振蕩器同時充放電。不同步產(chǎn)生了耦合,耦合改變了狀態(tài)量,而狀態(tài)量改變了相位量。MIROLLOS R E在參考文獻[9]中證明了兩個振蕩器之間相位差在不斷縮小,最終達到同步狀態(tài)。

002.jpg

  之前所做的研究都是在假設系統(tǒng)沒有耦合延遲而且每個節(jié)點具有相似性(節(jié)點振蕩頻率相同)情況下得出的結(jié)論。Ernst等人研究得出兩個振蕩器在耦合延遲固定的情況下,正耦合不可能取得同步,負耦合可能取得同步。參考文獻[10]仿真了螢火蟲算法的收斂速度、耦合強度、初始相位等因素之間的關系。參考文獻[11]在TinyOS平臺上首次實現(xiàn)了螢火蟲同步算法,考慮實際耦合中的耦合延遲,提出了RFA(Reachback Firefly Algorithm),節(jié)點對上一輪報文的影響推后到當前做出反應,再把同步脈沖的發(fā)送時間在允許范圍之內(nèi)隨機推后一段時間,避免無線信道競爭最差的情況。實驗表明,在一定的同步誤差允許范圍內(nèi),螢火蟲同步有一定的實用性。

  參考文獻[12]考慮到實際多跳網(wǎng)絡中的各項延遲,提出延遲補償?shù)母拍?,將?jié)點的固定周期修改為2T,通過fire后引入refractory期,克服了系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況。對發(fā)送期間不能接收firing event造成的deafness期,節(jié)點fire后,延遲傳輸同步字節(jié),增加等待時間Twait。此方法提高了同步的準確性,缺點是最后節(jié)點形成兩個分組,這兩個分組互相作用、互相幫助達到同步。參考文獻[13]中提出了頻率不同的線性脈沖耦合振蕩器模型,通過理論推導得出了頻率不同的兩個振蕩器和多個振蕩器的瞬時同步條件、同步保持條件、回歸映射(return maps)和激發(fā)(firing maps)映射。

  2.3 新型同步算法分析

  協(xié)作同步對節(jié)點的密度要求很高,未來的研究集中在怎樣實現(xiàn)低密度協(xié)作同步。螢火蟲同步利用硬件直接在物理層實現(xiàn),不受MAC延遲、協(xié)議處理等方面的影響,機制簡單,不需要存儲時間信息,節(jié)點的地位平等,對于大規(guī)模WSN,可擴展性和適應網(wǎng)絡動態(tài)拓撲性能較好。

  本文詳細地介紹了WSN中時間同步技術從首次提出到目前的研究進展情況,研究了RBS、DMTS、TPSN、FTSP等典型同步機制,重點研究了協(xié)作同步和螢火蟲同步。未來對螢火蟲同步研究需考慮新的模型,能夠同時同步相位和頻率,克服晶振頻率不穩(wěn)定的情況;其次,怎樣降低同步開銷、減少節(jié)點能耗也是未來研究的重點。未來研究還可以考慮將傳統(tǒng)典型同步方法與螢火蟲同步方法相結(jié)合,提高同步精度。此外,現(xiàn)有的同步算法是在實驗室相對較好的環(huán)境中進行,因此在實際惡劣環(huán)境中算法的適應性也是重點需要考慮的。

  參考文獻

  [1] 李強懿,馬冬前,張聚偉.基于平衡距離的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點部署算法[J].電子技術應用,2013,39(4):96-98,106.

  [2] 丁娟,劉三陽,張平.基于能量優(yōu)化的WSN數(shù)據(jù)收集和融合算法[J].電子技術應用,2013,39(5):97-99.

  [3] ELSON J, GIROD L, ESTRIN D. Fine grained time synchronization using reference broadcasts[C]. The 5th Symp. on Operation System Design and Implementation, Boston, 2002.

  [4] Su Ping. Delay measurement time synchronization for wireless sensor networks[M]. Intel Research Berkeley lab.,June 2003.

  [5] GANERIWAL S. Timing-sync protocol for sensor networks[C]. The First ACM Conference on Embedded Networked Sensor System (SenSys), November 2003.

  [6] MIKLOS M, BRANISLAV K, GYULA S, et al. The flooding time synchronization protocol[C]. In Proc. 2nd Int.Conference on Embedded Networked Sensor System, Baltimore, MD, 2004.

  [7] HU A, SERVETTO S D. On the scalability of cooperative time synchronization in pulse connected networks [J].IEEE Transactions on Information Theory, 2006,52(6):2725-2748.

  [8] HU A, SERVETTO S D. A scalable protocol for cooperative time synchronization using spatial averaging [EB/OL](2006-10-31)[2014-05-20]. http ://cn. ece. cornell.edu/publications/papers/20061031, 2006.

  [9] MIROLLOS R E, STROGATZ S H. Synchronization of pulse coupled biological oscillators[J]. SIAM Journal on Applied Mathematics, 1990,50(6):1645-1662.

  [10] HONG Y, SCAGLIONE A. A scalable synchronization protocol for large scale sensor networks and its applications[J]. IEEE Journal of Selected Areas in Communications, 2005, 23(5): 1085-1099.

  [11] GEOFFREY W A, GEETIKA T, ANKITt P, et al. Firefly inspired sensor network synchronicity with realistic radio effects[C]. The 3rd ACM Conference on Embedded Networked Sensor System, SanDiego, 2005.

  [12] TYRRELL A, AUER G. Fireflies as role models for Synchronization in Ad-Hoc networks[C]. in Proc. Int. Conf. BioInsp. Models of Network, Information and Computer System (BIONETICS2006), Cavalese, Italy, Dec. 2006.

  [13] An Zhulin, Zhu Hongsong, Li Xinrong, et al. Nonidentical linear pulse-coupled oscillators model with application to time synchronization in wireless sensor networks[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2011,58(6):2205-2215.


此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權禁止轉(zhuǎn)載。