《电子技术应用》

WSN中时间同步技术发展研究

2014年微型机与应用第16期 作者: 王安义1,柯 磊1,2,刘 涛2,曾 婷2
2015/6/8 18:14:00

  摘  要: 针对无线传感器网络WSN重要技术之一的时间同步技术研究了几种时间同步技术的实现过程。典型同步技术应用于大规模无线传感器网络时鲁棒性和可扩展性受到限制,在此基础上重点研究新的同步技术——协作同步萤火虫同步。协作同步解决了多跳误差累积的情况;萤火虫同步机制简单,平等对待各个节点,可扩展性和鲁棒性优越。通过对国内外学者的研究成果进行探讨总结,指出了未来时间同步技术的研究重点和方向。

  关键词: 无线传感器网络;时间同步;萤火虫同步;协作同步

  WSN(Wireless Sensor Network)通过无线通信方式形成一个多跳自组织网络,在实际应用中,网络规模大[1],节点数量众多,需要降低节点成本和能量消耗[2]。针对Internet设计的时间同步协议NTP(Network Time Protocol)适用于静态网络,需要有一定的基础设施支持,计算复杂度高。而全球定位系统GPS(Global Position System)功耗大,价格高,无法为每个节点都配备。WSN中时间同步技术面临着新的困难和挑战。自2002年8月ELSON J和ROMER M在HotNets学术会议上首次提出和阐述WSN时间同步的研究课题以来,致力于时间同步研究的学者越来越多,新的时间同步协议不断被提出,WSN时间同步技术的研究取得了相当大的进展。

1 典型时间同步技术

  2002年12月ELSON J提出的RBS机制去除了时间同步误差中发送节点引入的部分,缩短了关键路径的长度[3]。2003年7月,伯克利英特尔实验室的Su Ping提出单向同步算法DMTS,接收节点通过精确地测量从发送节点到接收节点的单向时间延迟,并结合发送节点中的时间戳修改自己的本地时间[4]。2003年11月,加州大学网络和嵌入式系统实验室GANERIWAL S等提出了TPSN同步机制,类似于互联网同步协议NTP,TPSN利用双向信息交换计算消息的平均延迟,提高了精度[5]。2004年Vanderbilt大学MIKLOS M和BRANISLAV K等提出了FTSP算法,发送节点在完成SYNC字节发送后在MAC层给以后发送的每个字节标记时间戳,这样在发送节点和接收节点都获得了多个时间戳[6]。典型同步机制大多是基于时间戳信息交换,主要是减少同步消息关键路径的长度,提高MAC层时间戳信息准确性,利用无线广播特性来降低同步功耗。FTSP同步精度最高,但是其根节点失效将会对网络同步性能影响较大。RBS算法同步功耗低,但是只能实现局部节点间同步。DMTS算法同步功耗低,但是同步精度较低。TPSN精度较高,但是使用成对同步,同步功耗大,而且维持层次结构需要一定开销。单跳WSN中这些协议已经很成熟,目前在Mica系列节点上测试同步误差达到几十甚至十几微秒的量级。但是这些同步协议要求节点具有全局或局部唯一ID,在进行全网同步时,往往需要建立一个树形或层次型结构,应用于WSN多跳网络中,健壮性和可扩展性以及同步累积误差、同步功耗等方面都表现得不够优越。未来的研究考虑针对不同的应用研究相应的优化同步算法,研究如何在同步开销和同步精度上达到折衷,如何提高同步算法的健壮性、稳定性和可扩展性。

2 新的同步技术

  为了解决典型同步技术的不足,协作同步技术和古老的萤火虫同步技术走入研究者的视线。新的同步技术突破典型同步协议思想的限制,为WSN时间同步技术的研究开辟了新的研究方向。

  2.1 协作同步

  参考文献[7]中HU A和SERVETTO S D首次提出协作同步的思想,如图1所示节点1实现与节点n的同步,节点1已经发送m个同步脉冲,节点2收到之后在m+1个脉冲发送时刻和节点1一同发送,能量的叠加使脉冲传得更远,直至节点n收到同步脉冲。而典型同步算法是通过中间节点的转发实现多跳同步。协作同步的优点是不会出现同步误差的累积现象。但是协作同步要求节点密度高,节点时间模型为恒定模型。参考文献[8]提出空间平均和时间平均的思想,弱化前提条件,使得协作同步为解决大规模WSN时间同步提供了一个有益方向。

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  2.2 萤火虫同步

  对萤火虫同步的关注历史悠久,1665年惠更斯发现悬挂在同一横梁上的钟摆自发同步,1935年美国生物学家史密斯在其论文中阐述了东南亚萤火虫有规律同步发光的现象。1975年,Charles把每个心肌细胞看成一个RC振荡电路,模拟心脏有节奏的跳动。1989年Strogatz与Mirollo将问题抽象建立数学模型(即M&S模型)。系统状态变量用x表示,系统的动力学模型为,其中,f是一个定义域和值域均为[0,1]的、光滑的、单调递增的上凸函数(即f′>0,f″<0,),且满足f(0)=0,f(1)=1。?椎称为相位变量,满足d?椎/dt=1/T(T是振荡周期)。当x=1时,电容电压到达阈值,振荡器开始放电,对其他振荡器电压提升一个增量ε,电压x突变为0,如图2所示。此状态循环,最终所有振荡器同时充放电。不同步产生了耦合,耦合改变了状态量,而状态量改变了相位量。MIROLLOS R E在参考文献[9]中证明了两个振荡器之间相位差在不断缩小,最终达到同步状态。

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  之前所做的研究都是在假设系统没有耦合延迟而且每个节点具有相似性(节点振荡频率相同)情况下得出的结论。Ernst等人研究得出两个振荡器在耦合延迟固定的情况下,正耦合不可能取得同步,负耦合可能取得同步。参考文献[10]仿真了萤火虫算法的收敛速度、耦合强度、初始相位等因素之间的关系。参考文献[11]在TinyOS平台上首次实现了萤火虫同步算法,考虑实际耦合中的耦合延迟,提出了RFA(Reachback Firefly Algorithm),节点对上一轮报文的影响推后到当前做出反应,再把同步脉冲的发送时间在允许范围之内随机推后一段时间,避免无线信道竞争最差的情况。实验表明,在一定的同步误差允许范围内,萤火虫同步有一定的实用性。

  参考文献[12]考虑到实际多跳网络中的各项延迟,提出延迟补偿的概念,将节点的固定周期修改为2T,通过fire后引入refractory期,克服了系统不稳定的情况。对发送期间不能接收firing event造成的deafness期,节点fire后,延迟传输同步字节,增加等待时间Twait。此方法提高了同步的准确性,缺点是最后节点形成两个分组,这两个分组互相作用、互相帮助达到同步。参考文献[13]中提出了频率不同的线性脉冲耦合振荡器模型,通过理论推导得出了频率不同的两个振荡器和多个振荡器的瞬时同步条件、同步保持条件、回归映射(return maps)和激发(firing maps)映射。

  2.3 新型同步算法分析

  协作同步对节点的密度要求很高,未来的研究集中在怎样实现低密度协作同步。萤火虫同步利用硬件直接在物理层实现,不受MAC延迟、协议处理等方面的影响,机制简单,不需要存储时间信息,节点的地位平等,对于大规模WSN,可扩展性和适应网络动态拓扑性能较好。

  本文详细地介绍了WSN中时间同步技术从首次提出到目前的研究进展情况,研究了RBS、DMTS、TPSN、FTSP等典型同步机制,重点研究了协作同步和萤火虫同步。未来对萤火虫同步研究需考虑新的模型,能够同时同步相位和频率,克服晶振频率不稳定的情况;其次,怎样降低同步开销、减少节点能耗也是未来研究的重点。未来研究还可以考虑将传统典型同步方法与萤火虫同步方法相结合,提高同步精度。此外,现有的同步算法是在实验室相对较好的环境中进行,因此在实际恶劣环境中算法的适应性也是重点需要考虑的。

  参考文献

  [1] 李强懿,马冬前,张聚伟.基于平衡距离的无线传感器网络节点部署算法[J].电子技术应用,2013,39(4):96-98,106.

  [2] 丁娟,刘三阳,张平.基于能量优化的WSN数据收集和融合算法[J].电子技术应用,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.


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