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本文作者：徐頂鑫易衛(wèi)東陳永銳孫昊作者單位：中國科學(xué)院研究生院信息科學(xué)與工程學(xué)院

0引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wirelesssensornetworks，WSN）是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的1個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。它以低功耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來了信息感知的一場變革。

在過去的十幾年中，國內(nèi)外學(xué)者對WSN的研究與應(yīng)用投入了極大的熱情。在環(huán)境感知與監(jiān)測［1］、無線定位與跟蹤［2］、醫(yī)療監(jiān)護(hù)［3］、智能家居［4］等領(lǐng)域都展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。時間同步是WSN的1項關(guān)鍵支撐技術(shù)［5］。WSN是一種分布式系統(tǒng)，各個節(jié)點的本地時鐘相互獨立，這就導(dǎo)致各個節(jié)點的系統(tǒng)時間互不相同。許多WSN應(yīng)用需要各節(jié)點協(xié)同工作，單個節(jié)點采集的原始數(shù)據(jù)需要和其他節(jié)點數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理才能獲取有用信息［6］。另一方面，時間同步在WSN通信協(xié)議的設(shè)計方面也有重要的應(yīng)用。

MAC協(xié)議的設(shè)計目標(biāo)主要包括節(jié)省能耗和防止沖突碰撞。TDMA在這方面具有先天的優(yōu)勢，而時間同步是TDMA的基礎(chǔ)。傳感器節(jié)點的系統(tǒng)時間由計時器產(chǎn)生，計時信號一般由晶體振蕩器提供。由于晶振的制造工藝有差別，運行環(huán)境有變化，計時頻率很難保持一致，導(dǎo)致各個節(jié)點的時間很容易失去同步。因此需要設(shè)計專門的同步算法來保證網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的時間同步。傳統(tǒng)的時間同步方法主要有NTP（networktimeprotocol）［7］和GPS（globalpositioningsystem）。NTP是Internet上的標(biāo)準(zhǔn)時間同步協(xié)議，主要為互聯(lián)網(wǎng)中所有主機提供標(biāo)準(zhǔn)UTC（coordinateduniversaltime）時間。GPS用于進(jìn)行全球高精度導(dǎo)航和定位。NTP和GPS都需要特定的設(shè)備或?qū)Ｓ霉?jié)點才能實現(xiàn)同步。由于傳感器節(jié)點硬件資源有限，節(jié)能要求比較高等特點使得這2種傳統(tǒng)時間同步方法都無法直接在wsn中使用。

目前針對WSN的時間同步方案主要分為以下3種［8］：1）基于發(fā)送者－接受者的方法。例如FTSP（floodingtimesynchronizationprotocol）［9］，參考節(jié)點（發(fā)送方）在同步包中加入其本地時鐘信息，待同步節(jié)點（接收方）收到同步包后，提取出時間信息，并據(jù)此校準(zhǔn)自己的時鐘。2）基于發(fā)送者－接收者交互的時間同步算法。例如TPSN（timing－syncprotocolforsensornetworks）［10］，同步包的數(shù)據(jù)流向為待同步節(jié)點－參考節(jié)點－待同步節(jié)點，通過雙向發(fā)送同步包，抵消傳播時延。3）基于接收者－接收者交互的時間同步算法。例如RBS（referencebroadcastsynchronization）［11］，其原理是利用同步包同步多個接收者之間的時間。參考節(jié)點廣播域內(nèi)的每個接收者將同時接收到來自參考節(jié)點的同步包，據(jù)此可以根據(jù)各個接收者接收到同步包時的時鐘偏差進(jìn)行校準(zhǔn)。

現(xiàn)有的時間同步算法［12－13］，大都將時間同步作為1個獨立于通信協(xié)議的中間層單獨設(shè)計，以使其適應(yīng)各種不同的協(xié)議應(yīng)用。這雖然會增強其通用性，但是卻大大增加了復(fù)雜度和維護(hù)的困難性。同時會帶來大量的維護(hù)開銷，增加節(jié)點額外的能耗，造成通信協(xié)議能量效率的下降。因此，1個好的時間同步方案應(yīng)當(dāng)在不犧牲同步精度的前提下盡量減小同步帶來的能耗。通用性和專一性是一對矛盾，而WSN是面向應(yīng)用的。大量的研究實踐表明，對于WSN的協(xié)議設(shè)計，很難做到像Internet一樣的標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，而必須針對不同的應(yīng)用場景做特定的優(yōu)化。從這種思想出發(fā)，本文針對數(shù)據(jù)采集這一WSN典型應(yīng)用場景，設(shè)計了1個低能耗、高精度的時間同步方案LCTS（lightweightcollectiontreebasedsynchronization）。

1LCTS的設(shè)計原理

1．1同步包時延分析

不同節(jié)點之間的時間同步必須依靠同步包的收發(fā)來對相關(guān)節(jié)點的時鐘進(jìn)行校準(zhǔn)。同步包的收發(fā)必然帶來時延，因此在校準(zhǔn)時必須對這部分的時延進(jìn)行補償。時間同步的難點在于該時延的分布具有隨機性。為了精確的補償，我們首先必須分析時延的特性，如表1所示。從表1可以看出，同步包的時延組成比較復(fù)雜，而且各部分時延分布特性很不一樣。時延分布不確定性的最大來源是信道接入，這一點對于WSN尤為突出。本文的設(shè)計思路是盡量減少不確定性時延，為此我們將同步包的收發(fā)置于軟件所能控制的最底層———物理層的驅(qū)動程序中。同步包一旦打上時間戳就可以立即被發(fā)送。此時，時延的組成將主要由節(jié)點硬件決定（傳輸時延，編解碼時延），而由復(fù)雜多變的無線信道引入的時延可以剔除。對于接受方由于中斷響應(yīng)被關(guān)閉引入的延時不確定性，我們可以通過周期性重復(fù)發(fā)送同步包來解決。

1．2周期性同步

同步包的周期性發(fā)送具有重要意義。從長時間看，節(jié)點晶振具有頻偏，導(dǎo)致節(jié)點計時不穩(wěn)定。但是在短時間內(nèi)，可以認(rèn)為晶振是穩(wěn)定的，從而計時是相對準(zhǔn)確的。因此我們可以通過周期性的同步來解決長時頻率飄移的問題。數(shù)據(jù)包的周期性發(fā)送會產(chǎn)生能耗，但是從協(xié)議棧整體來看，用于網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的周期性控制包例如路由信息等是不可缺少的，因此我們可以將同步包完全嵌入上層協(xié)議棧產(chǎn)生的協(xié)議控制包中，將時間戳打在周期性的控制包包尾。這樣，時間同步將不會帶來任何額外的數(shù)據(jù)包開銷，而只是將已有的包長度增加幾個字節(jié)，可以大大節(jié)省用于時間同步的能耗。事實上，在我們的實現(xiàn)中，同步包只需在MAC層的BEACON控制包包尾添加9個字節(jié)，就能統(tǒng)一實現(xiàn)同步、路由和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)等功能。

1．3樹形拓?fù)?/p>

正如前文所講，WSN是面向應(yīng)用的。本文設(shè)定的應(yīng)用場景是數(shù)據(jù)采集，此類應(yīng)用中，通常網(wǎng)絡(luò)層會維護(hù)1個以SINK節(jié)點為根節(jié)點的數(shù)據(jù)采集樹。網(wǎng)絡(luò)中所有的數(shù)據(jù)流向都是從子結(jié)點流向根節(jié)點并最終流向SINK節(jié)點。每一個節(jié)點都只與其父節(jié)點同步，只要樹形拓?fù)浯嬖?，就能最終實現(xiàn)全網(wǎng)同步。時間同步是為了數(shù)據(jù)交換，在數(shù)據(jù)采集樹中，所有的數(shù)據(jù)交換都是在父節(jié)點－子節(jié)點對中進(jìn)行，只要保證子節(jié)點與父節(jié)點同步，就能實現(xiàn)高效數(shù)據(jù)傳輸。

2LCTS的設(shè)計與實現(xiàn)

2．1節(jié)點時間的表示

在Tmote－Sky節(jié)點中，節(jié)點時間由外部時鐘源（晶振）產(chǎn)生。其計時方法涉及到3個（寄存器）變量：TAR，TACCR1和count。TAR是1個16位的硬件寄存器，根據(jù)外部時鐘源計數(shù)，能夠得到以tick（1tick＝2－15s）為單位的時間，計時精度達(dá)到微秒級。TACCR1是捕獲寄存器，當(dāng)TAR＝TACCR1時能產(chǎn)生TIMER中斷，通過將TACCR1的遞增步長設(shè)定為固定值INTERVAL可以對TIMER中斷計數(shù)，實現(xiàn)更大范圍計時。count是1個32位的軟件計數(shù)器，記錄TIMER中斷次數(shù)，從而得到毫秒級計時。

2．2同步包的設(shè)計

所謂同步包，即是在包尾打上時間戳的BEACON包，其格式如圖1所示。TYPE為標(biāo)志位，表明是否需要同步；SenderAddr為發(fā)送者地址，接收者據(jù)此判斷是否為其父節(jié)點，從而決定是否需要與其同步；TAR和count為時間戳，表明發(fā)送節(jié)點當(dāng)前系統(tǒng)時間。TACCR1的值，可以由TAR和count推出，因此不必發(fā)送。

2．3時鐘校準(zhǔn)

由于節(jié)點時間由TAR、TACCR1和count唯一確定，所以如果能保證2個節(jié)點的這3對參數(shù)一致，即能實現(xiàn)時間同步。當(dāng)接收者接收到同步包后可以根據(jù)時間戳信息校準(zhǔn)自己時間，校準(zhǔn)原理如下：（略）。TAR1和count1都可以直接從同步包中提取出來，INTERVAL是常量，因此只有1個未知量ΔT。ΔT是同步包的時延，需要進(jìn)行估計。ΔT是1個非常重要的參數(shù)，對ΔT估計的精度直接影響同步精度。

2．4同步過程描述

網(wǎng)絡(luò)在初始化時會建立1個以SINK節(jié)點為根節(jié)點的數(shù)據(jù)采集樹。SINK節(jié)點周期性地發(fā)送包含時間戳的BEACON包，子結(jié)點在收到BEACON包后解析出時間戳，并按照式（1）～式（3）校準(zhǔn)自己的時鐘。每個節(jié)點在完成同步（亦即入網(wǎng)）后也會按照SINK節(jié)點的方式廣播BEACON包，以方便新節(jié)點的加入。新節(jié)點加入時會首先偵聽一段時間，收集到鄰居節(jié)點的BEACON后會選取1個父節(jié)點，并與之同步，從而完成入網(wǎng)。當(dāng)拓?fù)浒l(fā)生變化時，掉網(wǎng)的節(jié)點會首先偵聽一段時間，重新選擇父節(jié)點，并完成同步入網(wǎng)。

3試驗結(jié)果與分析

3．1實驗平臺與實驗方法

本文采用Tmote－Sky［14］硬件平臺和Contiki［15］操作系統(tǒng)。Tmote－Sky是1個廣泛應(yīng)用的節(jié)點硬件平臺，它包括8MHzMSP430MCU，10KBRAM，48KBflash，250Kb／s射頻收發(fā)器。Contiki是1個輕量級多任務(wù)WSN操作系統(tǒng)。它完全由C語言實現(xiàn)。我們首先分析同步時延與包長的關(guān)系，依次改變同步包長度并記錄同步時延。在此基礎(chǔ)上分別提出定值校正法和跟蹤校正法2種估計同步時延的方法，分別進(jìn)行測試，得出各自同步誤差。詳細(xì)結(jié)果分析如下。

3．2同步時延與包長的關(guān)系。

根據(jù)1．2．1節(jié)的分析，本文采用的同步方法引入的同步包時延主要包括傳輸時延，而它是與包長直接相關(guān)的。實驗所得ΔT與包長的關(guān)系如圖2所示。圖2表明時延與包長呈線性相關(guān)性，經(jīng)過線性擬合可得如下經(jīng)驗公式：（略）。給定包長L，我們可以得到ΔT，然后根據(jù)式（1）可以進(jìn)行校準(zhǔn)，我們稱此方法為定值校正法。下面我們來分析該方法的同步誤差。

3．3定值校正法

定值校正法的校準(zhǔn)公式如式（5）所示：（略）。圖3所示為定值校正法的誤差分布圖，其數(shù)據(jù)的概率統(tǒng)計結(jié)果見表2，可見其同步誤差均值為0．968tick，即29．54μs，均方差為1．2054tick。為進(jìn)一步分析同步誤差隨時間的變化，得到同步誤差的時序圖如圖4所示。該圖表明在短時間小區(qū)間內(nèi)同步誤差較為穩(wěn)定，而在長時間大區(qū)間內(nèi)同步誤差呈周期性變化。根據(jù)這一特性，我們可以采用跟蹤校正法來估計同步誤差。

3．4跟蹤校正法

跟蹤校正法的校正公式如式（6）所示：（略）。其同步誤差分布如圖5所示，其數(shù)據(jù)的概率統(tǒng)計結(jié)果如表2所示?？梢娖渫秸`差為0．4114tick，即12．55μs，均方差為0．7003tick。對誤差的時序進(jìn)行分析得到同步誤差的時序圖如圖6所示。與定值校正法對比，可以發(fā)現(xiàn)跟蹤校正法性能有較大的提升，既能保證較高的精度（平均誤差減少57．5％），又能保證較好的穩(wěn)定性（均方差減少49％）。因此在同步精度較高的場所可以采用跟蹤校正法。在同步精度低的場合可使用簡單的定值校正法。RBS［11］和TPSN［10］的同步誤差分別為29．13μs和16．9μs，與LCTS相當(dāng)，但是LCTS在能耗方面更有優(yōu)勢。

3．5能量分析

WSN節(jié)點的能耗主要由射頻模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)產(chǎn)生，因此我們可以通過同步包收發(fā)次數(shù)來比較不同同步算法的能耗?？紤]在1個廣播域內(nèi)1個參考節(jié)點n個接收節(jié)點時各算法的同步開銷如表3所示［16］。其中K為RBS算法時間記錄次數(shù)，K越大同步精度越高。從表3中可以看出與RBS和TPSN相比，LCTS可以大大減少同步包的收發(fā)次數(shù)，因此可以降低能耗。

4結(jié)論

本文針對面向數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的WSN提出了1個輕量級的基于數(shù)據(jù)采集樹的低能耗、高精度時間同步方案LCTS，并進(jìn)一步在該方案的基礎(chǔ)上提出了定值校正法和跟蹤校正法2種同步校正方法。通過在Tmote－Sky平臺上對該方案進(jìn)行實驗評估，得出了同步誤差的概率分布圖以及時域變化特性。大量長時間的實驗測試表明，LCTS可以實現(xiàn)μs級（＜100μs）的同步，同時具有低開銷、低能耗的特點。跟蹤校正法相對于定值校正法具有更高的精度，同步誤差的均值和均方差分別下降約57．5％和49％。