无线传感器网络中的时钟同步技术和算法

第２４卷第５期　电脑开发与应用　

文章编号：１００３—５８５０（２０１１）０５—００ｌ５－０３　无线传感器网络时间同步技术研究　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｏｉｌ　Ｔｉｍｅ　Ｓｙｎｃｈｒ０ｎｉｚａｔｉＯｎ　０ｆ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　

冯秀芳　高海燕　

（太原理工大学计算机科学与技术学院　太原０３００２４）　【摘　要】时间同步技术是无线传感器网络的一项重要技术，它对无线传感器网络中许多技术的实现具有重大意　

义。有限的电池能量，存储以及带宽限制等传感器固有特性的存在，导致传统的时间同步算法不适合无线传感　

器网络。具体介绍了现有的无线传感器中的一些时间同步问题和时间同步算法，并对其具体特性进行了深入的　

分析比较。　

【关键词】无线传感器网络，时间同步，同步算法　

中图分类号：ＴＰ３９　文献标识码：Ａ　ＡＢＳＴＲＡＣＴ　Ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ，Ｉｔ　ｐｌａｙｓ　ａ　ｇｒｅａｔ　ｒｏｌｅ　ｆｏｒ　ｍａｎｙ　

ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｌｉｍｉｔｅｄ　ｂａｔｔｅｒｙ　ｅｎｅｒｇｙ，ｓｔｏｒａｇｅ　ａｎｄ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ　ａｎｄ　ｓｏｎ，ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆｏｒ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｍａｉｎｌｙ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ａｎｄ　ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｊｚａｔｉ０ｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ，　ａｎｄ　ｍａｋｅｓ　ｍｕｃｈ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｍａｎｙ　

２２７８　２０１１，Ｖｏ１．３２，Ｎｏ．７　计算机工程与设计ＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　

能量有效的无线传感器网络时间同步算法　

刘　俊，　王潜平，　戴靠柱，　张爽　

（中国矿业大学计算机科学与技术学院，江苏徐州２２１１１６）　

摘要：针对无线传感器网络时问同步能耗问题，提出一种能量有效的时间同步算法。该算法结合了ＴＰＳＮ协议和ＲＢＳ协议　

的特点，利用无线信道的广播特性，在两个参考节点广播域里的所有节点通过监听参考节点之间的数据包交换而达到同　

步　并提出一种同步节点选择方法，将该同步算法扩展到多跳网络。实验结果表明，该算法在保持同步精度的同时降低了　

能量消耗。　

关键词：无线传感器网络；时间同步；ＴＰＳＮ协议；ＲＢＳ协议；参考节点　

中图法分类号：ＴＰ３９３　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—７０２４【２０ｌ１）０７．２２７８—０３　

Ｅｎｅｒｇｙ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　ＷＳＮ　

ＬＩＵ　Ｊｕｎ，　ＷＡＮＧ　Ｑｉａｎ—ｐｉｎｇ，ＤＡＩ　Ｋａｏ—ｚｈｕ，ＺＨＡＮＧ　Ｓｈｕａｎｇ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＭｉｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ　２２１１１６，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｏｆｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｉｎ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ，ａｌｌ　ｅｎｅｒｇｙ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　

ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｃｏｍｂｉｎｅｓ　ｔｈｅ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆＴＰＳＮ　ａｎｄ　ＲＢＳ　ｐｒｏｔｏｃｏ１．Ｕｓｉｎｇ　ｏｆｔｈｅ　ｂｒｏａｄ—　

总第１６０期　２００７年第４期　舰船电子工程　Ｓｈｉｐ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｏｌ＿２７　Ｎｏ．４　２４　

无线传感器网络的时间同步技术　

阮立志　（连云港职业技术学院机电工程系连云港２２２００６）　摘要作为一项重要的共性支撑技术，时问同步技术在无线传感器网络中尚未得到很好的解决。分析现有网络时　间同步技术，然后针对无线传感器网络中时间同步的要求及特性，着重探讨几种典型的无线传感器网络时间同步算法，并　对各种算法进行比较分析，最后提出今后的研究方向。　关键词无线传感器网络；时间同步；算法　中图分类号ＴＰ３９３　

１　引言　随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术　的飞速发展，无线传感器网络（ＷＳＮ）引起了人们　的极大关注。ＷＳＮ是由大量的密集部署在监控区　域的智能传感器节点构成的一种无中心节点的全　分布网络应用系统　＿￣＿３　Ｊ。它的特点是：传感器节　点数量众多，部署时采用随机投放的方式，节点的　位置不能预先确定；在任意时刻，节点间通过无线　信道连接，自组织网络拓扑结构；传感器节点问具　有很强的协同能力，通过局部的数据采集、预处理　以及节点问的数据交互来完成全局任务。　在ＷＳＮ的应用中，传感器节点通常需要协调　操作共同完成一项复杂的传感任务，时间同步技术　就成为其必要的保障。但设计高精度的时间同步　机制是ＷＳＮ设计和应用的技术难题。研究适合　ＷＳＮ的时间同步技术，满足ＷＳＮ应用的需要以及　对ＷＳＮ本身各种技术的需求就显得十分必要。如　在多传感器数据融合技术、低能耗ＭＡＣ协议的设　计　定位技术等许多场合都离不开时间同步　＿．＿５　Ｊ。　２现有的网络时间同步技术　

目前广泛用于网络时间同步的方法主要有　ＧＰＳ　和ＮＴＰ　。ＧＰＳ具有相当高的同步精度，但　其成本较高并且能耗较大，而且在恶劣的环境下同　步精度会受到很大影响。ＮＴＰ是Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上进行　时钟同步的协议，它能实现网络上高精度的计算机　校时，但它是计算密集型的，具有很大的计算开销。　ＮＴＰ的目的是在国际互联网上传递统一、标准的时　间。具体的实现方案是在网络上指定若干时钟源　网站，为用户提供授时服务，并且这些网站问应该　能够相互比对，提高准确度。ＮＴＰ已经成为解决有　线网络环境中时间同步问题的标准。　ＮＴＰ的工作模式有主／被动对称模式、客户／服　务器模式和广播模式三种。主／被动对称模式是一　对一的连接，双方均可同步对方或被对方同步，先　发出申请建立连接的一方工作在主动模式下，另一　方工作在被动模式下；客户／服务器模式与主／被动　对称模式基本相同，唯一的区别在于，客户方可被　服务器同步，但服务器不能被客户同步；广播模式　是一对多的连接，服务器不论客户工作在何种模式　下，主动发出时间信息，客户．由此信息调整自己的　时间，此时网络延时忽略，因此在准度上有损失，但　可满足秒级应用。　客户方　服务器方　Ｔｌ　＼．　１　

简论无线传感网络时间同步的问题

引言

想要在无线传感网络中很好地保证数据传输的可靠性，非常重要的一点就是保持节点之间时间上的同步。目前因特网上采用时间同步协议标准是NTP协议，采用有线传输，不适合用于功耗、成本受限制的无线传感网络中。GPS系统也可以提供高精度的时间同步，但它的信号穿透性差，GPS天线必须安装在空旷的地方，功耗也较大，所以不适合无线传感网络。

Elson等人2002年首次提出无线传感器网络时间同步的研究课题以来，已有相当多的典型时间同步算法，主要可以分为以下几类：基于发送者-接收者的双向同步算法，典型算法如TPSN算法；基于发送者-接收者的单向时间同步算法，典型算法如FTSP算法、DMTS算法；基于接收者-接收者的同步算法，典型算法有RBS算法。

近年来根据以上几种典型同步算法，还有人提出了分簇式的层次型拓扑结构算法，以及结合生成树等来提高整个网络的性能，如LTS算法、CHTS算法、CRIT算法、PBS算法、 HRTS

算法、BTS算法、ETSP算法等。

然而，无论以上同步算法怎样发展，精度如何提高，整个网络功耗怎样降低，都是基于单跳时间同步机制。随着无线传感网络的运用与发展，传感节点体积不断缩小，单跳距离变小，整体网络规模变大，同步误差的累积现象必将越来越严重。目前也有比较新的同步算法，试图尽量避开单跳累加来解决这些问题，如协作同步。

1 时间同步

1.1 时间同步不确定性的影响因素

时间同步不确定性的主要的影响因素如图1所示。

图1 报文传输延迟

发送时间：发送方用于构造分组并将分组转交给发送方的MAC层的时间。主要取决于时间同步程序的操作系统调用时间和处理器负载等。

访问时间：分组到达MAC层后，获取信道发送权的时间。主要取决于共享信道的竞争、当前的负载等。

传送时间：发送分组的时间，主要取决于报文的长度等。 传播时间：分组离开发送方后，并将分组传输到接收方之间的无线传输时间。主要取决于传输介质、传输距离等。