時間同步是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一項基礎(chǔ)支撐技術(shù)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，如果沒有空間和時間信息，傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)是沒有任何意義的。準確的時間同步是實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)自身協(xié)議的運行、定位、多傳感器數(shù)據(jù)融合、移動目標的跟蹤以及基于睡眠/偵聽模式的節(jié)能機制等技術(shù)的基礎(chǔ)[1-2]。

    現(xiàn)有的時間同步方法(如RBS、TPSN、DTMS、FTSP等[3-5])，面臨的一個共同問題是如何準確地測量時間同步算法的同步性能，尤其是同步精度性能。盡管無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步技術(shù)已經(jīng)由單跳網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到多跳，但如何準確地測量節(jié)點間的同步誤差問題仍然沒有得到很好的解決。因此很多算法在實現(xiàn)過程中都主動避開這個問題，而采用軟件仿真的方法評估時間同步性能。但軟件仿真的方法對于晶體振蕩源、報文傳輸延遲等模型的建立難度較大，而且并不能真實反映實際運行過程中出現(xiàn)的其他問題對同步精度性能的影響[6]。
    本文提出了基于同步誤差映射的時間同步精度測試方法，該方法將固定時刻各節(jié)點間的時間差映射到物理時間的差異上，并通過節(jié)點內(nèi)輸出端口的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)在用戶端獲得實時的時間同步誤差。實際實驗測試表明，該方法不僅簡單易行，而且能夠?qū)崟r、準確地獲得節(jié)點間的同步誤差。
1 相關(guān)研究
    參考文獻[3]提出了用無線報文觸發(fā)誤差的測量方法，并對RBS算法進行了測量。參考文獻[5]使用無線報文觸發(fā)的測量方法對FTSP進行了測試。這種方法會對無線節(jié)點程序的正常運行產(chǎn)生過多的干擾，并占用無線通信資源，測量的實時性與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模成反比。參考文獻[6]提出了有線中斷信號觸發(fā)的誤差測量方法，并將觸發(fā)時間通過有線集中處理，盡管這種方法不依賴節(jié)點無線通信，但會受到節(jié)點的外部中斷響應(yīng)時間的影響。參考文獻[7]提出了建立時間同步仿真模型的方法，但這種方法只適用于特定的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，模型的普遍性不強。
2 同步精度測試原理
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步的精度算法研究、安全相關(guān)研究、能量有效相關(guān)研究等的最終目的都是獲得滿足用戶需求的穩(wěn)定的時間同步。因此，對同步誤差的準確實時測試是檢測時間同步算法實現(xiàn)效果的根本性手段。

    (1)時鐘偏移：在時刻t節(jié)點的時間偏移為t-T(t)。對于不同的節(jié)點A和節(jié)點B，在t時刻的時間偏移為：TA(t)-TB(t)。
    (2)同步誤差：同步誤差是時鐘偏移的絕對值。時鐘偏移的絕對值為絕對同步誤差，相對時鐘偏移的絕對值為相對同步誤差。
    因此，為了獲得節(jié)點間的同步誤差，必須在相同的時刻同時獲得各個節(jié)點的本地時間，而如何達到同時性恰恰是當前進行同步誤差精度測量的難點之一。
2.2 典型的同步誤差測量方法
    目前比較典型的同步誤差測試都是通過在固定時刻同時向無線節(jié)點發(fā)送觸發(fā)信號的方式進行同步誤差查詢。由于節(jié)點間時間很難在完全相同的時刻獲得并進行對比，因此測試不同節(jié)點間同步誤差需要第三方協(xié)助，并在固定時刻獲得同步時間的值進行對比[6]。圖1是常用的時間同步誤差測試原理圖。在物理時間t時刻，由第三方發(fā)起時間觸發(fā)信號(Trigger)，并且在相同的時刻到達節(jié)點1和節(jié)點2。節(jié)點1和節(jié)點2分別記錄二者的時間T1(t)和T2(t)，通過獲取T1(t)和T2(t)進行誤差運算完成t時刻的誤差值測定。

    采用第三方觸發(fā)的方式進行節(jié)點同步誤差測試主要有兩種方式，如圖2和圖3所示。通過串口或者無限的方式發(fā)送觸發(fā)信號，信號在有線或者無線的傳輸延遲極小而且信號同時并行傳輸，在誤差允許范圍內(nèi)可以認為觸發(fā)信號到達兩節(jié)點無時差。節(jié)點1和節(jié)點2記錄觸發(fā)信號到達時間并通過無線或有線方式最終將時間數(shù)據(jù)傳送到上位機，上位機通過對時間數(shù)據(jù)處理可以獲得兩個節(jié)點在t時刻的同步誤差。使用無線觸發(fā)的優(yōu)點是測試節(jié)點的規(guī)模不受上位機串口個數(shù)的影響，可以進行大規(guī)模同步精度測試，缺點是同步查詢過程需要消耗額外的無線鏈路資源，在鏈路資源相對緊張的網(wǎng)絡(luò)中無法實時獲得節(jié)點間的同步誤差數(shù)據(jù)。

2.3 基于誤差映射的時間同步誤差測試方法
    通過對上一節(jié)測試方法的分析可知，當前同步精度測試方法都是在固定時刻讀取不同節(jié)點的時間，從而獲得節(jié)點間的同步誤差，如圖4中的AB/CD部分。對于基準時間，有T=t，故圖中ACD為等腰直角三角形，可以得到AC=CD。如果能夠得到點A和點C之間的時間差值Δt，就可以獲得測試節(jié)點在t+Δt時刻的同步誤差ΔT′=Δt。這樣可以將同步誤差的測試轉(zhuǎn)換為對Δt的測量：在相同的邏輯時間T時刻對應(yīng)不同的物理時間的差值。與傳統(tǒng)方法不同，這里將t+Δt時刻的同步誤差映射到兩個節(jié)點邏輯時間分別到達T2時，二者在物理時間的差異，如圖4中的AC，也就是通過測試物理時間t和t+Δt時刻的差異反映測試節(jié)點在t+Δt時刻與基準時間的同步誤差。

    同步誤差的測試頻率取決于節(jié)點內(nèi)I/O變化的頻率，節(jié)點間可以進行較高頻率I/O端口操作從而獲得實時性較高的同步誤差采集。相對于無線觸發(fā)查詢方法，本文的方法不占用無線通信資源，對無線網(wǎng)絡(luò)的正常運行不產(chǎn)生影響，可以更準確、實時地反映時間同步的運行效果。
3 實驗平臺
    根據(jù)以上所述方法建立實驗平臺，測試了8路同步誤差數(shù)據(jù)采集，周期為20 ms，測得如圖6所示同步誤差曲線圖。如果需要長時間的歷史數(shù)據(jù)分析，則可以通過歷史記錄做進一步分析。通過同步誤差測試平臺可以對同步算法效果進行實時跟蹤分析，有利于提高算法設(shè)計效率。

    對目前應(yīng)用廣泛的FTSP算法進行測試，分別使用本文所述平臺和傳統(tǒng)的無線查詢方式測試，獲得圖7所示對比圖。查詢方式一般使用30 s查詢間隔（如參考文獻[5]中對5×12規(guī)模節(jié)點），而且占用無線通信資源，隨著規(guī)模的增大需要延長查詢時間，很難直觀反映同步誤差的實時變化，如圖7中菱形點相對較稀疏。而采用本文所述方法的測試平臺不占用無線通信資源，可以實現(xiàn)快速誤差采集。經(jīng)過測試可以在50 ms采集周期下工作而不影響網(wǎng)絡(luò)正常運行，為同步設(shè)計過程中實時監(jiān)測誤差變化提供有力工具。
    本文提出的基于誤差映射的測量方法將傳統(tǒng)的固定時刻的誤差映射到物理時刻的差值，并通過FPGA的高速采集功能獲得實時的同步誤差。在對典型時間同步協(xié)議的測試過程中顯示了其高精度和實時性的優(yōu)勢，具備了完全的工程實用性。
參考文獻
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