摘  要： 針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN重要技術(shù)之一的時(shí)間同步技術(shù)研究了幾種時(shí)間同步技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過程。典型同步技術(shù)應(yīng)用于大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)魯棒性和可擴(kuò)展性受到限制，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究新的同步技術(shù)——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(jī)制簡單，平等對待各個(gè)節(jié)點(diǎn)，可擴(kuò)展性和魯棒性優(yōu)越。通過對國內(nèi)外學(xué)者的研究成果進(jìn)行探討總結(jié)，指出了未來時(shí)間同步技術(shù)的研究重點(diǎn)和方向。

　　關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；時(shí)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(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，在實(shí)際應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大[1]，節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，需要降低節(jié)點(diǎn)成本和能量消耗[2]。針對Internet設(shè)計(jì)的時(shí)間同步協(xié)議NTP（Network Time Protocol）適用于靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)，需要有一定的基礎(chǔ)設(shè)施支持，計(jì)算復(fù)雜度高。而全球定位系統(tǒng)GPS（Global Position System）功耗大，價(jià)格高，無法為每個(gè)節(jié)點(diǎn)都配備。WSN中時(shí)間同步技術(shù)面臨著新的困難和挑戰(zhàn)。自2002年8月ELSON J和ROMER M在HotNets學(xué)術(shù)會(huì)議上首次提出和闡述WSN時(shí)間同步的研究課題以來，致力于時(shí)間同步研究的學(xué)者越來越多，新的時(shí)間同步協(xié)議不斷被提出，WSN時(shí)間同步技術(shù)的研究取得了相當(dāng)大的進(jìn)展。

1 典型時(shí)間同步技術(shù)

　　2002年12月ELSON J提出的RBS機(jī)制去除了時(shí)間同步誤差中發(fā)送節(jié)點(diǎn)引入的部分，縮短了關(guān)鍵路徑的長度[3]。2003年7月，伯克利英特爾實(shí)驗(yàn)室的Su Ping提出單向同步算法DMTS，接收節(jié)點(diǎn)通過精確地測量從發(fā)送節(jié)點(diǎn)到接收節(jié)點(diǎn)的單向時(shí)間延遲，并結(jié)合發(fā)送節(jié)點(diǎn)中的時(shí)間戳修改自己的本地時(shí)間[4]。2003年11月，加州大學(xué)網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室GANERIWAL S等提出了TPSN同步機(jī)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(jì)算消息的平均延遲，提高了精度[5]。2004年Vanderbilt大學(xué)MIKLOS M和BRANISLAV K等提出了FTSP算法，發(fā)送節(jié)點(diǎn)在完成SYNC字節(jié)發(fā)送后在MAC層給以后發(fā)送的每個(gè)字節(jié)標(biāo)記時(shí)間戳，這樣在發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)都獲得了多個(gè)時(shí)間戳[6]。典型同步機(jī)制大多是基于時(shí)間戳信息交換，主要是減少同步消息關(guān)鍵路徑的長度，提高M(jìn)AC層時(shí)間戳信息準(zhǔn)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(diǎn)失效將會(huì)對網(wǎng)絡(luò)同步性能影響較大。RBS算法同步功耗低，但是只能實(shí)現(xiàn)局部節(jié)點(diǎn)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(gòu)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(diǎn)上測試同步誤差達(dá)到幾十甚至十幾微秒的量級(jí)。但是這些同步協(xié)議要求節(jié)點(diǎn)具有全局或局部唯一ID，在進(jìn)行全網(wǎng)同步時(shí)，往往需要建立一個(gè)樹形或?qū)哟涡徒Y(jié)構(gòu)，應(yīng)用于WSN多跳網(wǎng)絡(luò)中，健壯性和可擴(kuò)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(yīng)用研究相應(yīng)的優(yōu)化同步算法，研究如何在同步開銷和同步精度上達(dá)到折衷，如何提高同步算法的健壯性、穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。

2 新的同步技術(shù)

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

　　2.1 協(xié)作同步

　　參考文獻(xiàn)[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(diǎn)1實(shí)現(xiàn)與節(jié)點(diǎn)n的同步，節(jié)點(diǎn)1已經(jīng)發(fā)送m個(gè)同步脈沖，節(jié)點(diǎn)2收到之后在m+1個(gè)脈沖發(fā)送時(shí)刻和節(jié)點(diǎn)1一同發(fā)送，能量的疊加使脈沖傳得更遠(yuǎn)，直至節(jié)點(diǎn)n收到同步脈沖。而典型同步算法是通過中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)多跳同步。協(xié)作同步的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)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(diǎn)密度高，節(jié)點(diǎn)時(shí)間模型為恒定模型。參考文獻(xiàn)[8]提出空間平均和時(shí)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(shí)間同步提供了一個(gè)有益方向。

　　2.2 螢火蟲同步

　　對螢火蟲同步的關(guān)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(xué)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(gè)心肌細(xì)胞看成一個(gè)RC振蕩電路，模擬心臟有節(jié)奏的跳動(dòng)。1989年Strogatz與Mirollo將問題抽象建立數(shù)學(xué)模型（即M&S模型）。系統(tǒng)狀態(tài)變量用x表示，系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型為，其中，f是一個(gè)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(dāng)x=1時(shí)，電容電壓到達(dá)閾值，振蕩器開始放電，對其他振蕩器電壓提升一個(gè)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(shí)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(xiàn)[9]中證明了兩個(gè)振蕩器之間相位差在不斷縮小，最終達(dá)到同步狀態(tài)。

　　之前所做的研究都是在假設(shè)系統(tǒng)沒有耦合延遲而且每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有相似性（節(jié)點(diǎn)振蕩頻率相同）情況下得出的結(jié)論。Ernst等人研究得出兩個(gè)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(fù)耦合可能取得同步。參考文獻(xiàn)[10]仿真了螢火蟲算法的收斂速度、耦合強(qiáng)度、初始相位等因素之間的關(guān)系。參考文獻(xiàn)[11]在TinyOS平臺(tái)上首次實(shí)現(xiàn)了螢火蟲同步算法，考慮實(shí)際耦合中的耦合延遲，提出了RFA（Reachback Firefly Algorithm），節(jié)點(diǎn)對上一輪報(bào)文的影響推后到當(dāng)前做出反應(yīng)，再把同步脈沖的發(fā)送時(shí)間在允許范圍之內(nèi)隨機(jī)推后一段時(shí)間，避免無線信道競爭最差的情況。實(shí)驗(yàn)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(shí)用性。

　　參考文獻(xiàn)[12]考慮到實(shí)際多跳網(wǎng)絡(luò)中的各項(xiàng)延遲，提出延遲補(bǔ)償?shù)母拍?，將?jié)點(diǎn)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(diǎn)fire后，延遲傳輸同步字節(jié)，增加等待時(shí)間Twait。此方法提高了同步的準(zhǔn)確性，缺點(diǎn)是最后節(jié)點(diǎn)形成兩個(gè)分組，這兩個(gè)分組互相作用、互相幫助達(dá)到同步。參考文獻(xiàn)[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(dǎo)得出了頻率不同的兩個(gè)振蕩器和多個(gè)振蕩器的瞬時(shí)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(diǎn)的密度要求很高，未來的研究集中在怎樣實(shí)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(shí)現(xiàn)，不受MAC延遲、協(xié)議處理等方面的影響，機(jī)制簡單，不需要存儲(chǔ)時(shí)間信息，節(jié)點(diǎn)的地位平等，對于大規(guī)模WSN，可擴(kuò)展性和適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)湫阅茌^好。

　　本文詳細(xì)地介紹了WSN中時(shí)間同步技術(shù)從首次提出到目前的研究進(jìn)展情況，研究了RBS、DMTS、TPSN、FTSP等典型同步機(jī)制，重點(diǎn)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(shí)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(diǎn)能耗也是未來研究的重點(diǎn)。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(shí)驗(yàn)室相對較好的環(huán)境中進(jìn)行，因此在實(shí)際惡劣環(huán)境中算法的適應(yīng)性也是重點(diǎn)需要考慮的。

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