無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同步管理主要是指時(shí)間的同步管理。因?yàn)樵诜植际綗o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都有自己的本地時(shí)鐘。不同節(jié)點(diǎn)的晶體振蕩器頻率存在偏差，以及溫度和電磁波的干擾等都會造成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的運(yùn)行時(shí)間偏差。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是一個(gè)分布式協(xié)同工作的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，很多具體應(yīng)用都要求網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)存在相互的協(xié)同配合，因此時(shí)間同步是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步管理機(jī)制的重要內(nèi)容。

　　傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)中，時(shí)間同步機(jī)制已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。如網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（network tlme protocol，NTP）就是因特網(wǎng)中普遍采用的時(shí)間同步協(xié)議。另外，GPS和無線測距技術(shù)也可以用來提供網(wǎng)絡(luò)的全局時(shí)間同步。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中也不乏利用時(shí)間同步機(jī)制的例子，如在節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步的基礎(chǔ)上，遠(yuǎn)程觀察衛(wèi)星或?qū)�彈發(fā)射的軌道變化情況等。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)本身的特點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)體積和造價(jià)都不能太高，故設(shè)計(jì)時(shí)間同步機(jī)制必須考慮節(jié)點(diǎn)的體積和造價(jià)成本大小的影響。另外，還得考慮節(jié)點(diǎn)的能耗以及應(yīng)用相關(guān)性等特點(diǎn)和約束條件。

　　1. 時(shí)間同步機(jī)制設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)考慮的因素

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)閭同步機(jī)制設(shè)計(jì)會受到很多因素的影響。苜先，傳感器節(jié)點(diǎn)需要彼此并行操作和協(xié)作，去完成復(fù)雜的監(jiān)測和感知環(huán)境的任務(wù)。數(shù)據(jù)融合是這種并行操作的典型實(shí)例，不同的節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)集合構(gòu)成一個(gè)有意義的結(jié)果。例如，在車輛跟蹤系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)記錄車輛的位置和時(shí)間并傳送給網(wǎng)關(guān)匯聚節(jié)點(diǎn)，然后結(jié)合這些信息估計(jì)車輛的位置和速度。如果傳感器節(jié)點(diǎn)缺乏統(tǒng)一的時(shí)間同步，車輛的位置估計(jì)將是不準(zhǔn)確的。其次，許多節(jié)能方案是利用時(shí)間同步來實(shí)現(xiàn)的。例如，傳感器可以在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候休眠，在需要的時(shí)候再喚醒。當(dāng)應(yīng)用這種節(jié)能模式的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)應(yīng)該在相同的時(shí)間休眠和喚醒，也就是說當(dāng)數(shù)據(jù)到來時(shí)，節(jié)點(diǎn)的接收器并沒有關(guān)閉。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步機(jī)制設(shè)計(jì)的目的是為網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘提供共同的時(shí)間戳。

　　2．設(shè)計(jì)時(shí)間同步機(jī)制一般關(guān)注的主要性能參數(shù)

　�。�1）能量效率

　　達(dá)到同步所需要的時(shí)間以及消耗的能量。同步需要的時(shí)間越長，消耗的能量越多，同步的效率就越低。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)就是節(jié)點(diǎn)的能量受限問題，設(shè)計(jì)的時(shí)間同步算法需以考慮傳感器節(jié)點(diǎn)有效的能量資源作為前提。

　　（2）可擴(kuò)展性

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要部署大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，時(shí)間同步機(jī)制應(yīng)該支持有效擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)目或者密度。

　�。�3）精確度

　　精確度的需求依賴于特殊的應(yīng)用和時(shí)間同步的目的而有所不同，對于某些應(yīng)用，知道時(shí)間和消息的先后順序就夠了，然而某些則要求較高的同步精確。

　�。�4）健壯性

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可能在敵占區(qū)域長時(shí)間無人管理，一旦某些節(jié)點(diǎn)被破壞，在余下的網(wǎng)絡(luò)中，時(shí)間同步機(jī)制應(yīng)該繼續(xù)保持有效并且功能健全。

　　（5）同步期限（或壽命）

　　指節(jié)點(diǎn)需要一直保持時(shí)間同步的時(shí)間長度。時(shí)間同步算法提供的同步時(shí)間可以是瞬時(shí)的，也可以和網(wǎng)絡(luò)的壽命一樣長。

　�。�6）有效同步范圍

　　是指需要節(jié)點(diǎn)同步的區(qū)域范圍，可以是物理上的地理范圍，也可是邏輯范圍，如網(wǎng)絡(luò)路由的跳數(shù)。時(shí)間同步機(jī)制可以給網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有的節(jié)點(diǎn)提供時(shí)問，也可以給局部區(qū)域內(nèi)的部分節(jié)點(diǎn)提供時(shí)間。

　�。�7）成本和尺寸

　　同步可能需要特定的硬件，另外，體積的大小也影晌同步機(jī)制的實(shí)現(xiàn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)非常小而且廉價(jià)。

　�。�8）最大誤差

　　一組傳感器節(jié)點(diǎn)之間的最大時(shí)間差，或相對外部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的最大差。通常，最大誤差會隨著同步的網(wǎng)絡(luò)范圍擴(kuò)大而增加。

　　3. 常用的時(shí)間同步算法

　　常用的時(shí)間同步算法主要包括了RBS算法、TPSN算法、Mini-Sync及Tiny－Sync算法和LTS算法。

　�。�1）參考廣播同步（reference broadcast synchrONlzatlon，RBS）算法

　　RBS算法是Elson等人以“第三節(jié)點(diǎn)”實(shí)現(xiàn)同步的思想而提出的。基本思想就是節(jié)點(diǎn)廣播參考消息給它的鄰居節(jié)點(diǎn)，這個(gè)參考消息不包括時(shí)間戳，相反，它的到達(dá)時(shí)間被節(jié)點(diǎn)用來作為參考對比時(shí)鐘。節(jié)點(diǎn)廣播單個(gè)脈沖給兩個(gè)接收者，接收者在收到脈沖的基礎(chǔ)上再交換記錄脈沖的時(shí)間，進(jìn)而估計(jì)節(jié)點(diǎn)間的相對相位偏移。這樣，通過單個(gè)脈沖實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的同步，另外增加脈沖數(shù)還可提高精確度。由于RBS算法將發(fā)送者的不確定性從關(guān)鍵路徑里消除，不需要節(jié)點(diǎn)之間的雙向信息交換，從而獲得比傳統(tǒng)時(shí)鐘同步方法更好的精確度，如圖所示。RBS算法時(shí)間誤差的主要來源是傳輸時(shí)間和接收時(shí)間的不確定性。當(dāng)廣播范圍較小時(shí)，可以忽略傳輸誤差。

　　圖 RBS算法與傳統(tǒng)時(shí)鐘同步算法比較

　�。�2）同步（ttmmg sync protocol for sensor networks，TPSN）算法

　　TPSN算法是Ganeriwal等提出的適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的時(shí)間同步算法。該算法分為兩步：分級和同步。第一步的目的是建立分級的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)�，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有個(gè)級別。只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)則為零級，叫做根節(jié)點(diǎn)。第二步主要任務(wù)是節(jié)點(diǎn)間的信息交換，i級節(jié)點(diǎn)與i－1級節(jié)點(diǎn)同步，最后所有的節(jié)點(diǎn)都與根節(jié)點(diǎn)同步，從而達(dá)到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步。

　　（3）Mini－Sync算法和Tiny－Sync算法

　　Mini－Sync算法和Tiny－Sync算法是由Sichitiu和Veerarittiphan提出的兩種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步算法。這兩種算法假設(shè)每個(gè)時(shí)鐘能夠與固定頻率的振蕩器近似，都采用傳統(tǒng)的雙向消息交換來估計(jì)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘間的相對漂移和相對偏移。

　�。�4）基于樹的同步（lightweight tree based synchronization，LTS）算法

　　LTS算法是Greunen和Rabaey提出的。與其他算法的最大區(qū)別是該算法的淚的并不是提高精確度，而是減小時(shí)間同步的復(fù)雜度。該算法在具體應(yīng)用所需要的時(shí)間同步精確度范圍內(nèi)，以最小的復(fù)雜度來滿足需要的精確度。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最大時(shí)間精確度相對較低（通常在幾分之一秒內(nèi)），所以可利用這種相對簡單的時(shí)間同步算法。此外，它們還提出了兩種基于多跳的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)LTS算法。第一種多跳LTS算法是集中算法。在集中同步算法中，參考節(jié)點(diǎn)就是樹的根節(jié)點(diǎn)，如果需要可以進(jìn)行“再同步”。其基本過程就是首先要構(gòu)造樹狀圖，然后沿著樹的n－1子葉邊緣進(jìn)行成對同步。希望通過構(gòu)造樹狀圖使同步精度最大化，最小深度的樹是最優(yōu)的。如果考慮時(shí)鐘漂移，同步的精確度將受到同步時(shí)間的影響◇為了最小化同步時(shí)間，同步應(yīng)該沿著樹的枝干并行進(jìn)行，這樣所有的子葉節(jié)點(diǎn)基本同時(shí)完成同步。通過假設(shè)時(shí)鐘漂移被限定和給出需要的精確度，參考節(jié)點(diǎn)計(jì)算單個(gè)同步有效的時(shí)閭周期。因此，樹的深度影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的同步時(shí)間和子葉節(jié)點(diǎn)的精度誤差。為了利用這個(gè)信息決定再同步所需時(shí)間，需要把樹的深度參數(shù)傳給根節(jié)點(diǎn)。

　　第二種多跳LTS算法通過分布式方法實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)內(nèi)的同步。每個(gè)節(jié)點(diǎn)決定自己同步的時(shí)間，算法中沒有利用樹結(jié)構(gòu)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)i決定需要同步，它發(fā)送一個(gè)同步請求給最近的參考節(jié)點(diǎn)。然后，所有沿著從參考節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)i的路徑的節(jié)點(diǎn)必須在節(jié)點(diǎn)i同步以前已經(jīng)同步。這個(gè)算法的優(yōu)點(diǎn)就是一些節(jié)點(diǎn)可以減少傳輸負(fù)載，因此可以不需要頻繁的同步。另一方面，讓每個(gè)節(jié)點(diǎn)決定再同步可以推進(jìn)成對同步的數(shù)量，因?yàn)閷τ诿總�(gè)同步請求，沿著參考節(jié)點(diǎn)到再同步發(fā)起者的路徑的所有節(jié)點(diǎn)都需要同步。隨著同步需求數(shù)量的增加，沿著這個(gè)路徑的整個(gè)同步將導(dǎo)致很大的節(jié)點(diǎn)和帶寬資源浪費(fèi)。因此，通過適當(dāng)?shù)娜诤纤惴ㄊ鞘�分必要的。�?dāng)任何節(jié)點(diǎn)需要同步時(shí)，需要詢問相鄰節(jié)點(diǎn)是否存在未處理的請求。如果存在，這個(gè)節(jié)點(diǎn)的同步請求將和未處理的請求融合，減少無效請求的傳輸。

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同步管理是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，內(nèi)容還包括很多個(gè)方面，這里只簡要介紹了常見的幾種同步管理方法，對于特定的應(yīng)用，對時(shí)間同步的要求各不相同，需要具體問題具體解決。

　　轉(zhuǎn)載請注明來源：賽斯維傳感器網(wǎng)（m.fineinshow.com）