廖丁毅 曾維卓

【摘要】由于價格、體積和能耗的約束，傳統(tǒng)的NTP和GPS時間同步機制在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用有很多限制，而時間同步是傳感器節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集、目標定位和跟蹤的保證，本文研究了一種可用于運動節(jié)點的RTT時間同步機制，仿真分析表明網(wǎng)絡(luò)時間同步精度優(yōu)于50ns。

【關(guān)鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡(luò);時間同步;

NTP、PTP（IEEE 1588v2）等時間同步方式能達到精確的時間同步，但這些同步協(xié)議都是建立在以太網(wǎng)上的，如何推進在無線網(wǎng)絡(luò)上進行時間同步的應(yīng)用是后續(xù)需要努力的方向;GPS授時能夠在無線環(huán)境下應(yīng)用，但其成本高、能耗高以及低適應(yīng)力等不足限制了其在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，且不需要底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的支持，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點彼此合作完成通信過程。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有：能量有限、性能有限、通信帶寬有限和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)動態(tài)變化等特點，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機制在設(shè)計上需要考慮信道占用率和算法復(fù)雜度，設(shè)計適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機制有重要的現(xiàn)實意義。

1. 無線網(wǎng)絡(luò)時間同步方案

時間同步方案是通過硬件和軟件將網(wǎng)絡(luò)從節(jié)點的時鐘與主節(jié)點時鐘設(shè)備的時鐘實現(xiàn)同步，使得分布式網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各層子節(jié)點與頂層主節(jié)點同步。

時間戳設(shè)計：時間戳是指數(shù)據(jù)發(fā)送或到達本機時刻的一個標志，時間同步是通過主、從節(jié)點交換時間戳信息達到同步的目的，時間戳偵測可以在應(yīng)用層、協(xié)議層或物理層實現(xiàn)， 應(yīng)用層、協(xié)議層屬于軟件層面，偵測精度受到處理器運行速度、任務(wù)調(diào)度等環(huán)境影響，精度不高。要實現(xiàn)高精度的時間同步，需要高精度的時間戳，時間戳的偵測點越靠近物理層，其所測量的時間戳越精確，本方案采用硬件時間戳來保證時間測量精度。（見圖1）

點對點時間同步流程：（見圖2）

步驟1：主節(jié)點在T1時刻發(fā)送一個包給從節(jié)點，并在記錄發(fā)送時間戳（T1），時間戳同時被放入到發(fā)送的數(shù)據(jù)幀中。

步驟2：從節(jié)點接收到主節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，并記錄接收時間戳（T2），并從數(shù)據(jù)幀中解出T1，并記錄。

步驟3：從節(jié)點在T3時刻發(fā)送一個回復(fù)數(shù)據(jù)幀給主節(jié)點，并記錄發(fā)送時間戳（T3），時間戳同時被放入到發(fā)送的數(shù)據(jù)幀中。

步驟4：主節(jié)點接收到數(shù)據(jù)幀，并記錄接收時間戳（T4）。

步驟5：主節(jié)點根據(jù)時間戳T1，T2，T3，T4來計算時間偏差（Offset）與傳輸延時R（假設(shè)往返傳輸延時相同）：

（2-1）

聯(lián)立（2-1）兩式，可得：

（2-2）

步驟6：主節(jié)點在T5時刻發(fā)送計算結(jié)果數(shù)據(jù)幀（包含計算結(jié)果時間偏差）。

步驟7：從節(jié)點在T6時刻接收到結(jié)果數(shù)據(jù)幀，解出時間偏差值，并根據(jù)該值進行時鐘調(diào)整，完成同步。

相對運行速度估計及補償：

為了適應(yīng)運動環(huán)境及進行高精度相對定位，需開展積分多普勒的觀測，本方案在發(fā)送數(shù)據(jù)時，同時發(fā)射兩個載波頻率f1、f2。

對于載頻f1、f2由積分多普勒值得到的多普勒頻偏分別為、，則有：

（2-3）

（2-4）

公式中為接收機與發(fā)射機晶振之間的頻差;，為載波f1、f2的多普勒頻移;為接收機和發(fā)射機的相對運動速度。從而求出接收機和發(fā)射機晶振的之間的頻差并且進行補償，得到真實的多普勒頻移：

（2-5）

（2-6）

（2-7）

多節(jié)點時間同步流程：

多跳式網(wǎng)絡(luò)時間同步拓撲圖如圖3所示，網(wǎng)絡(luò)中心位置紅色的節(jié)點是Sink節(jié)點，是具有高精度的時鐘源或已與外部高精度時鐘同步的節(jié)點，藍色的節(jié)點為待同步節(jié)點。

時間同步首先要建立時鐘樹。首先以Sink節(jié)點為頂層節(jié)點，層次樹編號0，Sink節(jié)點廣播一個建立時間同步樹指令的初始化的數(shù)據(jù)幀，包含本節(jié)點的編號，層次樹編號和發(fā)送時間。附近的節(jié)點接收數(shù)據(jù)幀以后，將收到的數(shù)據(jù)幀中層次最低的節(jié)點作為其父節(jié)點，之后等待一個預(yù)先定義的時間T，再向附近節(jié)點廣播建立本節(jié)點的時間樹指令的數(shù)據(jù)幀，同樣也包含本節(jié)點的節(jié)點編號、層次樹信息。重復(fù)上述過程，直到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點的父節(jié)點和層次樹都得到確定。

網(wǎng)絡(luò)同步采用TDD模式。假設(shè)Sink節(jié)點下級有2個子節(jié)點，在第一個時隙Sink點攜帶自己的時間戳信息發(fā)送廣播幀給2個子節(jié)點。在第二個時隙子節(jié)點1回復(fù)一個數(shù)據(jù)幀。在第三個時隙子節(jié)點2也回復(fù)一個數(shù)據(jù)幀。然后在第四個時隙Sink節(jié)點計算出2個子節(jié)點與自己偏差，并偏差放入數(shù)據(jù)幀中廣播給2個子節(jié)點。兩個子節(jié)點收到數(shù)據(jù)幀得到自己的偏差并做時鐘調(diào)整，完成與父節(jié)的同步。之后兩個子節(jié)點再向下一層的節(jié)點進行同步。

2. 誤差分析

本文采用OPNET軟件的仿真平臺進行分析。跳數(shù)對同步精度的影響如圖4所示：

從仿真結(jié)果可以得出，當網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)為8跳時，網(wǎng)絡(luò)同步后時間偏移的誤差大約40ns。

3. 結(jié)束語

本文分析了一種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步機制，仿真表明當網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)為8跳時，網(wǎng)絡(luò)同步誤差優(yōu)于50ns，在工程上有一定的參考價值。

參考文獻：

[1] CHEN D，NIXON M，MOK A.WirelessHART： Real-Time ?Mesh ?Network ?for ?Industrial Automation[M]. Springer Publishing Company， Incorporated， 2010.

[2] GIUSTINA D D，F(xiàn)ERRARI P，F(xiàn)LAMMINI A， et al.Experimental Characterization of Time Synchronization over A Heterogeneous Network for Smart Grids [C].2013 IEEE International [3] ELSON J，R?MER K.Wireless Sensor Networks： A New Regime for Time Synchronization [J].ACM ?SIGCOMM ?Computer ?Communication ?Review， 2003， 33（1）： 149-154.

[4] 汪付強.面向工業(yè)應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步算法研究[D].遼寧：中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，2011.

作者簡介：廖丁毅（1983-），男，廣州海格通信集團股份有限公司工程師，研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航與時頻技術(shù)。曾維卓（1992-），男，廣州精天信息科技股份有限公司助理工程師，研究方向：為北斗導(dǎo)航與通信技術(shù)。