无线传感器网络中异构的RBS

摘要：本文主要针对参考广播同步协议（RBS）协议只适合结点相同时才适用的不足。在参考广播同步协议的基础上考虑了无线传感器网络有异构结点情形的时间同步问题；讨论了无线传感器网络有异构结点情形的不同结点间时间的偏差；改进后的方法使得协议能适合结点异构的无线传感器的网络，并在同步的精确性有所提高的同时能量消耗却没有大幅度的上升。

关键词：RBS 时间同步 时钟偏移 处理时间

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）10-0028-01

1 引言

时间同步对分布式系统而言是非常重要，只有实现了时钟同步才可相互之间进行通信、协作。时间同步在事件的处理、数据融合、能量管理、传输速度等方面有重要应用。过去的三十几年，人们在时间同步方面做了大量的研究工作，计算机网络上用的NTP协议是目前Internet网上用的时间同步的协议标准。无线传感器网络作为目前热门的研究课题，在时间同步方面也做了大量的研究工作。研究出了参考广播同步协议、基于树的的轻量级同步、定时同步协议、高延迟时间同步协议、时间扩散协议、异步扩散协议及利用概率方法等来处理时间同步的方法。但这些协议大多数是基于结点的结构是一样的条件下做出的结论。伴随着无线传感器网络应用更深入的发展，不止需要结点结构单一的无线传感器结点，更需要不同种类、不同应用的结点相互通信、相互协作共同完成感知、汇报任务。参考广播同步协议（RBS），是基于接收端-接收端的时间同步协议，它的接收者利用接收到的时间戳避免了最大的不确定性（发送时间与访问时间的不确定性），使的时间精确性已经非常的高。但参考广播同步协议（RBS）使用的结点结构都是一样的，不适合异构的结点（不同种类或使用不同协议）构成的网络。在考虑两個结点的平均时钟偏移值时没有考虑异构结点接收信息之后处理时间的差异，还不能适用于结点异构的网络。而有异构网络的结点是随着无线传感器网络大规模应用后的必然结果，因此有异构结点的网络时间同步是非常值得研究的，也是目前研究的热点。本文主要是在参考广播同步协议（RBS）协议的基础上进一步考虑无线传感器网络有异构结点的情形，对参考广播同步协议（RBS）协议做了改进，使得改进后的协议能适合有异构结点的网络。

2 异构的RBS协议

参考广播同步协议（RBS）基本思想是有一个发送时间同步的结点，其余结点利用收到的时间基本上是相同的这个事实，然后在接收者之间进行时间的同步。时间同步常分为本地时钟同步和逻辑时钟同步。参考广播同步协议属于逻辑时钟同步，它避免了发送时间与访问时间的不确定性，之后又利用相互的时钟偏移值进行同步，由于避免了最大的不确定性，总的来说RBS同步使得这种时间是非常精确的，只是在计算时钟偏移值时没考虑网络有异构结点的情形 。下面我们就对网络有异构结点的情形做进一步的讨论。

接收结点数据处理延时包括接收时间和接受时间。接收时间是指接收结点接收同步信息的的时间，基本是确定的。接受时间指接收结点接收到同步信息后处理的时间，具有不确定性，随着结点种类的不同有很大差异。在没异构结点的网络，数据处理延时基本是一样的，对结点的逻辑时钟同步基本没有影响。但对有异构结点的网络，接受时间是最大的不确定因素，对结点的时钟同步影响较大。下面我们主要对异构结点的数据处理延时做详细的分析。

在异构情形假设我们的模型满足如下条件：

（1）假设n+1个结点构成的单跳网络，一个结点发送同步信息，其余n个结点按结点的本地时间接收同步信息。

（2）异构的结点可相互通信。

（3）异构结点的接受时间不同，但相同类型结点的接受时间相同。

（4）在不考虑传播时间的误差、不考虑本地结点时钟飘移的情况下，假设接受者接收同步信息的时间是一样的。

接受者通过交换本地时间信息来实现时间同步。在不考虑时钟飘移的情况下， n是接收结点的数目，s表示发送结点发送的同步信息数目。Tu，v为是接收结点u接收到发送结点发送的第v个广播同步信息的时间。是接收受结点j的接受时间。S为发送同步信息的结点发送的同步信息的个数。则结点i和结点j的平均时钟偏移为

=

如果结点的时钟有漂移，可用最小平方线性回归方法来求取。则在进行同步的时候，除了要计算结点间的时钟偏移，还需要再加上每个在那一时刻利用最小平方线性回归方法计算出的自身时钟漂移值。

以上我们讨论了单跳网络的情形。对多跳含有异构结点的网络，我们的方法仍是适用的，做法和传统的网络相同，只不过在使用的时候需要考虑每个结点的接受时间。

每一类型结点的处理时间基本上是是一样的，可看做一个常数。对不同类型的结点j的处理时间，可通过实验测得。

3 结语

本文在参考广播同步协议的基础上给出了基于异构的时间同步协议，协议并没有降低时间同步的精确性，但新协议可使的参考广播同步协议应用到异构无线传感器网络，为无线传感器网络结点间相互协作提供了新的可能性。不过我们只从理论上作了讨论，目前异构结点间相互通信还难于实现，有待无线传感器网络的实现者更进一步相互协作。

参考文献

[1] Elson J， Girod L，Estrin D. Fine-Grained Network Time Synchronization using Reference Broadcasts[C]， 5th Symposium on Operating Systems Design and Implementation，December 2002：147-163.

[2]李晓维.无线传感器网络技术[M].北京：北京理工大学出版社，2007.

[3]刘伟荣，等.物联网与无线传感器网络技术[M].北京：电子工业出版社，2013.

收稿日期：2016-09-02

作者简介：张涌逸（1968—），男，山西河曲人，硕士，副教授，主要研究方向为网络容错、网络路由和无线传感器网络等。