基于分簇的低功耗多跳WSN时间同步机制

—111—基于分簇的低功耗多跳WSN 时间同步机制关新平，张晓静，刘志新(燕山大学电气工程学院河北省工业计算机控制工程重点实验室，秦皇岛 066004)摘 要：针对典型同步算法中同步开销大的问题，提出一种基于分簇的低功耗时间同步机制(LCTS)，将单向广播同步和双向成对同步机制相结合，在分级网络的基础上给出一种分簇算法，将LCTS 扩展到多跳网络中，并对时钟漂移进行估计和补偿。

仿真结果证明，该机制在不引起同步滞后的前提下，能减少同步报文开销，保证良好的同步精度。

关键词：无线传感器网络；时间同步；分簇Low-power Clustering-based Time Synchronization Mechanismfor Multi-hop WSNGUAN Xin-ping, ZHANG Xiao-jing, LIU Zhi-xin(Key Lab of Industrial Computer Control Engineering of Hebei Province, Institute of Electrical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004)【Abstract 】Aiming at the problem of the high synchronization packets costs in typical algorithms, this paper proposes a Low-power Clustering-based Time Synchronization(LCTS) mechanism. It combines unidirectional broadcast synchronization mechanism and bidirectional pair-wise synchronization mechanism, a new clustering algorithm is proposed at the basis of hierarchical network structure to extend LCTS to multi-hop network, and it estimates and compensates the clock drift. Simulation results show that LCTS can reduce the consumption of synchronization packets significantly without causing any synchronization lag as well as ensure the high synchronization accuracy. 【Key words 】Wireless Sensor Network(WSN); time synchronization; clustering计 算 机 工 程Computer Engineering 第36卷 第9期Vol.36 No.9 2010年5月May 2010·网络与通信· 文章编号：1000—3428(2010)09—0111—03文献标识码：A中图分类号：TP3931 概述无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)是一种全新的信息获取和处理技术，它能够实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息并对其进行处理。

时间同步技术是WSN 的一项关键支撑技术，如MAC 链路调度、协同休眠、定位、数据融合等，都需要网络中的节点时钟保持同步。

目前的同步算法主要可分为2类：单向广播同步和双向成对同步。

RBS [1]是单向广播机制的代表，排除了发送方的不确定性，能达到较高的同步精度，但是需要较大的报文开销。

TPSN [2]是典型的双向成对同步协议，通过在MAC 层进行时间标记的方法，缩短了关键路径的长度，从而减小传输延迟的不确定性，达到了较高的精度，但报文开销大。

HRTS [3]和BTS [4]是单向广播同步和双向成对同步相结合的机制。

HRTS 是瞬时同步算法，同步稳定性受限于同步周期，且算法的实现需要多信道支持。

BTS 采用报文捎带技术计算时钟偏差，本轮同步时间偏差的计算需用到下一轮同步捎带的时间戳信息，会引起同步的滞后。

文献[5]利用节点度的概念，提出降低同步报文开销的思想，但未进行实验验证。

针对上述同步机制的不足，本文在经典同步协议的基础上综合偏移补偿和漂移补偿，设计了一种基于分簇的低功耗时间同步(Low-power Clustering-based Time Synchronization, LCTS)机制。

2 LCTS 机制2.1 单跳同步单跳LCTS 示例如图1所示，其中，节点O 是参考节点；节点A , B , C 是节点O 的下一级节点，并且B , C 节点在A 节点的广播范围内。

O图1 单跳LCTS 示例同步算法分为以下3步：(1)节点A 在1A T 时刻发送同步请求报文，报文中包含1A T 和A 的节点号，节点O 在2O T 时刻收到该报文，有21,O A A O T T d =−∆+。

其中，,A O ∆是节点A 与参考节点O 的时间偏差；d 是报文传输延迟。

节点B 、节点C 分别在2B T 和2C T 时刻收到该报文。

(2)节点O 在3O T 时刻发送回复信息，报文中包含2O T 和3O T ，节点A 在4A T 时刻收到该报文，有43,A O A O T T d =+∆+。

基金项目：国家杰出青年基金资助项目(60525303)；河北省自然科学基金资助项目(F2005000390)作者简介：关新平(1963－)，男，教授、博士生导师，主研方向： 通信网络拥塞控制与性能优化，无线传感器网络；张晓静，硕士研究生；刘志新，副教授、博士收稿日期：2009-10-10 E-mail ：xpguan@—112— 节点B 、节点C 分别在4B T , 4C T 时刻接收到该报文。

(3)节点A 依照21,43,O A A O A O A O T T dT T d=−∆+⎧⎪⎨=+∆+⎪⎩ 可得节点A 和节点O 的时间偏差为4231,()()2A O O A A O T T T T −−−∆=节点B 、节点C 和节点O 的时间偏差分别为 ,22B O B O T T ∆=−,22C O C O T T ∆=−(4)节点A 、节点B 、节点C 将自己的本地时间修改为'4231,',22',22()()2A O O A A A A O A B B B O B B O C C C O C C O T T T T T T T T T T T T T T T T T −−−⎧=−∆=−⎪⎪⎪=−∆=−+⎨⎪=−∆=−+⎪⎪⎩(1) 2.2 误差分析本文通过分析误差来源来分析本算法的同步误差。

单跳LCTS 的时间轴如图2所示。

节点A B O C图2 单跳LCTS 的时间轴可以看出，节点A 和参考节点O 的同步方式是双向成对同步，节点B 、节点C 和参考节点O 的同步方式为单向广播同步。

因此，LCTS 的同步误差按同步方式可以分为2类。

节点A 在1A T 时刻发送同步报文，节点O 在2O T 时接收，节 点O 在3O T 时刻发送应答报文，节点A 在4A T 时刻接收。

节点A 能够根据时标1234{,,,}A O O A T T T T 计算出时钟漂移和传输延迟，并与节点B 同步。

则误差表达式为144,2222A A A A Ot t A O A O t RD S P R Error D →→→=∆−=+++ (2) 其中，A O S S S =−, O A R R R =−, A O O A P P P →→=−分别表示发送端、接收端、传输中的不确定性。

节点B 、节点C 的同步方式是相同的，以节点B 为例，节点B 和节点O 在2B T ,2O T 时刻接收到来自节点A 在1O T 时刻发送的同步信息。

节点O 在3O T 时刻发出包含有2O T 的报文，节点B 在4B T 时刻接收到这个消息。

则误差表达式为414,B A B B O B OB O t t t Error D P R RD →→→=∆−=++ (3)其中，P 代表2个节点间的传输时间的不确定性，即P =A B A O P P →→−。

3 多跳网络的LCTS 机制3.1 分簇算法本文提出一个分簇算法将LCTS 扩展到多跳网络。

分簇算法分以下4步：(1)将根节点定为0级，根节点广播包含节点级别和节点号的分级信息，所有接收到分级信息的节点把自己的级别定为该级别加1并把该节点号和级别加入邻居列表。

(2)1级节点广播分级信息，接收到该分级信息的节点如果没有节点级别则把自己的级别定为该级别加1，并把该节点号和级别加入邻居列表。

以此类推，直到所有的节点都有自己的级别，并且每个节点知道所有邻居的节点号和级别。

可以把它们分为3类：父节点，同级邻居节点和子节点。

(3)每个节点的子节点为一簇，选取同级节点度数最大的节点作为的该节点和所有其同级邻居节点簇头。

(4)生成一个分级分簇的树形拓扑网络，每个节点和它的子节点形成了一个连通的单跳区域，并将网络划分为很多单跳算法可以直接应用的单跳区域。

分簇的网络拓扑结构如图3所示。

图3 分簇的网络拓扑结构第1级节点{2, 3, 4, 5}是一个簇，节点4被选为该簇的簇头。

找到由每级簇头节点组成的骨干网为{1, 2, 4, 7, 11, 13}。

簇头节点和父节点进行双向成对同步，非簇头节点和父节点进行单向广播同步。

簇{2, 3, 4, 5}的父节点都为节点1，簇 头4和节点1进行双向同步，节点2、节点3、节点5利用簇头4的参考信息和节点1进行单向广播同步。

本文选用簇头节点和父节点进行双向同步，可以大大减小同步报文的消耗。

从多跳机制的原理可以看出，一次全网同步只需要2n 次报文传输，其中，n 为拓扑树中的非叶子节点(有子节点的节点)个数。

3.2 全局时钟漂移估计本文对局部时钟漂移和偏移进行估计。

假设节点A 是节点B 的下一跳子节点，节点A 、节点B 经过n 次同步后，节点A 获得n 组数据对,(,)ii A A B T ∆，i 为同步的轮数。

选取n 为10，根据一元线性回归模型以及观测样本,(,)i i A A B T ∆可得：,,,A B A B A A B k T b ∆=+，其中，,A B k , ,A B b 分别为节点A 相对于节点B 局部时钟漂移和偏移。