无线传感器网络多跳时间同步算法

文章编号: 1673 9965(2010)06 560 05无线传感器网络多跳时间同步算法*侯宏录1,杨朋伟2,谢矿生2,胡民效2(1.西安工业大学光电工程学院,西安710032;2.武警西安指挥学院教研部,西安710038)摘 要: 针对多跳网络中同步误差累积和同步开销大的问题,提出了一种最优拓扑结构的时间同步算法.通过构造最优拓扑结构和在网络节点之间传递时间同步报文来减小累积误差和时间同步开销.借鉴无线传感器网络时间同步延迟测量算法的打时间戳技术进行时间偏差估计来提高时间同步的精度.应用结果表明:在具有33个节点的传感器网络中,相比无线传感器网络时间同步协议算法,该算法的时间同步开销减小了2/3,引起累积误差的关键路径长度减小了1/2.关键词: 最优拓扑结构;时间同步;关键路径;无线传感器网络中图号: T P301.6 文献标志码: A传统的传感器网络时间同步算法有参考广播同步(Reference Bro adcast Sy nchr onization,RBS)算法[1]、无线传感器网络时间同步协议(T iming Sync Protocol for Sensor N etw orks,T PSN)算法[2]、FT SP[3](Flooding Tim e Synchronization Pro to col)算法、基于累计时延统计的传感器网络数据同步算法[4]以及基于连通支配集的时间同步算法[5].这些算法都采用提高单跳同步精度、采用最短路径同步以减少跳数,降低多跳误差累积,却没有充分利用周围节点的时钟信息以降低误差随跳数累积的速度.另外这些算法为了提高时间同步的精确度,节点之间信息交换的次数比较多,因此同步开销和节点功耗较大.基于连通支配集的时间同步算法通过在支配节点之间传递时间同步报文,非支配节点只接收时间同步报文,从而实现时间同步,由于只有支配节点发送时间同步报文,该算法大大减少了时间同步开销,但是,该算法仍然存在着较大的累积误差,在网络规模较大时这种情况更加明显.为更好的减小累积误差,受到基于连通支配集的时间同步算法的启发,考虑到通过构造最优拓扑结构的方法来减小时间同步过程中关键路径的长度,从而实现减小累积误差和减少时间同步开销.受到无线传感器网络时间同步延迟测量(Delay M easurement Time Synchronizatio n for Wireless Sensor Netw orks,DM TS)算法打时间戳技术的启发,以及研究时间同步报文在传感器网络中的传播规律,通过在MAC层进行标记时间戳及应用累计时延统计方法来进行时延估计,从而及时调整和更正错误的时间包信息,以减小累积误差,进而实现时间的精确同步.文中通过构造最优拓扑结构及时 估计的方法实现了全网节点的时间同步.设计了一种低同步开销及低累计误差的时间同步算法.1 传感器网络多跳时间同步算法算法的基本思想是通过构造拓扑结构和借鉴DM TS算法的打时间戳技术,在拓扑结构中传递时间同步报文以实现整个网络中节点的时间同步.1.1 相关概念定义定义1 (相邻节点)给定图中的两个节点,若第30卷第6期 西 安 工 业 大 学 学 报 V ol.30N o.6 2010年12月 Jo ur nal of X i an T echno lo gical U niver sity Dec.2010*收稿日期:2009 05 05基金资助:国防基础预研项目(B2220061084)作者简介:侯宏录(1960 ),男,西安工业大学教授,主要研究方向为光电检测技术、智能控制、复杂系统建模仿真及效能评估.E mail:hlhou@.存在一条边连接这两个节点,称它们为相邻节点.定义2 (节点的度数)一个节点在整个图中的邻居节点的个数定义为该节点的度数.定义3 (相邻节点集)给定图中的一个节点,它的所有邻居节点的集合定义为它的相邻节点集.定义4 (区域)给定图中的任意一个节点,它的相邻节点集和它本身的并集定义为区域.定义5 (一跳联系)对于任意两个节点来说,如果其中一个是另一个的邻居节点成立,则称它们构成一跳联系.定义6 (二跳联系)对于任意两个节点来说,如果它们不构成一跳联系,并且它们的邻居节点存在交集,则称这两个节点构成二跳联系.1.2 区域簇首节点集给定一网络拓扑结构,在进行算法之前,每个节点必需获得:相邻节点的有关信息;!相邻节点的个数信息;∀相邻节点的度数信息.这些信息可以通过各节点周期性地与自身的邻居节点交换信息获得.求区域簇首节点集的具体算法过程为开始,初始化拓扑结构.!求所有节点的度.∀求度最大的节点,定义为区域簇首节点,并记录下它的邻居节点集.#在余下的节点中继续求度最大的节点,判断此节点是否是前面区域簇首节点的邻居节点,如果是,确定它的邻居节点集(去掉它的区域簇首节点及所有区域簇首节点的邻居节点).否则的话,确定它的邻居节点集(去掉它的区域簇首节点的所有邻居节点).∃继续执行上一步,直到最后一个度最大节点记录的邻居节点个数为0为止.%算法结束.得到的区域簇首节点的集合称为区域簇首节点集.1.3 求支配节点集首先根据1.2可以得到网络拓扑结构的区域簇首节点集.从区域簇首节点集的第一个元素开始,每个元素可与它后面的所有元素建立一跳或二跳联系,根据区域簇首节点和区域簇首节点之间的联系建立新的拓扑结构.求支配节点集的具体算法过程为开始,初始化拓扑结构.!求拓扑结构的区域簇首节点,并将其存放在指定的数组中.∀从区域簇首节点集的第一个元素开始,寻找后面与它构成一跳联系的所有区域簇首节点,并将这些节点和这个区域簇首节点建立联系.#寻找这个区域簇首节点与它构成二跳联系的所有区域簇首节点,求这个节点和它的二跳关系节点的共同邻居节点中度最大的一个,用这个度最大节点把这个区域簇首节点和其二跳关系节点建立联系.∃执行完上面的步骤后,形成了一个网络拓扑结构,将这个拓扑结构中原来构成一跳联系的节点连接起来,进而形成了一个新的网络拓扑结构,称它为支配节点网络拓扑结构,这个支配节点网络拓扑结构中的节点定义为支配节点.%转向∀,重复,直到最后一个支配节点网络拓扑结构为链状为止.&算法结束,所有支配节点网络拓扑结构中的节点为支配节点,初始网络拓扑结构中的其他节点称为非支配节点.1.4 最优拓扑结构的构造定义M为拓扑层数,N为链状拓扑结构路由跳数.X为第倒数第二层支配节点网络拓扑结构中簇首节点的个数.根据1.3过程可求出网络拓扑结构的支配节点集及各级支配节点网络拓扑结构,接下来构造最优拓扑结构.具体过程为根据各级支配节点网络拓扑结构计算拓扑层数M和链状支配节点网络拓扑结构路由跳数N,进而计算关键路径长度,关键路径长度=(M-1)+(N/2+1).!判断M和N/2+1的关系,如果M>=N/ 2+1,转向∀;如果M<=N/2+1,转向#.∀让链状结构中的中间节点作为根节点,两边节点作为子节点,构造一层树状结构,然后前面支配节点拓扑结构构造一层拓扑结构,依此类推,可实现构造最优拓扑结构(在最优拓扑结构中去掉重复的节点),转向∃.#构造低一级的最优拓扑结构:首先,构造X 级的树状拓扑结构,在倒数第二层支配节点网络拓扑结构的簇首节点集中找度最大的那个簇首节点,联合其子节点构成一个树结构1,称为独立树结构.接着找度最大的簇首节点(除去属于树结构1的那些子节点),若存在则构造树结构2,若不存561第6期 侯宏录等:无线传感器网络多跳时间同步算法在,则根据已有的树结构给其添加子节点(子节点为(M -1)层拓扑结构的簇首节点),直到分配完所有的节点为止.根据(M -1)层拓扑结构的拓扑关系,继续给树结构添加叶子节点,树结构1和树结构2的公共交点可获得,任取一个作为根节点,构造X 级的树状拓扑结构.若独立树结构为三个,则依照上面的办法求三个树结构的公共交点作为根节点,可构造相应的树状拓扑结构.依次类推,最终可实现构造X 级的树状拓扑结构.其次,根据上面所求的X 级树状拓扑结构作为第一层拓扑结构,然后上一层支配节点拓扑结构构造第2层拓扑结构,依次类推,可以构造成(M -1)∋(N /2+1)级最优拓扑结构,转向∃.∃算法结束.1.5 时间同步的实现通过最优拓扑结构的根节点广播时间同步报文启动同步阶段,第一层拓扑结构中的节点收到这个报文后,估算时间延迟等参数并调整自己的逻辑时钟值,然后更新并转发这个同步报文,更新方法参考基于累计时延统计的传感器网络数据同步算法.第二层拓扑结构中的节点收到同步报文后,仅仅估计时间延迟等参数并调整自己的时钟值以达到与其簇首节点同步,依此类推,最终可实现所有节点与根节点的时间同步.2 算法性能分析2.1 时间同步开销和累积误差的比较同步开销用发送信令包和接收信令包的次数来衡量.设广播域内有1个时间基准节点,n 个接收节点,RBS 算法需要k 个时间记录以完成线性拟合,RBS 算法的同步开销为k(n +1)个发送信令包和k(n +1)个接收信令包.TPSN 算法的同步开销为2n 个发送信令包和2n 个接收信令包,而本算法的同步开销为m(m 为簇首节点的个数)个发送信令包和n -1个接收信令包.若采用最小连通支配子集算法,同步开销为L (L 为最小连通支配节子集中节点的个数)个发送信令包和n -1个接收信令包.关键路径的长度决定了累积误差的大小,可以很容易求得各种算法的关键路径长度,因此用关键路径长度来衡量累积误差.2.2 算法分析在大规模无线传感器网络中,时间同步技术变得尤为重要,数据融合、广播认证、节点定位、时分多路复用、节点状态切换等均依赖于全网节点的时间同步.缺乏有效的时间同步机制,无线传感器网络难以为用户提供有效服务.传感器网络中每个节点采用晶体振荡器来维持本地时钟,由于晶体振荡器的频率存在偏差,以及外界环境(如温度、压力的变化和电磁波的干扰)的影响,在运行一段时间后,传感器网络往往会产生时间漂移和时间偏移.当传感器网络中网络节点数目增加时,时间漂移和时间偏移会急剧增大,使得实现时间同步变得很困难.为解决这一问题,通过构造最优拓扑结构以及研究时间同步报文在网络中的传播规律,文中算法实现了全网节点的时间同步.实验验证:当网络规模增大时,文中算法的时间同步开销相比较于T PSN 算法的时间同步开销急剧减小,关键路径长度相比较于TPSN 算法的关键路径长度也急剧减小,在给定传感器网络中,力求寻找时间同步报文传播的最佳路径,因此取得了明显的效果.3 应用举例3.1 应用举例文中利用一个传感器网络环境的实例来说明算法实现的给定初始网络拓扑结构,如图1所示.图1 拓扑结构图Fig.1 T he to po log y ma p在图1中有33个网络节点,每个网络节点代表一个具有数据采集、数据处理及数据传输功能的智能传感器网络节点,这样的节点可以分为三类:终端节点、路由器节点以及协调器节点,它们分别实现不同的功能.在图1中,相邻节点之间通过实线连接,表示可以进行时间信息交换,没有实线连562西 安 工 业 大 学 学 报 第30卷接的节点不能进行时间信息交换.由于在实际应用中节点的部署是任意的,因此本文给出的传感器网络拓扑结构具有任意性,仅作示例.3.2 求各级支配节点根据1.3中的方法可以得到给定网络拓扑结构的各级支配节点.通过计算第一层支配节点为3,4,7,8,11,12,14,15,19,20,21,25,27;第二层支配节点为7,8,11,20.各层支配节点根据1.3中的方法可以形成各自的支配节点网络拓扑结构.3.3 构造最优拓扑结构实现时间同步根据1.4中的方法可以构造最优拓扑结构,如图2所示.根据1.5中的方法可实现全网节点的时间同步,在图2中,首先由根节点11广播时间同步报文启动同步阶段,第一层拓扑结构中的节点7,8,20收到这个同步报文后,估算时间延迟等参数并调整自己的逻辑时钟值,然后修改并转发同步报文.依此类推,支配节点通过接收其父节点的时间同步报文实现时间同步,并转发时间同步报文;非支配节点通过接收其簇首节点的时间同步报文进行时间同步,最终所有节点都同步到根节点11.图2 最优拓扑结构F ig.2 Optimal topolog y3.4 算法性能比较在表1中,结合实例,列举了RBS 算法、T PSN 算法及本算法实现全网节点时间同步的关键路径长度、发送信令包数及接收信令包数.表1 文中算法与RBS 算法、T P SN 算法性能比较T ab.1 T he perfo rmance co mpar ison of the art iclealg or ithm and RBS,T PSN alg or ithm参数R BS 算法T PSN 算法文中算法关键路径长度/跳884发送信令包数/个32k 6212 表1中k 为RBS 算法完成数据线性拟合的时间记录个数,关键路径长度用网络路由跳数来衡量.从表1中看出:相比RBS 算法及TPSN 算法,文中算法实现全网节点时间同步的关键路径长度、发送信令包数及接收信令包数都明显减小.4 结论由于时间漂移、温度以及压力等因素的影响,传感器网络中节点的本地时间和全局时间之间存在时间偏差,随着时间的推移,这种时间偏差会逐渐增大.为了减小时间偏差,文中采用构造最优拓扑结构,以及在M AC 层进行标记时间戳的方法实现了全网络节点的时间同步.应用结果表明该算法明显减小了时间同步偏差,主要表现在:1)最大限度减少了时间同步信息包在传递过程中的冗余信息,只选择关键的、必须的路径进行传递信息,从而降低了能耗;2)在同步信息包的传递过程中,考虑时延估计,以便及时调整和更正错误的时间同步信息包,从而提高了同步算法精度;3)相比RBS 算法和TPSN 算法,其时间同步开销和时间累积误差都急剧减小.尽管如此,时间同步技术还需要继续改进,在下一步的研究中,将开展对钟频率偏差补偿及多次时间信息数据参数估计的研究.参考文献:[1] Elso n J,G iro d L ,Estrin D.Fine g rained N etw orkT ime Sy nchro nizat ion U sing Reference Br oadcasts [C]//Pr oceeding s o f the 5th Sy nposlum o n O per atio n Sy stems Design and Implementatio n(OSDl2002),Boston,M A,2002:147.[2] Ganeriwal S,Kumar R,Sriv ast av a M.T iming Sy ncP roto col for Sensor Netw o rks [C]//Pr oceeding of 1st Inter national Conference o n Embedded N et wo rked Sensor Sy stems,L os Ang eles,2003:138.[3] M ar oti M ,K usy B,Simo n G,et al.T he F lo odingT ime Sy nchro nization Pro toco l[C]//P roceedings of the 2nd ACM Conference on Embedded N et wo rked Senso r Sy stems (SenSy s ),Baltimo re,M ar iland,2004:39.[4] 赵大胜,杨宗凯,王玉明,等.基于累计时延统计的传感器网络数据同步算法[J].华中科技大学学报:自然2005,33(7):26.563第6期 侯宏录等:无线传感器网络多跳时间同步算法ZH A O Da sheng,Y A NG Zo ng kai,WA N G Yu ming, et a l.Accumulative based Delay Stat istics for DataSynchronizatio n A lg or ithm W ir eless Senso r N etwo rk[J].J Huazho ng U niv of Sci&T ech:Natur e ScienceEditio n,2005,33(7):26.(in Chinese)[5] 彭伟,卢锡城.一种新的分布式最小连通支配集近似算法[J].计算机学报,2001,24(13):255.PENG Wei,L U Xi cheng.A N ov el Distr ibuted A p pro ximat ion Algo rithm for M inimum Connected Do m inating Set[J].Chinese Jo ur nal of Computer s,2001, 24(13):255.(in Chinese)Multi hop Time Synchronization Algorithm forWireless Sensor NetworkH OU H ong lu1,YA N G P eng w ei2,X I E K uang sheng2,H U M in x iao2(1.Scho ol of O pto electro nic Eng ineer ing,Xi an T echnolog ical U niv ersity,X i an710032,China;2.Depar tment o f T eaching and R esear ch,Xi an Command Co llege of CA PF,Xi an710038,China)Abstract: T o so lve the pr oblem s of error acum ulation and overhead of tim e synchronizatio n,a new tim e synchro nization algor ithm w as pr opo sed based o n o ptimal topolog y.It can reduce the a cumulativ e erro rs and o ver head of time sy nchr onization thro ug h building the optimal topo logy and conveying the tim e synchro nization packet among those netw or k no des.The time synchronizatio n accuracy can be improved thro ug h estimating the time error,fro m the timestamp techno logy of DMT S algor ithm.The result show s that the sy nchronization o ver head can be reduced by2/3,and that the critical path length w hich causes the a cumulative err ors can be reduced by1/2.Key words: optim al topolog y;time synchronization;critical path;w ireless senso r netw o rk(责任编辑、校对 张立新)(上接第559页)Oxidation Kinetics of TP304and TP347Steels underthe High temperature Water vapour ConditionWA N G Zheng p in1,FEN G H ong f ei1,T AN G L i y ing2,J I N Yao hua1,YA O Yu hong1(1.School of M ater ials and Chemical Eng ineer ing,Xi an T echnolog y U niv ersity,Xi an710032,China;2.Xi an T her mal P ow er Research Institut e Co.,L td,X i an710032,China)Abstract: Ox idatio n kinetics of the TP347H and the TP304H steels under high temperature w ater vapour co ndition is studied by disco ntinuous w eighing.T he results indicate:the ox idatio n kinetics of the TP347H and the T P304H steels at560(,590(,620(and650(follow s parabolic equatio n( m= kt z);the oxidation resistance of T P347H is higher than that of TP304H;ox idation of the TP347H and the T P304H steel of increases as the temperature r ises;the ox idatio n speed of the TP347H and the TP304H steel increnses w ithin fro m590(to620(.Key words: T P347H steel;T P304H steel;high temperature w ater vapo ur;ox idation kinetics(责任编辑、校对 张立新) 564 西 安 工 业 大 学 学 报 第30卷。