无线传感器网络时间同步实践

时间同步的研究由来已久，在物联网和传感器网络中都是重要的支撑技术，有许多成熟的方法被成功地应用于解决这一问题，有代表性的解决方法有NTP和GPS。NTP协议是目前因特网上时间同步协议的标准，用于把因特网上计算机的时间同步于UTC时间。NTP采用层状结构的同步拓扑，每一层均有若干时间服务器，如顶层时间服务器，第二层时间服务器等，其他均为客户机。顶层时间服务器通过广播、卫星等方式与UTC同步；其他层的时间服务器可选择若干个上一层时间服务器及本层时间服务器作为同步源来实现与UTC时间的间接同步；客户机则可通过指定一个或多个上一层时间服务器来实现与UTC的同步。可以看出：NTP协议的可靠性依赖于时间服务器的冗余性和时间获取路径的多样性。

NTP协议并不能直接适应于无线传感器网络。首先，这两种网络的节点具有很大差异：同以网络服务器为代表的因特网节点相比，无线传感器网络节点具有体积、电能供应、计算能力和存储空间的严格约束，导致复杂的、高精度的NTP协议不可能在无线传感器网络节点上运行；其次，无线传感器网络采用无线传输方式，而因特网却主要采用可靠得多的有线传输方式，这两种传输方式在带宽、抗干扰能力和抗衰落能力等方面具有巨大的差别，使得NTP针对有线传输方式特点而对参数所做的一些工程优化并不适合于无线传输方式；再次，无线传感器网络的应用要求算法具有强的局部性，即达到局部最优性，而因特网则强调整体最优性。所以，普遍认为NTP并不适合于无线传感器网络。

GPS是由美国国防部为满足军事部门对海陆空设施进行高精度导航和定位的需要而建立的。GPS系统由3部分构成，分别为空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。空间部分是由若干颗GPS工作卫星所组成的，每颗卫星上装置有精密的铷、铯原子钟，并由监控站经常进行校准，达到和UTC时间的同步。每颗卫星不断发射包含其位置和精确到十亿分之一秒的时间的数字无线电信号用于接收设备的时间校准。GPS接收装置接收到来自于4颗卫星的信号，根据伪距测量定位方法不仅可以计算出其在地球上的位置，而且也可计算出GPS接收机时间与UTC时间之偏差，并进行时间校准，达到与UTC时间的同步。这种方法的同步精度可达100ns。

由于GPS信号的穿透性差，GPS天线必须安装在空旷的室外，并且要求附近没有高大的遮挡物，这是GPS应用的一个主要限制。此外，GPS接收机的成本、体积和功耗也较大，这也阻碍了GPS在无线传感器网络上的应用。

综上所述，现有的成熟的时间同步方法无法直接应用解决无线传感器网络的时间同步问题，这是由于无线传感器网络具有以下自身的特点。

（1）传输延迟的不确定性

报文传输延迟的不确定性是对无线传感器网络时间同步的主要挑战之一。一方面，传输延迟比要求的时间同步的精度大得多；另一方面，它极易受到处理器负载、网络负载等因素的影响。通常，报文的传输延迟可分为发送时间、访问时间、传送时间、传播时间、接收时间、接受时间。传输延迟的不确定性严重影响了同步精度，因此需要对传输延迟仔细地测量、分析和补偿才能设计出高精度的时间同步协议。(www.xing528.com)

（2）低功耗、低成本与小体积

低功耗、低成本与小体积的要求对无线传感器网络软硬件设计的各个方面均提出挑战。无线传感器网络强调低功耗原则，在设计时间同步软硬件时必须遵循该原则。例如：对用于时间同步的硬件来说，类似于GPS接收机这样的高耗能、高成本设备是不合适的；对时间同步软件来说，虽然增大同步操作的频率能够提高同步精度，但必然伴随着同步功耗的增加，因此完全依靠增大同步操作频率来提高同步精度的方法是不合适的。低成本和小体积更是加剧了电能供应的紧张趋势。

（3）可扩展性

无线传感器网络时间同步协议会随着网络规模的扩大而出现同步精度的劣化现象，即同步误差随着网络规模的扩大而增长，并最终导致同步误差的越界。网络规模的扩大还会引起时间同步协议其他方面性能的下降，甚至出现不能正常工作的情况。如何设计时间同步协议，使得其在大规模网络中不仅能正常工作，而且能保持较好的性能，即具有强的可扩展性。这是大规模无线传感器网络时间同步需要考虑的主要问题之一。

（4）健壮性

尽管NTP会遇到短暂的链路失败，但NTP仍然能正常工作。这是因为NTP被手动配置了多个时间服务器，因此具有较强的健壮性。在无线传感器网络中，节点的移动、故障及外界环境的变化等多种因素都会导致无线传感器网络的高度动态性。静态配置方案并不能应对网络的高度动态性。时间同步协议必须能够对这些情况进行处理，以保证系统的健壮性。