论文研究-无线传感器网络的多跳时间同步优化算法.pdf

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通过对无线传感器网络RBS时间同步算法(Reference Broadcast Synchronization,RBS)的研究,针对多跳全网的时间同步问题,提出基于环形网络拓扑的RBS环形算法(References Broadcast Bing Synchronization,RBRS)。该算法在RBS的基础上,采用广播分组和最小平方线性回归的方法实现全网时间同步。从同步误差和开销两方面对该算法和现有的RBS优化算法作理论比较。算法在众多算法中具有一定的优越性,适用于轻型、低功耗的无线传感器网络负载。使用matlab软件进行仿真,实验结果表明优化后的算法和初始算法相比误差累积小、同步开销显著减
98 015,51(4) Computer Engineering and4 pplications计算机工程与应用 ∑(2m-12)(1 扩展到多跳沱围,设其余子节太距全网时间基准节 (2)点的最大跳数为k跳。使用RBS算法实现同步,其复杂 2m 度为O(xyk);RBRS算法发送消息次数为3yk,其复杂 (3)度为O(0k)。而树形拓扑算法要使用TPSN算法对一级 A2根据式(1)校正本地时钟,完成和A1同步。A节点进行同步,其廾销为2y+1,然后逐层同步,消息发 区域中其余接收子节点与A1的同步过程同A2。从而送次数为3k+2+1,复杂度为O(k)。显然,RBRS比 A区域中的节点除A0达到同步。整个网络的每个区域RBS算法降低同步开销,和树形拓扑算法开销差不多, 是一个单跳区域,下面区城的同步过程重复A区域进但树形拓扑算法较本文算法的最大劣势是算法复杂度 行。区域与区域之间的无线通信可以通过自适应侦听叫较高。 进行信息传输。最后完成整个网络的时间同步。 3仿真结果分析 2RBRS算法性能分析 在 Matlab环境中对算法进行验证。一个400mx 21误差分析 400m的环境内,在区域中心挖空一个半径为100m的 RBS算法中,时间基准节点需要依次向其余接收节圆,区域靠边缘随机均匀放置24个节点,其中一个为全 点发送自己记录的时间信息,因此,各个接收节点获得 网时间基准节点,其余为普通节点;节点的通信半径为 此信息的时间不同。在节点时御修正时间相等的情况50m,数据包的传输速率为50kb/s,每个数据包的大小 下,时间基准节点和接收节点之间产生时钟频率相对偏为10kbit,延时和误差初始化为0 差的时间比采用RBRS算法通过广播进行传输可以同 执行本文算法,A区域中,发送节点广播一个分组, 时传给其余接收节点使用的时间长,而文献[5中可以接收节点间产生3个时间差。发送节点发送30个分组 看出树形拓扑算法的瞬时同步情况和RBRS算法基本理论产生90个时间差,但接收节点会遗漏接收分组,产 样。因此 RBRS算法和树形拓扑算法的瞬时同步比生的时间差小于90个。采用线性回归方法对时间差进 RBS算法精确。 行线性拟合,如图3所示为两个算法的时间差分布情况。 假设使用RBS算法实现单跳同步的最大同步误差每个误差变量是相E独立的,遵循高斯分布。同时表 为62,采用RBRS算法和树形拓扑算法最大同步误差也给出两种算法同步精度参数作为参考。RBRS算法的 为8,。使用RBS算法对n个区城内节点进行同步,则同步误差是(37.06±2234)s相比于RBS的同步误差是 区域内其余子节点与全网时间基准节点的同步误差为3823+23.86)s,它们的同步误差非常接近。 ne2,区域内发射节点和时间基准节点与全网时间基准 100 节点同步误差为-1)2。这和RBS算法的同步误差 情况基本一致。树形拓扑算法要使用TPS丶算法,偶数 层节点最大冋步误差和RBS算法相同,而奇数层节点同 步误差较RBS算法较大 0) 22同步开销分析 RBS算法中,完成单跳区域内x个节点同步,接收 节点在接收到同一个 beacon分组后需要相互交换信息 RBRS 如果彼此直接通信,吋间基准节点需要发送x-1个消 -100 10 152025 息。而其余节点需要发送一个应答消息,报文发送的次 同步次数 数为2(x-1)。如果不能直接通信,则需要通过发送节 图3同步误差对比分析 点发送吋间戳消息,发送的次数增多;若完成单条网络 表1两种算法同步精度比较 同步发送需要发送y个 beacon分组,那么RBS算法需 要发送的消息次数最少是2(x-1)y,其复杂度为O(xy); 同步算法同步误差同步误差最大同步最小同步 均值 标准差 误差 误差 RBRS算法中,完成单跳区域内x个节点同步,发送节点 RBS 38.23 发送同步分组,吋间基准节点主动通知时间戳信息,并 RBRS 37.06 出发送节点广播出公。只需发送3次消息。若完成单 实现网络4跳同步,仿真算法时间为120s,每20s 条络同步发送需要发送y个 beacon分组,RBRS算法取一次实验结果,实验10次。如果平均每跳同步误差 需要发送3ν次消息,复杂度为O(ν);单踯情况树形拓为a,可以预测n跳的平均同步误差为σ、n凹。在初始 扑算法和RBRS算法开销差不多 阶段,RBRS算法的瞬时同步比RBS算法精确。随着时 周娅,郎朗,陈孟元:无线传感器网络的多跳时间同步优化算法 2015,51(4) 99 间的推移,多跳淏差累积越来越大,如图4所示为RBRS关,节点数越多,同步开销就越大。孙佳伟提出的利用 和RBS算法误差累积对比分析图。可以看岀RBRS误贝叶斯估计方法进行时间同步,该算法法较RBS算法和 差累积和RBS算法差不多,这和理论误差分析情况一本文算法累积误差慢、冋步精度高,仁不能实现和汇聚 致。同时表2给出了两种算法误差累积参数作为参节点的同步.而IPSN算法多跳同步的精度不如RBS算 考。RBRS算法四跳的同步误差是(81.26±7984)μs和法。因此,基于RBS算法实现全网同步,RBRS算法能更 σ√4很接近,通常a为第一跳的平均误差。 好的保证节点有效性,具有一·定的优越性 4结论 0.8 在多跳RBS算法原理的基础上,建立环形的物理网 0. 络拓扑,采用广播分组和线性回归的方法实现全网的时 0.6 间同步。理论分析可以得出RBRS的同步误差和RBS 算法相比没有太大变化,但同步开销大大减小,降低了 网络节点的功耗,延长节点的使用寿命:通过 Matlab软 RBRS 件对两种算法做了仿真实验。实验结果可以看出,同步 RBS 误差、开销和理论分析的结果基本一致,并同现有改进 100 120 时间 多跳RBS算法作理论比较。该算法区域内节点可以适 图4累积误差对比分析 量増减,其有一定的可扩展性;采川广播分组的方法传 表2累积误差记录表 输消息更有序,更有条理,因此无线通信的质量较好, 平均误差 标准差 WSN的响应时间小;可以看出在现有的WSN协议下其 跳数 RBS RBRS RBS RBRS 有一定的兼容性。另外,该算法可用于白行产生同步时 22.34 表的802.11网络并对轻型、低功耗的无线传感器络 53.14 52.31 51.32 负载具有一定的实用性 81.26 78 参考文献 如图5所示为RBRS和RBS算法同步开销对比分 [1]孙利民,李建中无线传感器网络[M北京:清华大学出版 析图。在突发数据包发送之前,发送的RTS分组为20 社,2005 个字节,CTS分组为14个字节,数据帧最大为2346字(2]徐焕良,刘佼佼,王浩云,等 SN/WSAN中的时间同步算 节,应答消息也是有同定的长度。因此, RTS/CTS对收 法研究[计算机工程与应用,2012,48(31):56-60 敛速度产生的影响很小。若RBS算法与该算法采用相[3] Ganeriwal s, Kumar r, Adlakha s, et al. Network-wide time 同的访问机制,网络中有30个节点需要时间同步时, synchronization in sensor networks[R]. Networked and Em RBS算法的同步开销约为该算法的4倍,该算法的收敛 bedded Systems Lab(NESL), UCLA Technical Report 速度比RBS单跳同步要快,能量消耗要少。显然,RBRS 0-01-2003. 采用广播的方式相比RBS算法减少大量的报文销,降[4孙佳伟,曾子维元线传感器络RBS的优化算法门计算 低功耗。另外,同步报文的个数和网终中节点的个数有 机工程与设计,2009,30(1):66-69 5]谭励无线传感器网络理论与技术应用[M]北京:机械工业 1400 RBRS 出版社,2011 1 200 FRBS [6 Greunen J, Rabaey J Lightweight time synchronization for 1000 sensor nctwork[C]. Proc 2nd ACM Int I Conf wireless < Networks and Application, 2003: 11-19 7]王玉秀,黄剑基于分簇的低功耗多跳无线传感器网络层 次时间同步算法[计算机应用,2013,33(2):369-373. 400 [8]郑军,张宝贤无线传感器网终技术[M].北京:机械T业出 20 版社,2012 [9]何春华无线传感器网终时间同步技术研究[D]广州:华南 15 节点 理工大学,2010. 图5同步开销对比分析 (下转153页)

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