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摘 要： 无线传感器网络具有高灵活性和高智能度的特点，现在已经在在军事、环境、工业等领域得到了广泛的应用。为了有效的改善传统时间同步算法周期性全网同步存在的能耗问题，本文对现有的时间同步机制进行了详细分析，以实现基于事件触发的时间同步补偿算法的运用，通过这一算法的运用能够实现部分节点的同步，以实现无线传感器同步效果和节能性的提高。
关键词： 无线传感器网络；同步补偿机制；应用；能耗
在实践中，无线传感器网络的应用有的只须对少数的兴趣节点同步即可，但是以往的传统时间同步中所实现的都是全网的时间同步，这就导致通信流量的流失。加之在环境误差的修正上，周期性同步的采用会产生节点能量浪费的问题。为了有效的规避这些问题，本文提出了基于事件触发的时间同步补偿算法，通过分别统计出沿途的累计总处理时延并补偿传输延时的方式实现同步。
1 同步补偿机制的实现和方法
事件触发同步是指网络中的节点不需要具有保持同步状态的统一时钟，只有在同步事件产生时，才进行全网节点或者部分节点的出发，这种同步能够实现节点能量的减少，降低无线传感网络节点能量的流失程度。
1.1 同步过程中的延时分析
本文对同步过程中的延时分析，主要以两相邻节点之间的同步来进行主要的延时分析。某时刻两个相邻节点的发送者和接收者之间同步，发送者在完成载波检测之后，就可以运用同步数据包将数据同步传给接收者，接收者在完成数据包的接收后，要及时记录接收时间，并在接收完毕后将同步数据包回复给发送者，发送者在接收到接收者回复的数据包时也要进行接收时间的同步记录，以下对主要的传输时间进行了比较具体的分析。
1）发送处理时间。发送者在信息的生成以及消息发送就绪的总时间中，包含了对消息的处理时间，还包括了信道的访问时间。信道访问时间具体指的是分组信息在到达MAC层之后，等待得到访问信道和载波侦听时间的过程。在此过程完成后，要通过时间戳来进行标记，这就使得在传输延时时发送处理时间对其不会造成影响。
2）传送时间。传送时间一般与消息的长度息息相关，能够实现分组消息的发送，在发送过程中，一般需要采用射频信号的方式来实现时间的传送。
3）传播时间。传播时间是指在两节点之间通过一定的物理介质进行的射频信号传播所耗用的时间，传播时间只与节点间的距离相关。由于在较短时间内，节点之间的距离一般都是保持不动的，这就使得往返的传播时间是保持不变的。
4）接收时间。在节点的发送和接收过程中，接收与发送的传送过程基本上是是同步的，这就使得接收时间能够和传送时间保持一致性。在这里的同步主要是指在传送节点和接收节点过程中，信号的调制和解调过程是同步的，如果将信号在介质中的传播时间排除在外的话，那么这两个过程就能实现完全同步。
5）接收处理时间。接受处理时间是指，接收者在无线信道进行信息的接收到这一信息告知到主机的等待处理时间。在接受处理时间中，在链路层接收完成时会立即打上时间戳作为计算依据，这就使得延迟不能对对传输延时造成影响。
1.2 事件触发同步的延时补偿思想
在事件触发同步过程中，节点可以不必进行全局时钟的维护，通过各自的临时定时器的直接使用，就能实现指令的同步执行。发送节点在启动定时器后要从零开始计时，而在这一指令到达待接收节点之后，该节点在进行指令时刻的接收时所启动的定时器，也要从零开始计时，同时还要将回应包发送给发送节点。接收节点定时器计数和发送节点相差一个传输延时，而接收节点的处理时间通过接收节点定时器的计数乘计数时间间隔就可以得到，由此通过两节点之间传输延时的计算，将其补偿给接收节点就可以实现两节点间的同步。
1.3 多跳节点间的同步思想
传感器网络的运行，离不开多个节点的协同运行，所以为了达到协同效果就需要对多跳节点进行同步。节点之间经过中继，同步指令消息分组在沿途的节点上实现传输，而在节点的每一跳上，都会产生一个传输延时和一个处理延时，而回应消息在返回的过程中，其每一跳也会产生一个传输延和一个处理延时。然而节点与节点间的相对位置是不变的，这就使得往返的传输延时是相等的。消息在各个中继节点上的处理延时往往是不相对等的，然而这里的延时能够通过时间戳的计算得到，从而可以实现延时在同步消息分组相应字段中的累计。在消息的传输过程中，能够将沿途的总处理耗时进行累计计算，而节点能够记录同步指令发出到回应消息到达间的总耗时。这就可以通过计算实现单趟总传输的延时时间，然后将其补偿给兴趣节点，这样就能实现同步。
1.4 多节点间的事件触发同步算法描述
事件触发同步算法的同步过程，一般可分为两个步骤。第一个步骤就是在Sink节点收到同步触发事件后，要及时给各个兴趣节点发送同步请求消息，而各个兴趣节点收到同步请求之后要及时进行初始化定时器的准备并将回应消息发送出去。而第二个步骤就是Sink节点要根据回应消息来是实现总传输延迟的计算，将这一计算结果补偿给兴趣节点并执行同步任务。具体来讲，Sink节点在收到同步触发事件后，要对同步过程进行初始化，还要启动定时器给各个兴趣节点发送同步请求分组，在同步请求分组的发送过程中包括初值为零的累计处理延时，还包括发送时刻计时。中继节点在进行同步请求信息的接受中，要将收到的同步请求消息进行延时计算，可以通过本地定时器来实现其转发的处理延时计算，以实现转发前将处理延时的累计存入。兴趣节点在实现同步请求信息的接手后，要及时的启动本地定时器计数，在设置完毕计初始值后要及时将回应消息发送给Sink节点。
2 实验分析与讨论
无线传感器网络的时间同步，既要达到精度的同步，也需要关注能耗和适用性的需求，以下就无线传感器网络中算法的复杂度和实际测量误差进行了详细分析。
2.1 复杂度分析
复杂度分析可以通过仿真试验来完成，通过选取一定网络深度及节点数的拓扑网络来进行实验，要做好兴趣节点的位置选择。在算法复杂度的评价上，评价标准以完成一次同步网络中消息的转发次数为准。由于算法的同步开销和兴趣节点的数量没有关系，这就使得一条水平线上考虑生成分级层次结构的消息开销和相互间交互过程，每个节点完成时间同步至少需要传递3次消息。这种算法中传播消息的数目只和兴趣节点的数量和网络深度相关。
2.2 同步性能分析
同步性能的分析已经在智能地震信息采集系统中得到成功应用，这一系统能够将多个采集节点同步采集爆破产生的地震波，通过上位机的汇总，通过波形的差异实现地质分析。为了检验这种测试算法在地震信息采集系统中的具体性能，可以通过传感器网络来进行实验，通过Sink节点向兴趣节点间发送同步采集指令，这种指令能够实现其高频连续采样工作，最终得到正弦波形。而两个兴趣节点间的时间误差可以通过采集到的波形来实现相位差的比较。如果没有经过同步算法进行补偿，那么通信的跳数与采集节点之间是成正比的关系。通过数据的统计，可以计算出采集节点之间的同步最大误差及范围，基本能满足一般的无线传感器时间同步应用。
3 结语
总而言之，基于事件触发的数据同步补偿算法，非常适合在无线传感器网络中得到运用，由于这种补偿算法能够实现同步事件发生时对兴趣节点进行同步，这种算法开拓了无线传感器网络数据同步的新思路，能够实现很好的节能效果。
参考文献：
[1] ELSON J， ESTRIN D. Time synchronization for wireless sensor networks[EB/OL].[2009-07-01].http：//www.cens.ucla.edu/Estrin/papers/
Timesync.pdf.
[2]田贤忠、陈登、胡同森，无线传感器网络按需时间同步算法研究[J].传感器技术学报，2008，21（11）：1881-1886.
关键词： 无线传感器网络；同步补偿机制；应用；能耗
在实践中，无线传感器网络的应用有的只须对少数的兴趣节点同步即可，但是以往的传统时间同步中所实现的都是全网的时间同步，这就导致通信流量的流失。加之在环境误差的修正上，周期性同步的采用会产生节点能量浪费的问题。为了有效的规避这些问题，本文提出了基于事件触发的时间同步补偿算法，通过分别统计出沿途的累计总处理时延并补偿传输延时的方式实现同步。
1 同步补偿机制的实现和方法
事件触发同步是指网络中的节点不需要具有保持同步状态的统一时钟，只有在同步事件产生时，才进行全网节点或者部分节点的出发，这种同步能够实现节点能量的减少，降低无线传感网络节点能量的流失程度。
1.1 同步过程中的延时分析
本文对同步过程中的延时分析，主要以两相邻节点之间的同步来进行主要的延时分析。某时刻两个相邻节点的发送者和接收者之间同步，发送者在完成载波检测之后，就可以运用同步数据包将数据同步传给接收者，接收者在完成数据包的接收后，要及时记录接收时间，并在接收完毕后将同步数据包回复给发送者，发送者在接收到接收者回复的数据包时也要进行接收时间的同步记录，以下对主要的传输时间进行了比较具体的分析。
1）发送处理时间。发送者在信息的生成以及消息发送就绪的总时间中，包含了对消息的处理时间，还包括了信道的访问时间。信道访问时间具体指的是分组信息在到达MAC层之后，等待得到访问信道和载波侦听时间的过程。在此过程完成后，要通过时间戳来进行标记，这就使得在传输延时时发送处理时间对其不会造成影响。
2）传送时间。传送时间一般与消息的长度息息相关，能够实现分组消息的发送，在发送过程中，一般需要采用射频信号的方式来实现时间的传送。
3）传播时间。传播时间是指在两节点之间通过一定的物理介质进行的射频信号传播所耗用的时间，传播时间只与节点间的距离相关。由于在较短时间内，节点之间的距离一般都是保持不动的，这就使得往返的传播时间是保持不变的。
4）接收时间。在节点的发送和接收过程中，接收与发送的传送过程基本上是是同步的，这就使得接收时间能够和传送时间保持一致性。在这里的同步主要是指在传送节点和接收节点过程中，信号的调制和解调过程是同步的，如果将信号在介质中的传播时间排除在外的话，那么这两个过程就能实现完全同步。
5）接收处理时间。接受处理时间是指，接收者在无线信道进行信息的接收到这一信息告知到主机的等待处理时间。在接受处理时间中，在链路层接收完成时会立即打上时间戳作为计算依据，这就使得延迟不能对对传输延时造成影响。
1.2 事件触发同步的延时补偿思想
在事件触发同步过程中，节点可以不必进行全局时钟的维护，通过各自的临时定时器的直接使用，就能实现指令的同步执行。发送节点在启动定时器后要从零开始计时，而在这一指令到达待接收节点之后，该节点在进行指令时刻的接收时所启动的定时器，也要从零开始计时，同时还要将回应包发送给发送节点。接收节点定时器计数和发送节点相差一个传输延时，而接收节点的处理时间通过接收节点定时器的计数乘计数时间间隔就可以得到，由此通过两节点之间传输延时的计算，将其补偿给接收节点就可以实现两节点间的同步。
1.3 多跳节点间的同步思想
传感器网络的运行，离不开多个节点的协同运行，所以为了达到协同效果就需要对多跳节点进行同步。节点之间经过中继，同步指令消息分组在沿途的节点上实现传输，而在节点的每一跳上，都会产生一个传输延时和一个处理延时，而回应消息在返回的过程中，其每一跳也会产生一个传输延和一个处理延时。然而节点与节点间的相对位置是不变的，这就使得往返的传输延时是相等的。消息在各个中继节点上的处理延时往往是不相对等的，然而这里的延时能够通过时间戳的计算得到，从而可以实现延时在同步消息分组相应字段中的累计。在消息的传输过程中，能够将沿途的总处理耗时进行累计计算，而节点能够记录同步指令发出到回应消息到达间的总耗时。这就可以通过计算实现单趟总传输的延时时间，然后将其补偿给兴趣节点，这样就能实现同步。
1.4 多节点间的事件触发同步算法描述
事件触发同步算法的同步过程，一般可分为两个步骤。第一个步骤就是在Sink节点收到同步触发事件后，要及时给各个兴趣节点发送同步请求消息，而各个兴趣节点收到同步请求之后要及时进行初始化定时器的准备并将回应消息发送出去。而第二个步骤就是Sink节点要根据回应消息来是实现总传输延迟的计算，将这一计算结果补偿给兴趣节点并执行同步任务。具体来讲，Sink节点在收到同步触发事件后，要对同步过程进行初始化，还要启动定时器给各个兴趣节点发送同步请求分组，在同步请求分组的发送过程中包括初值为零的累计处理延时，还包括发送时刻计时。中继节点在进行同步请求信息的接受中，要将收到的同步请求消息进行延时计算，可以通过本地定时器来实现其转发的处理延时计算，以实现转发前将处理延时的累计存入。兴趣节点在实现同步请求信息的接手后，要及时的启动本地定时器计数，在设置完毕计初始值后要及时将回应消息发送给Sink节点。
2 实验分析与讨论
无线传感器网络的时间同步，既要达到精度的同步，也需要关注能耗和适用性的需求，以下就无线传感器网络中算法的复杂度和实际测量误差进行了详细分析。
2.1 复杂度分析
复杂度分析可以通过仿真试验来完成，通过选取一定网络深度及节点数的拓扑网络来进行实验，要做好兴趣节点的位置选择。在算法复杂度的评价上，评价标准以完成一次同步网络中消息的转发次数为准。由于算法的同步开销和兴趣节点的数量没有关系，这就使得一条水平线上考虑生成分级层次结构的消息开销和相互间交互过程，每个节点完成时间同步至少需要传递3次消息。这种算法中传播消息的数目只和兴趣节点的数量和网络深度相关。
2.2 同步性能分析
同步性能的分析已经在智能地震信息采集系统中得到成功应用，这一系统能够将多个采集节点同步采集爆破产生的地震波，通过上位机的汇总，通过波形的差异实现地质分析。为了检验这种测试算法在地震信息采集系统中的具体性能，可以通过传感器网络来进行实验，通过Sink节点向兴趣节点间发送同步采集指令，这种指令能够实现其高频连续采样工作，最终得到正弦波形。而两个兴趣节点间的时间误差可以通过采集到的波形来实现相位差的比较。如果没有经过同步算法进行补偿，那么通信的跳数与采集节点之间是成正比的关系。通过数据的统计，可以计算出采集节点之间的同步最大误差及范围，基本能满足一般的无线传感器时间同步应用。
3 结语
总而言之，基于事件触发的数据同步补偿算法，非常适合在无线传感器网络中得到运用，由于这种补偿算法能够实现同步事件发生时对兴趣节点进行同步，这种算法开拓了无线传感器网络数据同步的新思路，能够实现很好的节能效果。
参考文献：
[1] ELSON J， ESTRIN D. Time synchronization for wireless sensor networks[EB/OL].[2009-07-01].http：//www.cens.ucla.edu/Estrin/papers/
Timesync.pdf.
[2]田贤忠、陈登、胡同森，无线传感器网络按需时间同步算法研究[J].传感器技术学报，2008，21（11）：1881-1886.