1.4.2 时间同步技术

无线传感器网络的时间同步保证源数据质量。在无线传感器网络的应用中，随机部署大量的无线传感器节点来实时采集监测目标的各种感知数据，通过多个节点对同一目标的不同方位、层次、远近等进行感知处理，可以在单个无线传感器的精度不高的情况下实现高精度的目标检测与识别。无线传感器网络进行密集部署后，由于部署密度很高，就会在网络中产生较多冗余节点，这些节点能够不断提高网络的容错性能，而且还能提高感知对象的精度；并且在网络采用不同的网络拓扑结构调度算法时，通过对一些节点进行休眠或唤醒，增加节点的工作时长，从而达到延长无线传感器网络生命周期的目的。

在无线传感器网络内，由于各个无线传感器节点是通过无源电池进行供电的，储能有限导致节点的工作时间有限。当失效节点达到一定的数量后，整个无线传感器网络的生命周期就结束了。为了达到延长无线传感器网络生命周期的目的，需要对网络中的各个无线传感器节点的可用工作时间进行延长，这就需要延长单个节点的有效工作时间。可以通过一定的规则来调整单个节点的休眠和唤醒方式来延长其有效工作时间。当前，对无线传感器网络中节点的唤醒方式主要有四种模式，分别是全唤醒模式、随机唤醒模式、由预测机制选择唤醒模式及任务循环唤醒模式，具体详细内容如下。

（1）全唤醒模式是指在无线传感器网络开始工作时，就把无线传感器网络中的所有节点都唤醒，根据节点的类型不同处理不同的任务和行为。这种模式的优点是整个无线传感器网络能够对目标获得较高的感知、识别和跟踪精确度；不过缺点也很明显，那就是这种模式是以最快速度消耗掉各个节点上存储的有限能量的，各个节点的有效工作时间的缩短也将导致整个无线传感器网络生命周期的缩短。

（2）随机唤醒模式是指在无线传感器网络工作过程中，以预先设定的概率随机唤醒网络中的无线传感器节点，同时休眠掉未被唤醒而正在工作的节点。在唤醒的过程中，哪些无线传感器节点被同时唤醒，哪些不被唤醒，事先是无法准确了解的。无线传感器网络在每次执行随机唤醒模式后，将根据新唤醒的节点数量、位置、方位、疏密程度等信息，按照其自组网模式和一定的路由算法进行重新组网。每次组网的结果可能会由于随机唤醒的传感器节点的随机性，导致无线组网失败，从而增大了组网失败的概率。

（3）由预测机制选择唤醒模式是指在无线传感器网络工作过程中，根据一定的预测机制有选择性地唤醒某些节点，这些被选择的节点是对监测目标的感知、识别、跟踪等精度收益较大的节点，并根据这些节点采集到的感知数据进一步预测监测目标下一时刻的状态，并根据这些可能的状态唤醒相应的无线传感器节点和休眠一些已经唤醒了的节点。这种唤醒模式的优点是有利于实时感知、识别与跟踪，缺点是需要适当增强每个无线传感器节点的计算处理能力。

（4）任务循环唤醒模式是指在无线传感器网络工作过程中，根据任务特性，周期性地对某些节点进行唤醒和休眠。这种模式中每个无线传感器节点的唤醒周期和休眠周期是可以预先准确了解到的。在这种工作模式下，能够随时明确地知道各个节点当前工作状态，所以一般来说还可以采用混合模式，协助其他工作模式的节点开展具体的工作，提升其他工作模式的效率。

根据实际运用情况，在大部分情况下，由预测机制选择唤醒模式会获得较小的能耗和比较好的探测效果。

以协作的工作思想，无线传感器网络的诸多节点协同地对兴趣目标进行感知和探测，从而获知完整的信息。在协作方式下，无线传感器网络能够获得更高的效率，不但能够有效改善整个无线传感器网络中单个节点在数据处理和数据存储方面的不足，而且还能够通过节点间的协作来共同完成更加复杂的任务，以及提高节点的能量利用率，增加无线传感器节点的有效工作时长，从而延长整个无线传感器网络的生命周期。

无线传感器网络已在各个领域进行了大量的实际应用，这些实际应用在进行数据感知、采集、存储、传输、处理时，都需要基于时间序列来进行。如果各个节点的时间信息不一致，那么采集到的许多感知数据就无法进行融合和分析处理，所以时间同步技术是最为基础的支撑技术之一。而在实际应用中，无线传感器网络采集的感知数据需要有时间戳信息，对时间同步有特殊要求，诸如各个无线传感器节点的任务协调、无线传感器节点与用户之间的数据交互和指令处理，还有诸如无线传感器节点认证、数据加密和数据验证等方面。假如无线传感器网络中出现时间不一致性的情况，则网络中的诸多节点获得的感知数据在进行数据处理过程中，得不到准确处理，数据的时间序列将无法对齐，更无法进行数据的会聚和融合；定位信号将不能准确测量，在数据传递方面会产生数据的发出和到达时间混乱等情况，并且更无法对传感器节点进行实时定位；在无线传感器网络的唤醒模式方面更加不可能进行协调和调度，难以确定在同一时间刻度上得到节点休眠、活动、空闲等正确状态信息；还有就是在无线传感器节点进行状态切换时，如果其状态切换与时间有关，也会因时间的不同步，导致频繁切换或错误切换，造成整个无线传感器网络的网络连通状态错误或异常。综上所述，无线传感器网络需要有正确的时间同步才能够维持各个节点的休眠和唤醒状态得到统一协调，而在传输通信过程中，也需要协调各个无线传感器节点与其他节点之间的通信对应的时间槽分配问题，此种情况下时间同步是一定需要的。总之，只有在无线传感器网络的整个环境中保持一致的物理时间，才能依据各个无线传感器采集到的数据进行有效和正确的事实判断与逻辑处理应用。

时间同步在无线传感器网络的众多应用中无所不在，存在于各种行为和任务中，如对监测目标的感知、定位和追踪，节点之间的协同处理与数据传输，整个无线传感器网络中的唤醒管理、调度管理等方面。在无线传感器网络进行监测目标的感知、定位和追踪时，一方面，需要获得被监测目标的速度、位置、前进方向等数据；另一方面，在获取这些数据时，还需要取得在获取这些数据时的时间戳信息，这样才能够相对准确地得到监测目标以时间序列进行的运动轨迹。

由于在无线传感器网络中各个节点上的电量存储有限，为了能够节约节点上的电池能量，延长其使用寿命，无线传感器节点根据应用需求采用的唤醒机制可以在大部分时间内要节点进入休眠状态，在需要工作时才及时唤醒，这种唤醒机制需要有严格的时间同步保障。除此之外，在进行数据存储、数据融合、通信处理和信道复用等方面，也需要时间同步来保障相关事件的有序执行。

从互联网诞生开始，就有时间同步的强烈需求，通过多年的研究和实际应用，当前已有经过实践验证过的成熟时间同步协议和相应的算法实现，可以精确地在互联网范围内进行各种网络设备（如计算机、防火墙、交换机、路由器、打印机等设备）时间的实时同步，如NTP（Network Time Protocol）协议和GPS（Global Position System）协议来进行时间同步的技术[47]。但是，在传统互联网上成功应用的时间同步技术却不能在无线传感器网络中直接使用，这是因为无线传感器网络具有网络连通不稳定、网络拓扑结构经常改变、各个节点处理能力不足等独特特点。这样在时间同步协议的实际应用过程中，就需要专门的设备来进行时间同步，但是在无线传感器网络中，由于单个节点的性能有限等真实情况约束，往往不能单独配备相关的设备[48]。