0 引言

近年來，隨著生物傳感器、可穿戴式技術和無線傳感器網絡的逐步發展，無線軀體傳感器網絡的概念(wireless body sensor network, WBSN或BSN)被研究人員所提出，它主要由各種采集人體生命體征的傳感器節點、中央處理節點及監護中心的接收裝置組成。無線軀體傳感器網絡主要應用于醫療監護、疾病監控和生物醫學等領域，是形成人聯網(Internet of persons)的重要感知及組成部分。

時間同步是WBSN的一個重要支撐技術，采集的各種生理信息的融合，生理傳感器節點的休眠和喚醒，各節點之間的協同工作都需要時間同步。由于WBSN應用的需求，傳感器節點逐步向可穿戴式發展，節點體積小、重量輕、便于攜帶，導致節點能量非常有限，因此設計一種滿足WBSN低能耗要求的時間同步算法是一個值得探索的問題。

1 算法設計

本文通過對WBSN特點的分析，結合已有典型的時間同步算法TPSN和DMTS，提出了一種滿足WBSN低能耗要求的時間同步算法，在保證一定同步精度的前提下，減少信息交換次數來達到低能耗的要求。基于基準節點單向廣播消息的時間同步機制通過減少消息交換量換取低能耗，但同步精度有所下降。基于成對雙向消息傳遞的時間同步機制采用往返消息測量成對節點間的時間偏移和傳播時延，同步精度較高但協議復雜同步開銷大。結合這兩種機制，設計算法。

2 算法描述

第一階段為層次建立階段。首先確定根節點及分層，此節點是全網的時鐘參考節點，賦予層次號0，根節點廣播包含有自身層次號的數據包，相鄰節點收到該數據包后，確定自身層次號為1，然后1層節點繼續廣播帶有自身層次號的數據包，以此類推，i層節點廣播帶有自身等級信息的數據包，其相鄰節點收到后確定自身等級為i+1，直到網絡中所有節點都有自身的等級。已確定層次的節點拒收其他數據包。至此，全網建立起一個層次結構。

第二階段為同步階段。同步階段又分為層間同步和層內同步。層間同步采用成對雙向消息傳遞機制，層內同步采用基準節點單向廣播機制，每層節點中選出一個基準節點，層內結構形成主從關系。

除根節點外，每層基準節點按層次序號依次向上層發送同步請求。1層基準節點向根節點發送同步請求，兩節點間采用成對雙向消息同步機制進行同步，1層基準節點計算出節點間時間偏移和傳播時延，調整本地時鐘，與根節點達到同步。然后1層基準節點在層內廣播一個同步消息，層內其他節點收到消息后估計消息時延，調整本地時鐘。至此實現了一層節點的同步。

同步過程中設立一個同步計時器，用于記錄層間同步時間T。間隔t(T≤t≤2T)，2層基準節點向1層基準節點請求同步，按照層間和層內方法實現同步。間隔時間t的選取保證上層節點已與根節點達到同步。以下各層重復上述同步過程實現全網同步。此算法結合單向廣播和成對雙向消息傳遞進行橫向和縱向時間同步，橫向指層內廣播，縱向指層間成對，橫縱交錯，實現了所有節點的同步。

3 算法仿真

為了評估和分析算法的性能，本文采用網絡仿真工具NS-2進行實驗仿真。NS-2(Network Simulator version 2)是一種針對網絡技術的源代碼公開的、免費的軟件模擬平臺，研究人員使用它可以很容易地進行網絡技術的開發。設計仿真環境為50×50m2的正方形區域，隨機分布50個節點，節點間無線通信距離為10m。

本文提出的改進算法比TPSN算法的同步開銷要小得多，并隨相鄰節點數的增加，其同步開銷的差別越大。如圖1所示。

這是因為改進算法中每層只有一個基準節點，層間同步過程需兩個消息交換的開銷，而基準節點與本層的其他節點只需要一個消息開銷，而TPSN算法則需要2倍于節點數的開銷。

顯然，改進算法明顯減少了同步階段所需的消息交換次數，降低了同步過程所需的通信開銷。

改進算法的同步誤差略高于TPSN算法。如圖2所示。
 

這是因為改進算法中每層只有一個基準節點與上層節點進行同步，層內其他節點都是參照這個節點與上層節點進行同步的，而TPSN算法中每個節點都與上層節點進行單獨的同步，所以改進算法同步誤差略高。根據仿真試驗可以分析比較改進算法與TPSN的性能，雖然改進算法的同步誤差比TPSN大，但它可以滿足大多數WBSN的應用需求。而改進算法的能量消耗遠小于TPSN，實現了低能耗的設計要求。

4 結論

時間同步是WBSN的一項重要的支撐技術，設計時間同步算法時常常要考慮能量消耗和同步誤差，但這兩個重要參數往往是一對矛盾的量。大多數WBSN對同步精度的要求并不高，所以在能量消耗和同步誤差之間獲得一個折衷是重點所在。本文提出的改進算法結合基準節點單向廣播機制和成對雙向消息傳遞機制，在保證一定同步精度的前提下，減少消息傳遞次數，降低通信開銷，達到了低能耗的要求。仿真實驗驗證了算法低能耗和良好同步誤差的性能。