基于物联网网络服务的时间同步机制

发表时间:2017/3/16   来源:《科技中国》2017年1期   作者:鄢丽娟 张彦虎
[导读] 本文将通过从简单论述时间同步机制的关键技术即WSNs技术,之后将分别从时钟偏移以及时钟漂移两个角度出发。

(广东松山职业技术学院、广东松山职业技术学院 )
摘要:在科学技术的飞速发展之下,物联网技术愈发成熟并且被广泛运用到各行各业当中,而作为物联网当中最为关键的一项组成部分,无线传感器网络想要实现信息的高效交换,其中的各节点均需要经过时间同步机制。因此,本文将通过从简单论述时间同步机制的关键技术即WSNs技术,之后将分别从时钟偏移以及时钟漂移两个角度出发,着重围绕基于物联网中无线传感器网络的时间同步机制进行分析研究。
关键词:物联网;网络服务;结构;时间同步机制

        引言:物联网网络当中一项密不可分的组成部分之一便是无线传感器网络,其主要是由监测区域内安设的传感器中各节点互相通信之后,组成的一个多跳自组织网络系统。而随着科学技术水平的不断提高,人们通过物联网中的无线传感器网络可以彻底突破时间与空间的限制,任意获取自身想要的信息。但信息的相互交换离不开时间同步机制的作用,为此,本文将针对基于物联网网络服务的时间同步机制提出几点相关看法,以供参考。
        WSNs技术的简要概述
        设计传感器系统
        工作在WSNs中的传感器节点大多需要高效的WSNs网络模型以及操作系统等用于完成部分系统设计。其中的操作系统需要与传感器平台进行默契配合,借助拥有距离较短、消耗功率较低等特点的无线通信技术将其作为WSNs的无线通信平台[1]。而在存储数据方面,目前主要使用的存储方式为以数据为中心的存储,这一存储方式具备良好的通信效率,且仅需消耗较少的能力。
        可支持网络服务
        WSNs技术下对传感器节点的有效协调与管控,主要是通过配置、处理传感器节点及其控制服务得以实现,而基于能量、资源利用等方面下的网络服务则使得整体物联网的性能均得以有效增强。尤其是在配置传感器节点方面能够实现对能量、带宽等众多资源的优化分配、而网络覆盖度、定位则是节点配置最为主要的两大应用方面,其中覆盖度能够在很大程度上决定着传感器配置节点的具体数量、位置等。而明确感知数据节点位置或是对发生事件的方位进行定位则是WSNs技术当中的一项基本技术,在此基础上由数据管理以及控制服务负责保障物联网网络安全、实现时间同步甚至跨层优化服务等等。
        网络通信协议
        在翻阅众多关于WSNs通信协议栈的研究我们可以发现,绝大多数专家学者的关注点放置在网络层、传输层以及数据链路层当中,尤其是对三者之间的跨层交互给予较高的重视度。其中的数据链路层主要是利用访问和控制介质的方式完成底层基础结构的建立任务,以此实现对节点工作模式的有效控制[2]。而网络层当中,主要是通过协议决定用于对信息传输路径进行感知,传输层的存在则负责保障源节点、目的节点当中的数据真实可靠。下表为WSNs技术的总结:

 

 

基于物联网网络服务的时间同步机制
时钟偏移
        在WSNs技术下的物联网时间同步机制主要使用时钟偏移和时钟漂移的方式完成时钟补偿。所谓的时钟偏移主要指的是在某一个真实的时刻,节点时钟与理想时钟在时间方面的具体差值。如果节点时钟与理想时钟符合公式: 那么我们可以认为在某一时刻下,节点i与节点k实现同步。其中也被看做是允许的一个小正数[3]。假设在这一过程当中会产生即最大经验误差值,那么在区域内接收节点所收集得到的全部时间戳数据集则为S={}并且其将分别聚集在m个集合()当中,公式可以对集合中心点进行确定。其中物联网网络当中的任意集合用表示,t则代表着当中的可靠数据量。在计算区域内接受时间戳时,中心点与数据点的误差和可以利用公式,其中和的时间差值就是,而最终求取的数值M则对数据是否真实起到直接的决定作用,一般情况下,M值越小越代表数据真实可靠。在将M进行数学的迭代优化之后可以将和过滤数据进行比较,寻找并过滤掉其中误差相对较大的同步时间戳信息即可。
        时钟漂移
        所谓的时钟漂移即指的是节点时钟与理想时钟的速率比值,在估计比值的过程当中可以使用线性回归拟合的方式,也就是说可以运用如下公式计算时钟漂移补偿。

        其中拟合参数分别为代表节点频率漂移的v与代表节点初始相位偏差的,而为了进一步验证其有效性,需要对其进行仿真分析。将通信协议值设定为IEEE802.15.4,最大重传次数为3,初始能量为100/J,节点发送和接收功率分别为52.2Ptx/mW与56.4Prx/mW,业务量模型为CBR,数据包发送间隔为0.1到1.0interval/s,数据流为12,仿真时间为500/s[4].在经过分析之后我们可以得知随着节点数目的不断增加,该时间同步算法的能量消耗比较少,即使是在网络规模最大化的情况下也不会消耗超过150mW的能量,因此本文提出的WSNs技术下的物联网网络服务时间同步机制不仅具有良好的同步精度,同时能够充分利用能量,进而突破传统时间同步机制在能量、价格等方面的各项限制。
        结束语:总而言之,在物联网的持续发展之下,信息之间的传输和交换效率变得越来越高,加之其与社会中各领域的融合程度不断加深,使得人们对于其时钟与时间同步的性能也提出了更高的要求。本文结合这一需求,通过对其中的关键技术即WSNs技术进行简单分析,并在此基础上提出了WSNs网络服务时间同步的设想,利用WSNs技术构建出基于物联网网络服务的时间同步机制。但由于研究时间的限制,本文的分析研究还比较浅显,还需要在日后进行进一步的研究与论证。
参考文献:
[1]陈桂芬,王义君. 无线传感器网络跨层服务优化时间同步机制[J]. 光学精密工程,2014,12:3231-3238.
[2]沈苏彬,杨震. 面向物联网的时钟同步体系结构及其标准化研究[J]. 南京邮电大学学报(自然科学版),2015,01:1-18.
[3]陈珍萍,李德权,黄友锐,唐超礼. 无线传感器网络混合触发一致性时间同步研究[J]. 仪器仪表学报,2015,10:2193-2199.
[4]谢昊飞,沈杰,王平,王淮民. WIA-PA网络时间同步误差测试方法与实现[J]. 自动化与仪表,2014,07:24-28.


 

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