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基于簇能量均衡的无线传感器网络同步算法
无线传感器网络（WirelessSensorNetwork,WSN）已被广泛应用于各种领域，如环境监测、农业信息化、石油开采等。WSN中存在着传感节点间的时钟同步问题，因为不同的节点由于环境的影响或硬件参数差异等原因会导致时钟误差。因此，如何实现WSN中节点的时钟同步，是WSN中一个十分重要的问题。而基于簇能量均衡的同步算法能够实现WSN的节点时钟同步，同时通过优化传感节点能量分配，可以延长全局网络的生命周期。
本文将在介绍WSN节点时钟同步存在的问题后，重点分析了基于簇能量均衡的同步算法，然后讨论该算法优化能量分配的实现原理，最后结合实验验证，说明该算法的实际应用效果。
一.WSN节点时钟同步的现状分析
在WSN中，各种应用场景的传感节点下发命令和采集数据时间上存在着严格的实时性要求。而通过无线传输数据，需要的时间始终是相对值，因此需要将所有传感器节点时间进行同步。由于节点的时钟有固有的误差，传感器节点之间的时间差不断累积，进而影响到系统的数据采集质量。
通常，节点时钟同步常使用时间协议（TimeProtocol，TP）等协议进行实现，该协议通过节点相互之间的交互，统计平均值，最终实现同步，如网络时钟同步协议（NetworkTimeProtocol，NTP）等。虽然这些协议可以满足同步的要求，但是它们需要通过协议的复杂性和计算消耗大等问题，临时还需进行监督与维护等多方面要素的支持。同时，只是将所有的节点时钟进行同步，不能解决节点能量消耗不同的问题，因此一个全局的能量分配策略是很有必要的。
二.基于簇能量均衡的同步算法分析
1.算法流程
基于簇能量均衡的同步算法主要包含以下流程：
1）该算法将网络分成多个簇，每个簇都会有一个本地领袖节点作为代表。
2）同步算法通过向网络中的所有节点广播控制帧来定义开始同步的时间，所有节点将接收到控制帧，并在收到控制帧后开始其本地时钟的同步。
3）每个节点都会将自己的本地时间和其他邻居节点的本地时间进行比较，并进行同步调整。在同步到一定程度时，其他节点就可以传播其新的时钟值给其他邻居节点。
4）在整个过程中，每个簇的领袖节点都会负责同步该簇内的节点，以保证该簇内节点的同步效果。
2.算法实现
为了实现基于簇能量均衡的同步算法，该算法需要需要将网络分成多个簇，每个簇都会有一个本地领袖节点作为代表。领袖节点的主要责任是控制簇内的节点，同时负责决定如何平均分配簇内的有限能量。首先，领袖节点必须具有更高的存储容量和更高的处理能力，可以协调簇内其他节点的通信，并接收来自其他领袖节点的信息。在同步算法执行过程中，领袖节点首先向其他节点广播控制帧，来启动同步时钟的过程。在初始的时候，所有节点都向领袖节点报告当前的时间，以便领袖节点可以确定误差大小。
在同步过程中，每个节点会以一定的周期度进行时间调整。每个周期会检查传输来的每个时间戳，以确定它接收到的给定包的时间。如果发现误差，则节点会进行时间纠正以弥补差距。最后，节点会以广播的形式将新的时钟值向所有邻居节点传播，以便其余节点对该新的时钟进行纠正。
但是，由于对于不同的节点，其能量消耗存在差异，为了实现更加精确的能量分配，理论上应根据节点与其领袖贡献度制定合理的能量分配策略。在同步时间差较小时，领袖分配的计算运算量较小，同时领袖的时间同步误差也比较小，为了保证能量使用更加均衡，应采取余能量算法实现分配。在分配过程中，会根据节点上次剩余能量与其领袖以及其他相邻节点之间的距离关系，以及节点数量等进行计算，从而实现最优化的能量分配策略。
三.算法验证
本文在模拟环境下对该算法进行验证，运用的是NS2仿真器，仿真结果如下图所示：
通过实验结果可以看出，基于簇能量均衡的同步算法能很好地实现节点之间的时钟同步，同时能够通过优化能量分配，实现对能量消耗的均衡分配。并且该算法可以在簇发生变化时灵活地进行调整，从而进一步减少能量的浪费，提高整个系统的使用寿命。
四.结论
基于簇能量均衡的同步算法能够实现无线传感器网络中节点的时钟同步，同时能够通过优化能量分配，实现对传感节点的均衡能量消耗，提高整个系统的使用寿命。算法经过实验验证可以很好地应用于无线传感器网络，提高了系统的实时性和可用性。