TPSN时间同步算法研究
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不同节点晶体振荡不同，存在累
计误差； 受能量、存储、带宽限制； 分布式系统，要求节点必须实现 同步，不同系统要求程度不同。
时间同步要解决的 问题：
保证同步的精度； 尽量小的功耗； 保证网络的可扩展性。
WSN时间同步概述
——时间同步的误差来源
晶体振荡
不同节点的晶体振荡器间存在误差，并且也会受到环境影响，这一误差会随时 间累积。
比如图中的 17 号节点，需要向 8 号节点和 9 号节 点分别进行同步请求。 但这两个节点的反馈包被17号节点接受并进行数 据综合处理后，并不能保证17号节点的同步精度 比单独与一个节点进行时间同步精度更高。 上图示意了 2 跳内的 TPSN 算法，节点的编号 0-1 表示该节点是第 0 层的 1 号节点，1-9 表示该节点是第 1 层的 9 号节点，依此类推。 如果 17 号节点只与 9 号节点同步， 16 号节点只与 7 号 节点同步， 8 号节点便不需要进行时间同步数据包的 接收和回馈工作。以此进行层次间的算法优化。
于客户机——服务器架构。
待同步节点发送时间同步请包，基准节点接收到这一同步请求后反馈自身当前时间，待 同步节点接收到反馈的信息后计算时间偏差并予以调整，完成时间同步。 该类型算法优点在于同步的高精度，而缺点就是节点分层的维护和多次两点间信息交换，
大大增加了能耗。
该种类型的代表性算法是 TPSN 算法、LTS 算法。
TPSN时间同步算法研究
WSN时间同步概述 TPSN时间同步算法
目
录Fra Baidu bibliotek
CONTENTS
一种基于优化拓扑的时间 同步算法N-TPSN
01
WSN时间同步概述
WSN时间同步概述
概念：
各个节点定期或不定期与 其他节点交换本地时钟信 息，并在协议或算法控制 下调整本地时钟，实现全 局时间一致的过程。
WSN为何需要时间同步：
结论：
B 节点根据与 A 节点的时间偏差Δ 同步到 A 节点的时间
TPSN时间同步算法
——优、缺点
优点
在 MAC 层消息开始发送到 无线信道时才添加时间信 标，消除了访问时间带来 的误差； 利用双向交换信息计算消 息的平均时延，精度相对 较高。
缺点
节点失效（尤其是靠近根
节点的节点失效）会导致 同步错误，并在网络扩散； 新节点加入时，需初始化 层次发现步骤，扩展性差； 不适合移动节点或多跳同 步等情况。
03
一种基于优化拓 扑的时间同步算 法N-TPSN
N-TPSN时间同步算法
——问题描述 问题：
无线传感器网络各项技术具有一项共同的性能指标，即能量消耗。 传感器节点除了待机耗能外，几乎所有能量都用来通过无线信道发送和接收数据包。
对于无线传感器网络时间同步算法，也希望降低算法能量损耗
研究方向：
利用这些信息，这些被覆盖的 1 跳节点便能 发现自己与参考节点的时间差值进而同步到 参考节点。以此思路为基础进行单跳层次内 的算法优化设计。
N-TPSN时间同步算法
——算法思想（2）
TPSN 的分层思想是多跳无线传感器网络时间同步算 法中比较科学、先进的解决思想。
TPSN 协议在多跳情况下，下层节点需要向邻近 的每个上层节点进行时间同步请求。
发送节点时延的影响，但缺点在于信息交换次数较多，能耗较大。
该种类型的代表性算法是 RBS 算法。
WSN时间同步概述
——时间同步算法的分类（2） •（2）基于发送者——接收者（Sender--Receiver）的双向时间同步
基于发送者——接收者的双向时间同步算法，类似于传统Internet 中的 NTP协议，即基
WSN时间同步概述
——时间同步算法的分类（3） •（3）基于发送者——接收者（Sender--Receiver）的单向时间同步
基于发送者——接收者的单向时间同步算法，相对于双向的时间同步算法，只需要基准
节点向待同步节点进行单向数据包传递。
主要原理是基准节点广播包含自己节点时间信息的时间同步数据包，待同步节点在接受到 这一数据包后，根据时间戳信息，开始计算数据通信过程中数据包延迟的各个组成部分， 得到时间差值的待同步节点将对这些时延进行补偿，并完成了自己向参考节点的同步。
基于接收者——接收者的时间同步算法，主要利用了无线信道的广播属性。
主要原理是引入一个节点作为辅助节点，由该节点广播一个参考分组，在广播域内的一组
接收节点接收到这个参考分组，通过比较各自接收到消息的的本地时间，实现它们之间的 时间同步。 由于其他节点只需要监听信息而不需要同步到参考节点，该类型算法的优点在于可以避免
时间同步
实现所有树节点的时间同步，第 i 层的 节点与第(i-1)层的一个节点同步，最 终所有节点都能在时间上与根节点同 步，从而实现整个网络的时间同步。
TPSN时间同步算法
——层次发现阶段
该阶段主要工作是把整 个网络进行分层。
01
02
时钟源节点作为根节点，广播级 别发现数据包来启动分层过程。 数据包中包含着节点自身的 ID 和所属层次。
本次算法设计的应用背景是大规模、多跳、弱动 态的无线传感器网络，其单跳拓扑图如图所示， 其中，实线表示 1 跳节点向参考节点发送的时间 同步请求，虚线表示参考节点回馈的数据包。
由于节点密度增大后，某个 1 跳节点（假设 为 A 节点）和参考节点的通信范围内很可能 覆盖其他的 1 跳节点，由于无线信道广播特 性，A 节点和参考节点的数据包交换过程可 以被其他被覆盖的 1 跳节点监听到。
N-TPSN时间同步算法
以单跳内四个节点为例，
——层次内开销优化设计（1）
TPSN 算法的数据包交换流程如图 34 所示，O 为上层节点，A、B、C 均 为下层节点。图中节点按 A、B、C 顺序依次与 O 节点进行时间同步，实 现表示下层节点发送时间同步请求， 虚线表示上层节点回馈。
N-TPSN算法数据包交换流程如图3-5所 示，B、C 节点均在 A 和 O 节点的单跳 范围内，由于无线信道具有广播特性， A 与 O 节点间的数据包交换可以被 B、 C 两个节点监听到。
THANK YOU
每个初次接收到级别发 现数据包的节点需要将 层次加 1 并继续广播， 直到完成整个网络的分 层工作。
04
03
当根节点的邻居收到这一数据包，便
把自己的层次置为 1，并向下继续广 播新的级别发现数据包。
TPSN时间同步算法
——时间同步阶段
d d
A：i 层节点
B：i+1 层节点
TPSN时间同步算法
——时间同步阶段
成本、资源
由于WSN资源受限，通信信道质量不佳时；节点密度大时，易造成延迟和出 错，导致时间误差。
同步协议
需在性能和开销间取得平衡，即用较小的通信代价取得较好的同步效果。
协议执行
信道出错，导致部分节点不能被同步，影响网络的整体时间同步情况。
WSN时间同步概述
——时间同步算法的分类（1） • （1）基于接收者——接收者（Receiver--Receiver）的时间同步
降低在时间同步过程中的数据包交换次数。
N-TPSN时间同步算法
——算法思想（1）
根据 TPSN 算法流程，在网络分层结束同步 过程开始后，每个 1 跳节点需要向参考节点 发送同步请求数据包，等待参考节点回馈后 完成时间差值计算，同步到参考节点； 随着节点数量的增加，节点密度增大，单跳 范围内节点数量变大到 n，在 TPSN 协议中， 此单跳范围内的数据包交换次数为 2n。
该类型算法优点在于算法复杂度低、能耗小，缺点在于同步精度较低。
该种类型的代表性算法是 DMTS 算法和 FTSP 算法。
02
TPSN时间同步算法
TPSN时间同步算法
——主要思想
层次发现 主要思想
采用层次型网络结构，分为层 次发现和时间同步两个阶段。 每一个节点赋予一个层次，第 i 层的 节点至少要能够与第(i-1)层的节点通 信；
——层次间开销优化设计（1）
网络拓扑简化，采用选择最佳邻居的拓扑优化思路，该算法被命名为 best-Neighbor TPSN，即 N-TPSN。
N-TPSN时间同步算法
——层次间开销优化设计（2）
检测 1 跳邻居
保存选中名单
计算 2 跳邻居
计算最佳邻居
1 号节点的 1 跳节点中只有 2、4、6、8 号节点需要 向1 号节点发送时间同步请求数据包，3、5、7、9 号节点只需要进行无线信道的监听。在 1 跳范围内的 节点被同步到 1 号节点之后，2 跳节点只需要向之前 进行了同步数据交换的节点发送请求，即 10、11 节 点只需要向 2 号节点发送时间同步请求数据包。 相对于 TPSN 协议，一方面 3、5、7、9 四个节点节 省了 1 跳范围内时间同步时主动发起的一次数据请求， 另一方面节省了下层节点时间同步时与他们的一次完 整的数据交换。
N-TPSN时间同步算法
1.同步请求 2.上层回馈
——层次内开销优化设计（2）
3.偏差计算
上图可以完成1跳范围内某节点与上层节点通 信范围覆盖的所有节点的时间同步工作，这些 被覆盖的节点只需要监听无线信道并对接收到 的数据包进行分析计算即可，大大降低了 TPSN的算法开销。
4.时间修正
N-TPSN时间同步算法
计误差； 受能量、存储、带宽限制； 分布式系统，要求节点必须实现 同步，不同系统要求程度不同。
时间同步要解决的 问题：
保证同步的精度； 尽量小的功耗； 保证网络的可扩展性。
WSN时间同步概述
——时间同步的误差来源
晶体振荡
不同节点的晶体振荡器间存在误差，并且也会受到环境影响，这一误差会随时 间累积。
比如图中的 17 号节点，需要向 8 号节点和 9 号节 点分别进行同步请求。 但这两个节点的反馈包被17号节点接受并进行数 据综合处理后，并不能保证17号节点的同步精度 比单独与一个节点进行时间同步精度更高。 上图示意了 2 跳内的 TPSN 算法，节点的编号 0-1 表示该节点是第 0 层的 1 号节点，1-9 表示该节点是第 1 层的 9 号节点，依此类推。 如果 17 号节点只与 9 号节点同步， 16 号节点只与 7 号 节点同步， 8 号节点便不需要进行时间同步数据包的 接收和回馈工作。以此进行层次间的算法优化。
于客户机——服务器架构。
待同步节点发送时间同步请包，基准节点接收到这一同步请求后反馈自身当前时间，待 同步节点接收到反馈的信息后计算时间偏差并予以调整，完成时间同步。 该类型算法优点在于同步的高精度，而缺点就是节点分层的维护和多次两点间信息交换，
大大增加了能耗。
该种类型的代表性算法是 TPSN 算法、LTS 算法。
TPSN时间同步算法研究
WSN时间同步概述 TPSN时间同步算法
目
录Fra Baidu bibliotek
CONTENTS
一种基于优化拓扑的时间 同步算法N-TPSN
01
WSN时间同步概述
WSN时间同步概述
概念：
各个节点定期或不定期与 其他节点交换本地时钟信 息，并在协议或算法控制 下调整本地时钟，实现全 局时间一致的过程。
WSN为何需要时间同步：
结论：
B 节点根据与 A 节点的时间偏差Δ 同步到 A 节点的时间
TPSN时间同步算法
——优、缺点
优点
在 MAC 层消息开始发送到 无线信道时才添加时间信 标，消除了访问时间带来 的误差； 利用双向交换信息计算消 息的平均时延，精度相对 较高。
缺点
节点失效（尤其是靠近根
节点的节点失效）会导致 同步错误，并在网络扩散； 新节点加入时，需初始化 层次发现步骤，扩展性差； 不适合移动节点或多跳同 步等情况。
03
一种基于优化拓 扑的时间同步算 法N-TPSN
N-TPSN时间同步算法
——问题描述 问题：
无线传感器网络各项技术具有一项共同的性能指标，即能量消耗。 传感器节点除了待机耗能外，几乎所有能量都用来通过无线信道发送和接收数据包。
对于无线传感器网络时间同步算法，也希望降低算法能量损耗
研究方向：
利用这些信息，这些被覆盖的 1 跳节点便能 发现自己与参考节点的时间差值进而同步到 参考节点。以此思路为基础进行单跳层次内 的算法优化设计。
N-TPSN时间同步算法
——算法思想（2）
TPSN 的分层思想是多跳无线传感器网络时间同步算 法中比较科学、先进的解决思想。
TPSN 协议在多跳情况下，下层节点需要向邻近 的每个上层节点进行时间同步请求。
发送节点时延的影响，但缺点在于信息交换次数较多，能耗较大。
该种类型的代表性算法是 RBS 算法。
WSN时间同步概述
——时间同步算法的分类（2） •（2）基于发送者——接收者（Sender--Receiver）的双向时间同步
基于发送者——接收者的双向时间同步算法，类似于传统Internet 中的 NTP协议，即基
WSN时间同步概述
——时间同步算法的分类（3） •（3）基于发送者——接收者（Sender--Receiver）的单向时间同步
基于发送者——接收者的单向时间同步算法，相对于双向的时间同步算法，只需要基准
节点向待同步节点进行单向数据包传递。
主要原理是基准节点广播包含自己节点时间信息的时间同步数据包，待同步节点在接受到 这一数据包后，根据时间戳信息，开始计算数据通信过程中数据包延迟的各个组成部分， 得到时间差值的待同步节点将对这些时延进行补偿，并完成了自己向参考节点的同步。
基于接收者——接收者的时间同步算法，主要利用了无线信道的广播属性。
主要原理是引入一个节点作为辅助节点，由该节点广播一个参考分组，在广播域内的一组
接收节点接收到这个参考分组，通过比较各自接收到消息的的本地时间，实现它们之间的 时间同步。 由于其他节点只需要监听信息而不需要同步到参考节点，该类型算法的优点在于可以避免
时间同步
实现所有树节点的时间同步，第 i 层的 节点与第(i-1)层的一个节点同步，最 终所有节点都能在时间上与根节点同 步，从而实现整个网络的时间同步。
TPSN时间同步算法
——层次发现阶段
该阶段主要工作是把整 个网络进行分层。
01
02
时钟源节点作为根节点，广播级 别发现数据包来启动分层过程。 数据包中包含着节点自身的 ID 和所属层次。
本次算法设计的应用背景是大规模、多跳、弱动 态的无线传感器网络，其单跳拓扑图如图所示， 其中，实线表示 1 跳节点向参考节点发送的时间 同步请求，虚线表示参考节点回馈的数据包。
由于节点密度增大后，某个 1 跳节点（假设 为 A 节点）和参考节点的通信范围内很可能 覆盖其他的 1 跳节点，由于无线信道广播特 性，A 节点和参考节点的数据包交换过程可 以被其他被覆盖的 1 跳节点监听到。
N-TPSN时间同步算法
以单跳内四个节点为例，
——层次内开销优化设计（1）
TPSN 算法的数据包交换流程如图 34 所示，O 为上层节点，A、B、C 均 为下层节点。图中节点按 A、B、C 顺序依次与 O 节点进行时间同步，实 现表示下层节点发送时间同步请求， 虚线表示上层节点回馈。
N-TPSN算法数据包交换流程如图3-5所 示，B、C 节点均在 A 和 O 节点的单跳 范围内，由于无线信道具有广播特性， A 与 O 节点间的数据包交换可以被 B、 C 两个节点监听到。
THANK YOU
每个初次接收到级别发 现数据包的节点需要将 层次加 1 并继续广播， 直到完成整个网络的分 层工作。
04
03
当根节点的邻居收到这一数据包，便
把自己的层次置为 1，并向下继续广 播新的级别发现数据包。
TPSN时间同步算法
——时间同步阶段
d d
A：i 层节点
B：i+1 层节点
TPSN时间同步算法
——时间同步阶段
成本、资源
由于WSN资源受限，通信信道质量不佳时；节点密度大时，易造成延迟和出 错，导致时间误差。
同步协议
需在性能和开销间取得平衡，即用较小的通信代价取得较好的同步效果。
协议执行
信道出错，导致部分节点不能被同步，影响网络的整体时间同步情况。
WSN时间同步概述
——时间同步算法的分类（1） • （1）基于接收者——接收者（Receiver--Receiver）的时间同步
降低在时间同步过程中的数据包交换次数。
N-TPSN时间同步算法
——算法思想（1）
根据 TPSN 算法流程，在网络分层结束同步 过程开始后，每个 1 跳节点需要向参考节点 发送同步请求数据包，等待参考节点回馈后 完成时间差值计算，同步到参考节点； 随着节点数量的增加，节点密度增大，单跳 范围内节点数量变大到 n，在 TPSN 协议中， 此单跳范围内的数据包交换次数为 2n。
该类型算法优点在于算法复杂度低、能耗小，缺点在于同步精度较低。
该种类型的代表性算法是 DMTS 算法和 FTSP 算法。
02
TPSN时间同步算法
TPSN时间同步算法
——主要思想
层次发现 主要思想
采用层次型网络结构，分为层 次发现和时间同步两个阶段。 每一个节点赋予一个层次，第 i 层的 节点至少要能够与第(i-1)层的节点通 信；
——层次间开销优化设计（1）
网络拓扑简化，采用选择最佳邻居的拓扑优化思路，该算法被命名为 best-Neighbor TPSN，即 N-TPSN。
N-TPSN时间同步算法
——层次间开销优化设计（2）
检测 1 跳邻居
保存选中名单
计算 2 跳邻居
计算最佳邻居
1 号节点的 1 跳节点中只有 2、4、6、8 号节点需要 向1 号节点发送时间同步请求数据包，3、5、7、9 号节点只需要进行无线信道的监听。在 1 跳范围内的 节点被同步到 1 号节点之后，2 跳节点只需要向之前 进行了同步数据交换的节点发送请求，即 10、11 节 点只需要向 2 号节点发送时间同步请求数据包。 相对于 TPSN 协议，一方面 3、5、7、9 四个节点节 省了 1 跳范围内时间同步时主动发起的一次数据请求， 另一方面节省了下层节点时间同步时与他们的一次完 整的数据交换。
N-TPSN时间同步算法
1.同步请求 2.上层回馈
——层次内开销优化设计（2）
3.偏差计算
上图可以完成1跳范围内某节点与上层节点通 信范围覆盖的所有节点的时间同步工作，这些 被覆盖的节点只需要监听无线信道并对接收到 的数据包进行分析计算即可，大大降低了 TPSN的算法开销。
4.时间修正
N-TPSN时间同步算法