第七章 时间同步【无线传感网络】
无线传感器网络中的位置和时间同步技术研究
无线传感器网络中的位置和时间同步技术研究随着移动通信、网络技术和微电子技术的迅猛发展，无线传感器网络成为了研究热点之一。
无线传感器网络由很多无线节点组成，这些节点能够采集和处理环境信息，并将处理后的结果传输至网络的其他节点。
在很多应用场景中，无线传感器网络的位置和时间同步是至关重要的。
本文将对无线传感器网络中的位置和时间同步技术进行一些探讨。
一、无线传感器网络的位置同步技术无线传感器网络中的位置同步技术是一项重要的研究内容。
在实际应用中，无线传感器网络一般用于需要定位的环境中，例如，地震采集、环境监测等。
无线传感器网络的位置同步技术可以将无线传感器节点通过计算方法同步，并确定节点的坐标，以便更好地监控所需监测的环境。
目前，常用的位置同步技术主要有两种：一种是基于超声波的技术，一种是基于无线电波的技术。
基于超声波的位置同步技术是通过节点之间相互发送超声波信号来实现同步。
该技术的优点是定位精度高，但需要大量的计算量和复杂的硬件设备。
基于无线电波的位置同步技术是利用无线电波在空气中的传播性质，通过测量信号的到达时间和发射时间来计算距离，并由此推算出节点的位置。
该技术比较简单，并且计算量小，但是定位精度不如基于超声波的技术。
二、无线传感器网络的时间同步技术无线传感器网络中的时间同步技术通常是将每个节点的时钟同步。
有时候，通过同步节点的时钟，可以使得节点之间能够进行有效的通信和协调，从而更好地完成采集和监测的任务。
目前，常见的时间同步技术有两种：一种是基于GPS的技术，一种是基于网络同步协议的技术。
基于GPS的时间同步技术是利用GPS中的时间信号，通过无线传感器节点和GPS接口的连接来实现时间同步。
虽然定位错误率极低，但是成本相对较高，并且无法在某些环境中使用，例如室内。
基于网络同步协议的时间同步技术是通过网络中的一个节点发送时间信号，来对网络中的其他节点的时钟进行校准，并达到时间同步的效果。
该技术的优点是成本较低，形式更加简洁，且支持室内应用。
无线传感器网络中的时间同步技术研究
无线传感器网络中的时间同步技术研究无线传感器网络是由许多小型传感器节点组成的自组织网络，这些节点能够通过无线方式进行通信和数据传输。
在传感器网络中，时间同步是一个重要的研究领域。
准确的时间同步对于许多应用来说至关重要，例如事件定位、数据融合和协调传感器节点的行为。
因此，无线传感器网络中的时间同步技术的研究变得尤为重要。
无线传感器网络中的时间同步技术的目标是使网络内所有节点的时钟相互同步，以确保节点在同一时间点上进行操作和通信。
然而，由于传感器节点之间的通信受到无线信号的干扰和传播延迟等问题的影响，实现准确的时间同步是一项具有挑战性的任务。
目前，主要有两种方法用于实现无线传感器网络中的时间同步：基于硬件的方法和基于协议的方法。
首先，基于硬件的方法通过使用具有高精度时钟和呈线性增加的稳定性的震荡器来提供时间同步。
这种技术通常会增加传感器节点的成本和能耗，并且只适用于小规模传感器网络。
然而，基于硬件的方法可以提供很高的时间同步精度，并且不受网络延迟和通信干扰的影响。
另一种方法是基于协议的方法，它使用分布式算法来实现时间同步。
这些算法通常利用节点之间的通信和相对时延信息来进行同步。
一种常用的基于协议的时间同步算法是基于根节点的时间同步，其中一个节点被指定为根节点，其他节点通过与根节点的通信来同步时间。
这种方法适用于大规模传感器网络，并且可以通过调整与根节点通信的延迟来实现时间同步。
此外，一种被广泛使用的基于协议的时间同步算法是基于时隙的算法，例如时隙同步协议（Time-Slotted Synchronization Protocol）。
在时隙同步协议中，时间被划分为时隙，节点在特定的时隙内进行通信和数据传输。
通过对时隙进行调整，节点之间的时钟可以实现同步。
这种算法适用于动态网络环境，并能够在节点加入或退出网络时进行自适应。
除了上述方法，还有一些其他的时间同步技术正在被研究和开发。
例如，一些研究人员探索使用GPS（全球定位系统）来提供高精度的时间同步。
无线传感器网络时间同步
无线传感器网络时间同步无线传感器网络是由许多分布式传感器节点组成的，这些节点能够自组织通信，以收集数据和感知环境。
由于这些节点必须协作，因此它们必须具有准确的时钟以便能够对数据或事件进行同步。
无线传感器网络时间同步旨在协调网络中的每个节点以确保它们具有相同的时间参考。
它是网络内数据可靠性和完整性的基础，因为许多应用程序需要使用时间戳和顺序号来正确处理数据。
但是，在无线传感器网络中实现时间同步是具有挑战性的，因为节点的时钟精度可能受到环境条件和硬件偏差的影响。
下面是一些目前用于无线传感器网络时间同步的主要协议和技术：1. 基于发送时间戳的时间同步协议基于发送时间戳的时间同步协议是最常见的无线传感器网络时间同步协议。
在这种协议中，每个节点在发送消息时将当前时间戳附加到消息中。
接收方使用其本地时钟的当前值与时间戳比较以计算往返时延，并校准它的时钟。
该协议的优点是它的实现简单易用；缺点是由于时间戳的传输，它无法在所有情况下达到足够准确的时间同步。
2. 基于跳数的时间同步协议基于跳数的时间同步协议利用无线传感器网络中节点之间的跳数来进行时间同步。
假设网络中的所有节点都具有相同的无线电发射时间，并且在发出时间信号后，将该信号转发到所有相邻节点。
通过测量传输时间和跳数，节点可以确定其当前时间偏差，并进行时间同步。
该协议需要更高的能量消耗以维护节点之间的同步。
3. 时钟插值算法时钟插值算法是一种通用的时间同步方法，它使用数学插值来改进节点时钟的准确性。
它的基本思想是，每个节点保留它在本地的最后一次时间同步，然后通过使用两个时间同步点之间的本地振荡分组来估计其本地钟差。
这种方法需要节点能够记录更多的历史时间同步信息，并需要更复杂的算法来计算时钟偏差。
4. 时间同步协议中的校准方法为了提高时间同步协议的准确性，一些校准方法被加入其中，例如跨层反馈校准、以及基于信号速率不变性原则的校准方法。
这些校准方法可以帮助减少噪声和误差，提高时间同步协议的准确性和可靠性。
无线传感器网络中的时钟同步技术研究
无线传感器网络中的时钟同步技术研究时钟同步在无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSNs）中具有重要意义。
WSNs由大量分布在监测区域内的低功耗无线传感器节点组成，这些节点通常被用于采集环境数据、感知事件并将其传输到控制中心。
在这些应用中，节点之间的时钟同步对于数据的准确采集和时间序列分析至关重要。
本文将介绍无线传感器网络中的时钟同步技术研究。
传感器网络中的时钟同步问题主要包括全局时钟同步和局部时钟同步两种。
全局时钟同步是指在整个网络中节点的时钟被调整到一致，而局部时钟同步是指在一些子区域内的节点的时钟被调整到一致。
全局时钟同步的目标是使得网络中的所有节点的时钟误差在可接受的范围内。
在WSNs中，节点的时钟通常由晶振产生，而晶振的频率不同会导致节点之间时钟的不一致。
为了实现全局时钟同步，研究者们提出了许多时钟同步算法，包括Flooding Time Synchronization Protocol (FTSP)、Reference Broadcast Synchronization (RBS)、Timing-sync Protocol for Sensor Networks (TPSN)等。
FTSP是一种基于洪泛的时钟同步协议，节点通过广播消息来同步时钟。
RBS通过引入参考节点的方式来实现时钟同步，参考节点将时间信息广播给其他节点。
TPSN是一种树型拓扑的时钟同步协议，通过树状的时间戳广播来实现节点的时钟同步。
局部时钟同步的目标是在一部分子区域内使得节点的时钟保持一致。
局部时钟同步在许多应用场景中都是非常重要的，比如在无线传感器网络中的事件检测、协同通信等。
为了解决局部时钟同步问题，研究者们提出了一些具有高效性和可扩展性的时钟同步算法，比如PairwiseBroadcast Synchronization (PBS)、Gradient-based Time Synchronization Protocol (GTSP)等。
无线传感器网络时
三种基本同步机制：RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN。 传统网络时间同步 时间同步问题在局域网和Intemet范围内都有所研 究，像GPS和无线测距等技术已经用于提供网络的 全局同步。能够保证Interact的钟协调的复杂协议如 NTP也以及被提出来。但是，在传感器网络这个领 域里，时间同步的要求有相当大的区别。无线传感 器网络结构庞大、密度高，通常包含成千上万的传 感器节点。处理这样高密度的网络，需要能够适应 大规模的时间同步算法。同时，由于节点电池寿命 的限制，节能也是一个主要的考虑因素。
右图则是接收者-接收者同步机制，其关键路径大为缩短，完 全排除了发送时间和访问时间的影响。
RBS中是通过广播同步信标分组实现接收节点之间 的相对时间同步，信标分组本身并不需要携带任何 时标，不依赖于信标的发送时间。 由于无线信道的广播特性，信标分组相对所有接收 节点而言同时发送到物理信道上，这样就除去发送 时间和访问时间引入的时间同步误差。 对于传播时间，RBS只关心各个接收节点之间消息 传播时间的差值。对于射频信号来说，传播时间差 值非常小，RBS忽略了传播时间带来的时间偏差。
影响RBS机制性能的主要因素包括接收节点间的时 间速率、接收节点非确定因素和接收节点的个数等。 为提高时间同步精度，RBS机制采用了统计技术， 通过发送节点发送多个消息，获得接收节点之间时 间差异的平均值。 对于时间速率问题，采用最小方差线性拟合，直线 斜率就是两个节点的时间速率，直线上的点表示节 点间的时间差异。 RBS的缺点是对网络有一定的要求，它不适合点对 点通信的网络，且要求网络有物理广播信道。
数据进行处理后才能获得目标的移动方向、速度等信息，这 就要求相关的传感器节点采集的数据在时间上是相关的。无 线传感器网络中的多数节点是无人职守的，仅携带有少量有 限的能量，为了延长网络的使用期限，网络中的节点大部分 时间处于定时休眠状态，为了能协同完成工作任务，节点必 须进行协同休眠，这也要求节点具有准确的时间同步。波束 成型阵列在确定声源的位置时，需要计算多个传感器接收到 的信号的相位差，这要深圳市接收到的数据是同步的。在无 线传感器网络的应用中，为了减少网络的通信量以降低能耗， 往往将传感器节点采集到的数据进行必要的融合处理，进行 这些处理的前提是网络中的节点具有相同的时间标准。 由于 无线传感器网络自身的能量、体积、价格、技术等方面的约 束，研究满足无线传感器网络同步精度的时间同步机制，具 有很重要的理论和实践价值。
关于无线传感器网络的时间同步技术探究
关于无线传感器网络的时间同步技术探究无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSN）是由大量分布在空间中的无线传感节点组成的自组织、自适应的网络系统，它们可以感知、控制、处理和通信。
由于无线传感器网络中的节点大多是由电池供电的，节点之间的通信和定位等操作需要耗费大量的能量，因此能源是无线传感器网络中的一个关键问题。
在无线传感器网络中，为了实现网络的正常运行和协调工作，各个节点需要保持时间同步，以便协调节点之间的通信和数据处理。
时间同步技术是无线传感器网络中的重要研究方向之一，它主要解决无线传感器网络中各个节点间的时钟同步问题，以确保网络中各个节点的时间都是一致的。
时间同步技术对于无线传感器网络中的数据处理、事件协调、能源管理等方面都具有重要的意义。
在本文中，将探讨关于无线传感器网络的时间同步技术的研究现状和发展趋势，并分析其在实际应用中存在的挑战和解决方法。
无线传感器网络中的时间同步技术可以分为两大类：基于内部时钟和基于外部时钟的时间同步技术。
基于内部时钟的时间同步技术是指通过网络内部的通信和消息传递来实现节点之间的时间同步；而基于外部时钟的时间同步技术则是指通过外部时钟源（如GPS卫星）来为网络中的节点提供统一的时间基准。
具体的时间同步技术包括：全局时间同步和局部时间同步、基于时戳和基于握手等。
在无线传感器网络中，由于节点之间的通信具有不确定性和随机性，导致了节点之间的通信延迟和时钟漂移，因此要实现时间同步需要解决一系列技术难题，包括通信延迟补偿、时钟漂移校准、误差估计和误差补偿等。
目前，常见的时间同步算法有：Reference Broadcast Synchronization（RBS）、Timing-Sync Protocol for Sensor Networks（TPSN）、Flooding Time Synchronization Protocol（FTSP）等。
关于无线传感器网络的时间同步技术探究
关于无线传感器网络的时间同步技术探究无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）已经被广泛应用于环境监测、农业、医疗等各种领域。
在WSN中，时间同步技术是一个关键性问题，它可以用来进行协调和通信的时间戳比较，从而实现更加精确和高效的数据传输和计算。
在无线传感器网络中，每个无线传感器节点都是独立的，因此它们之间的时钟并不同步。
如果任意两个传感器节点都有各自不同的时间，那么将导致数据的混乱和错误。
例如，当我们通过两个传感器节点来测量某个事件的时间差时，如果两个传感器节点时间并不同步，测量结果就没有意义。
因此，时间同步技术对于无线传感器网络的应用非常重要。
在传感器网络中，有两种不同的时间同步技术：硬件同步和软件同步。
硬件同步指的是通信设备可以使用精确的外部参考将其时钟与其他通信设备同步，例如使用GPS（全球定位系统）信号来同步设备的时钟。
软件同步是指通过网络通信来达到时间同步，即在网络中通过时间同步协议来协调各个传感器节点之间的时钟。
常见的时间同步协议有以下几种。
1.NTP （网络时间协议）NTP是一种广泛应用的时间同步方案，它能够同步网络中的各个设备的时钟。
通过NTP，设备可以通过互联网或专用网络接收时间同步信息。
NTP通过将设备的时钟与网络中已知的参考时钟进行比较，调整设备的时钟，从而实现设备之间的时间同步。
3.TDDS （时态分布式同步协议）TDDS是一种分布式的时间同步协议，是基于时态理论的一种时间同步算法。
TDDS能够在传感器节点之间高效地同步时间，具有高精度、高可靠性、易于实现和灵活性等优点。
TDDS采取分布式同步方式，节点之间的同步通过消息传递实现，克服了中心节点同步方式的单点故障问题。
同时，TDDS采用链式校正技术，避免了周期性重同步，可实现长时间的时钟同步。
因此，TDDS被广泛应用于无线传感器网络中的时间同步。
时间同步是无线传感器网络中一个重要的技术，传感器网络的各种应用都需要进行时间同步。
无线传感器网络中的时间同步与路由技术
无线传感器网络中的时间同步与路由技术无线传感器网络（WSN）是由许多分布在广阔区域的无线传感器节点组成的网络。
这些节点能够感知并收集环境中的数据，并将其传输到指定的目标节点。
时间同步和路由技术是使得无线传感器网络正常运行的两个关键方面。
时间同步是指在无线传感器网络中对所有节点的时间进行同步，确保节点之间的数据收集和传输在一个统一的时间参考下进行。
在实际应用中，无线传感器节点通常是通过无线信号相互通信的，而无线信号传输有不可忽视的时间延迟。
如果节点之间的时间不同步，就会导致节点之间的通信出现问题，从而影响数据的准确性和有效性。
无线传感器网络中的时间同步技术可以分为两种类型：基于外部时钟的同步方法和基于节点自身的同步方法。
基于外部时钟的方法利用外部时钟源（例如，全球定位系统）作为时间的参考，将各个节点的本地时钟与外部时钟进行同步。
这种方法的优势在于能够实现高精度的时间同步，但是需要额外的硬件和复杂的安装过程。
基于节点自身的方法则通过节点之间的相互通信来实现时间同步，节点通过相互交换数据包来调整自身的时钟。
这种方法的优势在于简单易用，但是时间同步精度较低。
路由技术是指在无线传感器网络中确定数据从源节点到目标节点的传输路径。
由于传感器节点通常分布在广阔的区域中，节点之间的通信距离有限，因此需要选择合适的路由路径来确保数据的可靠传输。
常用的路由技术包括单播路由、多播路由和广播路由等。
单播路由是指将数据从源节点传输到目标节点的最短路径，目标节点为单一节点。
在选择单播路由时，通常会考虑节点的能量消耗、网络拓扑结构和网络负载等因素，以实现高效的数据传输。
多播路由是指将数据从源节点传输到多个目标节点的路径。
多播路由通常用于需要将数据广播到多个接收节点的场景，例如多个节点需要共享某些数据的情况下。
广播路由是指将数据从源节点向网络中的所有节点广播的路径。
广播路由通常用于向网络中的所有节点发送控制信息或者同步时间信息等。
无线传感器组网-时间同步技术
传输延迟的进一步细化
时间 Send time & Receive time Access time Transmission time & Reception time Propagation time 典型值 0~100ms 10~500ms 10~20ms <1μs（距离<300米） 特性 不确定，依赖处理器负载、操 作系统系统调用开销 不确定，依赖信道负载。 确定，依赖报文长度和发送速 率。 确定，依赖收发方物理距离和 传播媒质特性。
思考
• 为什么需要时间同步？
• 时间同步能解决什么问题？
CSMA/CA协议需要严格的时间同步
根据CSMA/CA协议，当节点要传输一个分组时，它首先侦听信道状 态。如果信道空闲，而且经过一个帧间间隔时间DIFS后，信道仍然空
闲，则站点立即开始发送信息。如果信道忙，则站点始终侦听信道，
直到信道的空闲时间超过DIFS。当信道最终空闲下来的时候，节点进 一步使用二进制退避算法，进入退避状态来避免发生碰撞。
Interrupt waiting time
Encoding time & Decoding time Byte alignment time
在大多数情况下<5μs，在重 负载下，可达30μs
100~200μs，<2μs的抖动 0~400μs
不确定，依赖处理器类型和处 理器负载。
确定，依赖射频芯片的种类和 设置。 确定，依赖发送速率和收发字 节偏移。
关键问题：时钟模型
• 硬件时钟模型 • 软件时钟模型
硬件时钟模型
• 基本名词
– 时间、晶振、时钟（RTC） – 时钟偏移（clock offset）：是指两个时钟瞬时读数的差。晶振计时 的时刻与实际时刻的差值，反映计时的准确性 – 时钟率偏移（Clock Skew）：是指两个时钟的频率差。它可以看作 是Clock offset的一阶导数。 – 时间漂移(Clock Drift)：是指时钟频率的变化，反映晶振的稳定性。 实际晶振的频率有可能随着外界环境温度、湿度的变化而有所改变 。Clock Drift可以看作是Clock offset的二阶导数。
第七章 时间同步【无线传感网络】
其他协议
TMSP的时间同步技术 TSMP中的节点定期进行时间更新 TSMP应用于规模不大的无线MESH网络，加之其是 基于TDMA的协议，所以其时间同步精度较高；由于 充分利用了ACK消息等通信机制，因此同步的通信开 销也不大。
其他协议
LTS时间同步协议 基于树形结构的轻量级同步协议依靠树形分层结构 进行全网的时间同步，类似于TPSN。 LTS的多跳同步机制包含两种方式：集中式和分布式。
TSync同步协议 TSync是一个混合式协议。该协议结合了基于树的同 步方法和类似RBS的接收者——接收者同步模式。因 此，TSync实际包含两个协议：分层索引时间同步协 议和独立时间请求协议
无线传感器网络wirelesssensornetworks202092第七章时间同步tpsnrbsftsptmspltstsync内容提要wsn时间同步技术背景在无线传感器网络中每个传感器节点都有各自的时钟为了正常进行协调工作满足上层应用和其他协议的要求节点间必须进行时间同步
无线传感器网络
Wireless Sensor Networks
• RBS协议不是去同步报文的收发双方，而是去同步报文的 多个接收者。
RBS
• RBS中是通过广播同步信标分组实现接收节点之间的相对 时间同步，信标分组本身并不需要携带任何时标，不依 赖于信标的发送时间。
• 由于无线信道的广播特性，信标分组相对所有接收节点 而言同时发送到物理信道上，这样就除去发送时间和访 问时间引入的时间同步误差。
• 集中式系统与分布式系统
• 集中式：事件间有着明确的时间先后关系，不存在同步问题 • 分布式：同步是必需的，只是对同步的要求程度不同
无线传感器网络中的时间同步算法研究
无线传感器网络中的时间同步算法研究无线传感器网络（WSN）已成为一种广泛应用于各种领域的技术，如环境监测、农业、医疗保健等。
WSN 由大量的低功耗无线传感器节点组成，它们可以采集和传输环境数据，但是它们必须在时间上同步。
这是因为它们在数据传输和协议执行时必须遵守时间限制。
时间同步算法成为 WSN 中最重要的问题之一。
时间同步算法可以使 WSN 的节点具有相同的时间戳，以确保数据在整个网络中的一致性和准确性。
它们在各种应用程序中都是必不可少的，如追踪，定位，无线电源控制等。
在 WSN 中，时间同步算法可以分为两类：分布式算法和集中式算法。
分布式算法是每个节点在一组邻居节点上同步时间，而集中式算法是由集中的基础时间同步协调器（例如 GPS 卫星）向所有节点广播时间。
分布式时间同步算法使用局部信息来同步时间，这使得节点可以在不依赖中心化同步协调器的情况下实现同步。
这更适合在可靠性和可扩展性方面受限制的环境中使用。
这些算法可以分为三个类：时基、基于事件和混合。
时基同步算法的基本思想是使用全局时钟周期，这通常由在线时间同步的节点集合中的一些准确节点生成。
所有其他节点同步到这些节点，从而实现整个网络的时间同步。
这两个节点之间的同步是通过周期性地交换同步消息来实现的。
基于事件的时间同步算法采用事件触发模型。
当传感器节点检测到某些特定事件时，它们将发出时间消息，这些消息将跨节点传递。
通过比较消息的发送时间和接收时间，节点可以正确地计算整个网络的同步时间。
混合算法将时基和事件同步结合在一起。
在这种情况下，节点首先同步它们的时钟到某些参考节点，然后使用基于事件的同步来使它们的时钟更准确。
然而，在实际的 WSN 中，时间同步面临许多挑战。
每个节点的振荡器频率不同，因此在相同的时间内，它们的时间戳也有所不同。
此外，传输延迟、消息丢失和节点故障等因素也会影响时间同步的准确性。
为了克服这些问题，近年来已经提出了很多新的时间同步算法。
第7章 时间同步
第7章 时间同步
第7章 时间同步
2．WSN时间同步协议(TPSN)
TPSN(Timing-Sync Protocol for Sensor Networks)算法[8]是Ganeriwal等 人提出的适用于WSN整个网络范围内的时间同步算法。该算法分两步：分级 和同步。第一步的目的是建立分级的拓扑网络，每个节点有个级别。只有一 个节点定为零级，叫做根节点。在第二步，i级节点与i-1级节点同步,最后所 有的节点都与根节点同步,从而达到整个网络的时间同步。 （1）分级 （2）同步
第7章 时间同步
3．HRTS(Hierarchy Referencing Time Synchronization Protocl) 和BTS 2004年Dai.H提出的HRTS[13]是在TPSN模型和RBS模型基础上演变出来 的一种时间同步算法,当一个节点发时间请求的时候，所有的相关节点都收到 请求，并记录接到请求的本地时间。例如O发M1进行时间同步的请求，K、P 节点都接到请求，他们记录收到请求时的本地时间，其中K节点和O进行信息 交互，计算出K、O节点间的时间偏此时K、P根据接收到的时间信息，进行 时间信息的同步 。
第7章 时间同步
7.1.2 算法设计的影响因素 第一，传感器节点需要彼此并行操作和协作去完成复杂的传感任务。数据 融合是这种并行操作的实例，不同的节点收集的数据集合为一个有意义的结 果。例如，在车辆跟踪系统中，传感器节点记录车辆的位置和时间并传送给 网关节点，然后结合这些信息估计车辆的位置和速度。很明显，如果传感器 节点缺乏统一的时间戳(也就是说没有同步)，估计将是不准确的。 第二，许多节能方案是利用时间同步来实现的。例如，传感器可以在适当 的时候休眠(通过关闭传感器和收发器进入节能模式)，在需要的时候再唤醒。 当应用这种节能模式的时候，节点应该在同等的时间休眠和唤醒，也就是说 当数据到来时，节点的接收器并没有关闭。这个需要传感器节点间精确的定 时。调度算法，例如TDMA，能够通过不同的时隙共享信道，进而去估计传 输阻塞和保存能量。因此，同步是信道调度的基础。
无线传感器网络时钟同步技术
与外部的时间表（如UTC ）同步 Nodes i=1, ..., n are accurate at time t within bound d when |Li(t) – t|<d for all i 因此，至少有一个节点具有外部的时间表
无外部的时间表, 所有节点具有公共时间表 Nodes i=1, ..., n agree on time within bound d when |Li(t) – Lj(t)|<d for all i,j
Nodes are switched on at random times, phases θi hence can be random随机打开的节点的相位也是随机的 Actual oscillators have random deviations from nominal frequency (drift, skew)实际的振荡器与标准的频率之间有一定的随机偏差 Deviations are specified in ppm (pulses per million), the ppm value counts the additional pulses or lost pulses over the time of one million pulses at nominal rate The cheaper the oscillators, the larger the average deviation For sensor nodes values between 1 ppm (one second every 11 days) and 100 ppm (one second every 2.8 hours) are assumed, Berkeley motes have an average drift of 40 ppm Oscillator frequency depends on time (oscillator aging) and environment (temperature, pressure, supply voltage, ...)振荡器的频率会随着使用期限、温度等因素而出现偏差 Especially the time-dependent drift rates call for frequent re-synchronization, as one-time synchronization is not sufficient However, stability over tens of minutes is often a reasonable assumption
关于无线传感器网络的时间同步技术探究
关于无线传感器网络的时间同步技术探究无线传感器网络（WSN）是由大量分布在空间中的节点组成的一种无线网络。
在传感器节点中，每个节点都能够感知周围环境的信息，并且能够通过与其他节点通信，将这些信息传输到网络中的其他节点或者基站。
由于无线传感器网络节点具有分散部署和资源有限等特点，导致网络中的节点之间的时钟不同步，这样的时钟不同步将会对传感器网络中的数据融合，协同定位等应用产生严重的影响。
对于无线传感器网络而言，时间同步是非常重要的研究内容之一。
一、时间同步的基本概念时钟同步是指使得网络中的各个节点的时钟能够保持一致，或者能够相对于某一个基准时钟保持一定的稳定关系。
在无线传感器网络中，有两种时间同步的方法：全局时间同步和相对时间同步。
全局时间同步是指使得网络中的节点的时钟与全局的时钟保持一致。
全局时间同步需要通过网络中的基站向所有节点发送时间信息，节点接收到时间信息后，进行时钟校准，以达到时钟同步的目的。
全局时间同步的精度较高，但是需要大量的通信开销和能量开销。
相对时间同步是指网络中的节点之间不需要绝对的时间同步，而是保持相对的时间关系。
相对时间同步的方法多采用一种称为“时隙”（slot）的方式来进行，即将时间分为固定长度的时隙，节点在接收到同步信息后，按照时隙进行同步。
相对时间同步的方法相对而言更加灵活，通信能量开销小，但是同步的精度较低。
二、现有的时间同步技术1. 基于GPS的时间同步技术全球定位系统（GPS）是一种利用卫星进行定位的技术，通过接收来自多颗卫星的信号，可以确定接收器所在的位置和时间。
许多无线传感器网络的时间同步方法都是基于GPS的。
在这种方法中，网络中的节点通过接收来自GPS卫星的时间信号，进行时钟校准，以达到时间同步的目的。
基于GPS的时间同步方法可以实现较高的同步精度，但是需要额外的GPS接收器和天线，成本较高，且需要在开阔地带才能接收到GPS信号。
随着无线传感器网络的不断发展，时间同步技术也在不断的完善和改进。
关于无线传感器网络的时间同步技术探究
关于无线传感器网络的时间同步技术探究无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSNs）是由大量分布在监测区域内的无线传感器节点组成的网络，用于感知和收集环境信息，并将数据传输到指定的目的地。
在无线传感器网络中，节点之间的时间同步是一项关键技术，可以保证节点之间的数据协同处理，提高网络性能和可靠性。
传统的时间同步技术主要是利用GPS信号进行节点的时间同步，但是在室内环境或者无法获取到GPS信号的地方，这种方法无法满足要求。
研究人员提出了一系列针对无线传感器网络的时间同步技术。
一种常用的时间同步技术是基于节点之间的时间对比和调整。
节点之间可以通过无线通信相互交流时间信息，并根据接收到的时间信息进行时间同步。
这种方法的核心思想是通过计算时延来估计节点之间的时间偏差，并以此调整节点的本地时钟，使得节点之间的时间保持一致。
在时间同步技术的研究中，还有一种被广泛探究的方法是利用无线信号的传播速度进行时间同步。
通过测量无线信号的传播时间，节点可以估计出节点之间的时间差，并以此进行时间同步。
这种方法不需要全局的时间对比，适用于大规模的无线传感器网络。
还有一些针对特定应用场景的时间同步技术。
在一些密集化的无线传感器网络中，可以利用多跳传输的方法进行时间同步，通过多个节点之间的信息交换，实现时间同步。
在一些涉及到位置感知的应用中，也可以利用节点之间的相对位置信息进行时间同步。
无线传感器网络的时间同步技术是保证节点之间数据协同处理的关键技术之一。
目前已经有多种时间同步技术被提出并应用于不同的应用场景中。
未来，随着技术的不断发展，时间同步技术将会更加智能化和精确化，为无线传感器网络的应用提供更好的支持。
无线传感网络中的时间同步技术
无线传感网络中的时间同步技术随着物联网技术不断发展，传感器的应用越来越广泛，这也使得传感器的要求变得越来越高。
在许多物联网应用中，传感器必须协调它们的行动，以获得准确的信息。
时间同步技术是必不可少的，它可以使得多个传感器之间的测量和数据传输同步，从而使得信息的准确性更高。
在无线传感网络中，时间同步是一个特别重要的技术。
时间同步技术的目的是使得多个节点在某个特定的时间值上进行测量和数据传输，从而提高数据采集的精度。
在无线传感网络中，不同节点之间的时间同步对于整个系统的可靠性和正确性非常重要。
由于传感器节点之间的距离有限，信息传输的时间差异非常微小，因此传感器节点之间的时间同步可以通过准确的时钟同步实现。
为了在无线传感网络中实现时钟同步，需要使用一种协议来协调节点之间的时钟，从而使得它们在某个特定的时间值上进行测量和数据传输。
主流的时间同步协议包括两种类型：分布式协议和中心化协议。
分布式协议适用于大规模传感器网络，其特点是基于节点之间的对等通信，不依赖于中心节点。
常见的分布式协议有RBS（Reference broadcast synchronization）和TPSN （Timing-sync protocol for sensor networks）。
中心化协议则适用于小规模传感器网络，其特点是依赖于中心节点的通信。
常见的中心化协议有FTSP（Flooding time synchronization protocol）和GTSync（Global time synchronization protocol）。
每一种协议都有其特点，应该根据具体应用来选择。
无线传感网络中的时间同步技术还存在一些问题，如节点的不稳定性、移动性、节点能源的限制等，这些问题都会影响到时间同步的效果。
为了解决这些问题，需要采用一定的措施和技术。
例如，使用多种传感器测量数据来消除误差，使用智能算法优化时间同步结果，节点之间建立多条路径来保证同步效果等。
无线传感器网络中的时间同步与协调技术研究
无线传感器网络中的时间同步与协调技术研究随着科技的进步和无线通信技术的发展，无线传感器网络成为连接物联网设备的重要环节。
在无线传感器网络中，时间同步和协调技术的研究和应用，对于网络的性能和可靠性至关重要。
本文将探讨无线传感器网络中的时间同步和协调技术的研究进展，并介绍其在不同应用领域中的重要性和挑战。
无线传感器网络是由大量的无线传感器节点组成的网络，这些节点负责采集、处理和传输环境数据。
在无线传感器网络中，时间同步和协调技术的研究旨在使网络中的节点能够在相同的时间基准下，与其他节点进行协作和信息交换，以实现高效的数据采集和传输。
时间同步技术是无线传感器网络中的基础技术之一。
通过时间同步，网络中的各个节点可以根据相同的时钟基准进行协调。
时间同步可以用于精确的数据采集、数据处理和事件触发。
现有的时间同步技术主要包括基于射频信号的同步和基于内部时钟的同步。
前者通过接收射频信号，实现节点之间的时间同步；而后者是通过节点自身的时钟同步来实现。
尽管时间同步技术得到了广泛的研究和应用，但在无线传感器网络中实现精确的时间同步仍然面临着一些挑战。
首先，无线传感器网络中的节点通常分布在不同的地点，并且受到环境干扰和信号传输延迟的影响，导致时间同步的精度和准确性受到限制。
其次，由于网络中的节点具有有限的计算和存储资源，时间同步协议必须具备高效低能耗的特点。
此外，网络中节点的能源有限，时间同步协议设计还要考虑能源的有效利用。
除了时间同步技术，无线传感器网络中的协调技术也是关键的研究方向之一。
协调技术旨在解决网络中节点之间的冲突、竞争和资源分配等问题，提高网络的性能和可靠性。
常见的协调技术包括路由协议、功率控制、链路调度和传输优化等。
这些协调技术可以帮助节点选择最佳的路径，减小网络拥塞，提高数据传输效率，从而提高整个网络的性能。
时间同步和协调技术在无线传感器网络的应用领域中起到至关重要的作用。
例如，智能交通系统中的车辆定位、交通流量控制和事故检测都需要精确的时间同步和协调技术。
无线传感器网络的时钟同步与时间同步方法介绍
无线传感器网络的时钟同步与时间同步方法介绍无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量分布式的传感器节点组成的网络系统，用于收集、处理和传输环境中的各种信息。
在WSN中，节点之间的时钟同步和时间同步是非常重要的，它们对于网络的可靠性和性能起着关键作用。
本文将介绍WSN中常用的时钟同步和时间同步方法。
一、时钟同步方法1. 基于全局时间戳的方法基于全局时间戳的方法是一种简单且易于实现的时钟同步方法。
该方法通过引入一个全局时间戳来同步节点的时钟。
每个节点在启动时，通过接收其他节点发送的时间戳信息来更新自己的时钟。
然而，这种方法的精度较低，容易受到网络延迟和通信不可靠性的影响。
2. 基于时间同步协议的方法基于时间同步协议的方法是一种更为高级的时钟同步方法。
它通过引入专门的时间同步协议来实现节点之间的时钟同步。
常见的时间同步协议包括Network Time Protocol（NTP）、Precision Time Protocol（PTP）等。
这些协议通过在网络中的特定节点上进行时间同步，然后将同步的时间信息传播给其他节点，从而实现整个网络的时钟同步。
二、时间同步方法1. 基于事件触发的方法基于事件触发的时间同步方法是一种常用的时间同步方法。
该方法通过节点之间的事件触发来实现时间同步。
当一个节点在某个事件发生时，它会向其他节点广播该事件的时间戳，其他节点通过接收到的时间戳来更新自己的时钟。
这种方法可以在节点之间实现较高的时间同步精度，但是对于事件的触发条件和时间戳的传输有较高的要求。
2. 基于时钟漂移的方法基于时钟漂移的时间同步方法是一种更为精确的时间同步方法。
该方法通过测量节点时钟的漂移率来实现时间同步。
每个节点在启动时，会通过与其他节点的时间比较来估计自己的时钟漂移率，并根据漂移率来调整自己的时钟。
这种方法可以实现较高的时间同步精度，但是需要节点具备较高的计算能力和通信能力。
无线传感网 -第7章 同步技术
B4
B3
B2
B1
A2
A3
A4
A1
t2
Mini-sync算法是为了克服Tiny-sync算法中丢失有用数据点的缺点而提出的， 该算法建立约束条件来确保仅丢掉将来不会有用的数据点，并且每次获取新 的数据点后都更新约束条件。
7.4 TPSN时间同步协议
7.4 TPSN时间同步协议
TPSN时间同步协议类似于传统网络的NTP协议，目的是提供传感
（4）NTP协议需要频繁交换信息，来不断校准时钟频率偏差带来的误差。并通过复杂的修 正算法，消除时间同步消息在传输和处理过程中受到的非确定因素干扰，CPU使用、信道侦 听和占用都不受任何约束。而传感网存在资源约束，必须考虑能量消耗。
7.1.2 传感网时间同步协议的特点（2）
另外，GPS系统虽然能够以纳秒级的精度与世界标淮时间UTC保
7.1.2 传感网时间同步协议的特点（3）
目前几种成熟的传感网时间同步协议是：RBS（Reference Broadcast Synchronization，RBS)、Tiny-sync/Mini-Sync和TPSN(Timing sync Protocol for Sensor Networks，TPSN) 。 RBS同步协议的基本思想是：多个节点接收同一个同步信号，然后在多个收到同步信 号的节点之间进行同步。这种同步算法消除了同步信号发送方的时间不确定性。RBS 同步协议的优点是时间同步与MAC层协议分离，它的实现不受限于应用层是否可以获 得MAC层时间戳，协议的互操作性较好。这种同步协议的缺点是协议开销较大。 Tiny-sync/Mini-sync是两种简单的轻量级时间同步机制。这两种算法假设节点的时钟 漂移遵循线性变化，因此两个节点之间的时间偏移也是线性的，通过交换时标分组来 估计两个节点间的最优匹配偏移量。为了降低算法的复杂度，通过约束条件丢弃冗余 分组。 TPSN时间同步协议采用层次结构，能够实现整个网络节点的时间同步。所有节点按 照层次结构进行逻辑分级，表示节点到根节点的距离，通过基于发送者—接收者的节 点对方式，每个节点与上一级的一个节点进行同步，最终所有节点都与根节点实现时 间同步。
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时间同步协议
• 无线传感器网络的时间同步协议按照同步机制的不同可 以分为以下几种类型:
• 分层与平面模式 • 绝对时间与相对时间模式 • 发送者-接收者与接收者-接收者模式
• 评价一个时间同步协议的可以参考以下性能参数
• 最大误差、同步时间、同步范围、效率和硬件代价
TPSN
• 传感器网络时间同步（Timing-Sync Protocol for Sensor Ne tworks，TPSN）协议采用分层结构，利用发送者-接收者 之层间次进发0行现层-根成和节点对时的间同同步步工阶作段。协议工作过程包括两个阶段：
对于时间速率问题，采用最小方差线性拟合，直线斜率就是两个节点的 时间速率，直线上的点表示节点间的时间差异。
RBS
RBS的缺点
• 对网络有一定的要求，它不适合点对点通信的网络， 且要求网络有物理广播信道。
• 扩展性不好，不能很好地应用到大规模的多跳网络 中。RBS有很大的交换次数，对于具有，2个节点的 单跳网络，需要O(n2)的消息交换，如果n很大时， 消息交换开销是相当大的，导致节点的计算开销也 非常之大。
低能耗：在保证性能的前提下，其消耗的能量应该越 小越好。
NTP（Network Time Protocol）
体系结构（网络）NTP（Netwo来自k Time Protocol）
• 体系结构（单机）
NTP（Network Time Protocol）
• NTP不适合于WSN • 体积、计算能力和存储空间存在限制 • 传输方式不同：无线而非有线 • 目标不同：局部最优而非全局最优
• 集中式系统与分布式系统
• 集中式：事件间有着明确的时间先后关系，不存在同步问题 • 分布式：同步是必需的，只是对同步的要求程度不同
• 需要解决的问题
• 同步精度、功耗、可扩展性
时间同步技术(传统同步：NTP与GPS)
在设计时间同步机制时，需要考虑以下几方面因素： 扩展性：时间同步机制应能适应不同的网络场景； 稳定性：时间同步机制要保持连续性和同步的精度； 鲁棒性：保持机制的健壮性； 收敛性：时间同步机制应能在较短的时间内达成节点 时间的同步
进行补偿 • 对clock skew的补偿仍采用最小二乘法
其他协议
TMSP的时间同步技术 TSMP中的节点定期进行时间更新 TSMP应用于规模不大的无线MESH网络，加之其是 基于TDMA的协议，所以其时间同步精度较高；由于 充分利用了ACK消息等通信机制，因此同步的通信开 销也不大。
其他协议
• RBS协议不是去同步报文的收发双方，而是去同步报文的 多个接收者。
RBS
• RBS中是通过广播同步信标分组实现接收节点之间的相对 时间同步，信标分组本身并不需要携带任何时标，不依 赖于信标的发送时间。
• 由于无线信道的广播特性，信标分组相对所有接收节点 而言同时发送到物理信道上，这样就除去发送时间和访 问时间引入的时间同步误差。
LTS时间同步协议 基于树形结构的轻量级同步协议依靠树形分层结构 进行全网的时间同步，类似于TPSN。 LTS的多跳同步机制包含两种方式：集中式和分布式。
TSync同步协议 TSync是一个混合式协议。该协议结合了基于树的同 步方法和类似RBS的接收者——接收者同步模式。因 此，TSync实际包含两个协议：分层索引时间同步协 议和独立时间请求协议
• 对于传播时间，RBS只关心各个接收节点之间消息传播时 间的差值。对于射频信号来说，传播时间差值非常小，R BS忽略了传播时间带来的时间偏差。
RBS
影响RBS机制性能的主要因素包括接收节点间的时间速率、接收节点非 确定因素和接收节点的个数等。
为提高时间同步精度，RBS机制采用了统计技术，通过发送节点发送多 个消息，获得接收节点之间时间差异的平均值。
1层
2层
TPSN
节点A
T2
T3
Request
Reply
节点B T1
(T 2 T1) (T 4 T 3) 2
时间同步阶段
同步点 T4
TPSN使用了类似NTP的双向握手机制：
理论分析和实验证明：TPSN同步误差是RBS的一 半
结合对clock skew的估计，可以提高TPSN的精度
RBS
• 能耗高，RBS中接收节点之间进行相互同步，但自 身并不与发送节点同步；需要另外一个节点作为参 照广播发射节点，这导致了相当高的能耗。
多跳RBS
时间路由技术：基于最短路径查找
FTSP
同步精度高、工程实用性强、强调实现细节 MAC层时间戳技术
• 和平台直接相关
基本同步原理
• 发送者--接收者同步 • 单个报文中包括多个时间戳（在报文的不同位置） • 根据单个报文中的多个时间戳，可对中断等待时间
无线传感器网络
Wireless Sensor Networks
第七章 时间同步
2020/8/22
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内容提要
• 时间同步技术 • 时间同步协议
• TPSN、RBS、FTSP、TMSP、LTS、TSync
WSN时间同步技术背景
• WSN时间同步技术背景
• 在无线传感器网络中，每个传感器节点都有各自的时钟，为了正常进行 协调工作，满足上层应用和其他协议的要求，节点间必须进行时间同步。