无线传感网 -第7章 同步技术..
无线传感器网络技术内容
第一章物联网：通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
无线传感器网络综合了计算技术、通信技术及传感器技术，其任务是利用传感器节点来监测节点周围的环境，收集相关数据，然后通过无线收发装置采用多跳路由的方式将数据发送给汇聚节点，再通过汇聚节点将数据传送到用户端，从而达到对目标区域的监测。
无线传感器网络通常包括传感器节点、汇聚节点和任务管理节点。
典型的无线传感器网络结构包括哪几部分？一般情况下由以下四个基本单元组成：数据采集单元、控制单元、无线通信单元以及能量供应单元。
无线传感器网络基本节点拓扑结构可分为基于簇的分层结构和基于平面的拓扑结构两种选择题：无线传感器网络可实现数据的采集量化，处理融合和传输应用，具有无线自组织网络的移动性、电源能力局限性，规模大、自组织性、动态性、可靠性、以数据为中心等等。
第2章无线传感器网络物理层的传输介质主要包括电磁波和声波。
无线电波、红外线、光波等负责使在两个网络主机之间透明传输二进制比特流数据成为可能，为在物理介质上传输比特流建立规则，以及在传输介质上收发数据时定义需要何种传送技术。
无线传感器网络物理层接口标准对物理接口具有的机械特性、电气特性、功能特性、规程特性进行了描述。
作为一种无线网络，无线传感器网络物理层协议涉及传输介质以及频段的选择、调制、扩频技术方式等，同时实现低能耗也是无线传感器网络物理层的一个主要研究目标。
IEEE 802.15.4 该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为关键目标，旨在个人或者家庭范围内不同设备之间建立统一的低速互连标准。
有16个信道工作于2.4GHz ISM频段，2.4GHz频段提供的数据传输速率为250kb/s，对于高数据吞吐量、低延时或低作业周期的场合更加适用有1个信道工作于868MHz频段以及10个信道工作于915MHz频段。
无线传感器网络时间同步技术研究
ｃ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ． ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱａ ａ ｔ ｒｓ ｉｓ
ＫＥＹＷ ＯＲ ＤＳ ｗ ｉｅｅ ｓ ｓ ｎ ｏ ｔ ｏ ｋ， ｔｍ ｅ ｓ ｃ ｏｎｉａ ｉ ｒ ｌｓ ｅ ｓ ｒ ｎｅ ｗ ｒ ｉ ｙｎ ｈｒ ｚ ｔｏｎ， ｓ ｃ ０ ｚ ｉ ｌ ｒｔ ｓ ｙｎ ｈｒ ｎｉａｔｏｎ ａｇｏ ｉｈｍ
间同步 的精 度 不会 出现大 的波 动 。 ④ 精确 性 ： 传感 器 网络 是根据 应 用配 置 的 ， 同 的 不
应 用对 时 间同步 的精 度 要求 也是 不 同的 。对 于某些 应 用， 只需 要知 道事 件发 生 的先 后顺 序就 可 以 了 ， 而对 于 另 外 的 一 些应 用 （ ： 如 测距 、 速 等） 则 需要 比较精 确 测 ，
评 价 一 个无 线 传 感 器 网络 时 间 同步算 法 的性 能 ，
一
⑥ 寿命 ： 间 同步 算 法 提 供 的 同步 时 间 可 以是 瞬 时
的时间 同步 。
不 能 满足无 线传感 器 网络 的要求 。 年来 ， 近 国内外许 多 大学 和研究 机构都 对 此进 行 了深入 研究 并 提 出了 多种
基 于无线 传 感 器 的 时间 同 步机 制 ， 不 同方 面满 足 传 从 感 器 网络 的应 用需 要 。本论 文 就是对 无 线传 感器 网络
无线传感网中的数据同步与一致性算法研究
无线传感网中的数据同步与一致性算法研究在现代社会，物联网技术得到了发展，无线传感网成为了物联网中不可或缺的一部分。
而在无线传感网中，数据同步与一致性算法则是非常重要的研究方向。
本文将从数据同步与一致性算法的概念、发展历程、现有技术和未来发展方向等方面进行论述。
一、概念数据同步和一致性算法是指在一个分布式系统中多个节点之间共享数据时保证数据更新正确性的算法。
其目标是确保各个节点之间的共享数据保持一致性。
因为数据在分布式系统中可能会同时被多个节点同时修改，因此数据的不一致性和错误问题就会发生。
解决这个问题就需要数据同步和一致性算法的支持，以确保数据在所有节点之间的一致性和正确性。
二、发展历程数据同步和一致性算法起源于20世纪60年代。
那时分布式系统并不普及，因此数据同步和一致性算法属于比较理论性的研究领域。
70年代随着分布式计算机技术的发展，数据同步和一致性算法开始逐渐应用于实际开发中。
80年代以后，随着计算机网络技术的飞速发展，数据同步和一致性算法越来越重要。
一些先进的数据同步和一致性算法，例如2PC、3PC，Paxos算法、RAFT算法，都先出现实验室中。
但是，这些算法往往不易实现，并且在分布式系统的规模较大时会存在性能问题。
三、现有技术目前，应用比较广泛的算法有2PC（Two-phase commit）和3PC（Three-phase commit）、Paxos算法、RAFT算法等。
这些算法都是具备良好的可扩展性，并且能够保证数据同步和一致性。
但是，这些算法都存在性能问题，特别是在规模较大的系统中更为明显。
因此，相当多的研究人员和机构致力于研究和开发更好的数据同步和一致性算法。
四、未来发展方向在未来，数据同步和一致性算法将更加注重实现的效率和性能。
为了解决现有算法可能存在的性能问题，一些新技术的应用不断被研究，例如基于 quorum 的算法、快照隔离协议（Snapshot isolation protocol）、MVCC（Multi-Version Concurrency Control）等新技术都表现出了良好的应用前景。
无线传感器网络题
《无线传感器网络》一、填空题(每题4分，共计40分）1.传感器网络的三个基本要素：传感器、感知对象、用户(观察者)传感器网络的基本功能:协作式的感知、数据采集、数据处理、发布感知信息无线传感器节点的基本功能：采集数据、数据处理、控制、通信2.常见的同步机制:RBS(Reference Broadcast Synchronization)，Ting/Mini-Sync和TPSN（Timing—sync Protocol for Sensor Networks）3.无线通信物理层的主要技术包括：介质选择、频段选取、调制技术、扩频技术4.定向扩散路由机制可以分为三个阶段：兴趣扩散阶段、梯度建立阶段、数据传播阶段、路径加强阶段5.无线传感器网络特点：大规模网络、自组织网络、可靠的网络、以数据为中心的网络、应用相关的网络无线传感器网络的关键技术主要包括:网络拓扑控制、网络协议、时间同步、定位技术、数据融合及管理、网络安全、应用层技术6.IEEE 802。
15.4标准主要包括:物理层、介质访问控制层7.简述无线传感器网络后台管理软件结构与组成：后台管理软件通常由数据库、数据处理引擎、图形用户界面和后台组件四个部分组成8.数据融合的内容主要包括:多传感器的目标探测、数据关联、跟踪与识别、情况评估和预测9.无线传感器网络可以选择的频段有：868MHz 、915MHz、2。
4GHz、5GHz10.传感器网络的电源节能方法：休眠(技术)机制、数据融合11.传感器网络的安全问题：（1）机密性问题 (2) 点到点的消息认证问题 (3) 完整性鉴别问题12.基于竞争的MAC协议S-MAC协议 T—MAC协议 Sift协议13.传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成14.故障修复的方法基于连接的修复基于覆盖的修复15.基于查询的路由定向扩散路由谣传路由二、问答题（每题10分，共计60分）1.简述无线传感器网络系统工作过程，传感器节点的组成和功能.无线传感器网络(WSN）是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络,目的是协作地采集、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户。
无线传感器网络的时间同步技术
维普资讯
２０ 第 ４期 ０７年
舰 船 电 子 工 程
相互不允 许校 正 。一 级钟 源 的任 务 就是 将 时 间信 息 向第 二层 的钟 源 或 客户 发 布 。Ｎ Ｐ的基 本 原 理 Ｔ
如图 １ 示。 所
般采用 集 中发布方 式 ， 即系统 内的 时间服务器通 过
Ｎ Ｐ的工作模 式有 主／ 动对称 模式 、 户／ Ｔ 被 客 服 务器模 式 和广播模 式三种 。主／ 被动对 称模式 是一
对一 的连接 ， 双方 均 可 同步 对 方 或被 对方 同步 ， 先
发 出 申请建 立连接 的一方 工作 在 主动模式下 ， 另一 方 工作 在被 动模式 下 ； 客户／ 服务 器模 式与 主／ 被动 对称模 式基 本相 同 ， 一 的 区别 在 于 ， 户 方可 被 唯 客 服务器 同步 ， 服 务器 不 能被 客户 同步 ； 播模 式 但 广 是一对 多 的连接 ， 服务器不 论客 户工作 在何种 模式 下， 主动发 出时 间信 息 ， 客户 ．此 信 息调 整 自己 的 由 时间 ， 时 网络 延 时忽略 ， 此 因此在 准度 上有损失 ， 但
时钟 同步 的协议 ， 能实现 网络上 高精度 的计算 机 它 校时， 但它 是计算 密集 型 的 ， 具有很 大 的计算 开销 。 Ｎ Ｐ的 目的是在 国 际互 联 网上传递 统一 、 准 的时 Ｔ 标
间。具体的实现方 案是在 网络 上指定若干时钟源 网站， 为用户提供授 时服务 ， 并且这些网站 问应该 能够相互比对 ， 提高准确度。Ｎ Ｐ已经成为解决有 Ｔ 线 网络环境 中时 间 同步 问题 的标准 。
Ｔ＼ ｌ
Ｔ４ ．
．
Ｔ２ Ｔ３
２ 现有 的网络时间同步技术
[答案][北京理工大学]2021春《无线传感器网络》在线作业
![[答案][北京理工大学]2021春《无线传感器网络》在线作业](https://img.taocdn.com/s3/m/3241762b89eb172dec63b75d.png)
1.无线传感网络集成开发平台MeshIDE是面向()中间件所开发的辅助中间件平台软件。
A.ImpalaB.DswareC.DFuseD.DisWare答案：D2.在设计点对点(AdHoc)模式的小型无线局域时，应选用的无线局域网设备是()A.无线网卡B.无线接入点C.无线网桥D.无线路由器答案：A3.()技术是一种面向自动化和无线控制的低速率、低功耗、低价格的无线网络方案。
A.WANB.AdhocC.ZiggbeeD.TinyOS答案：C4.一个基本服务集BSS中可以有()个接入点AP。
A.0或1B.1C.2D.任意多个答案：B5.传感器节点通信模块的工作模式有()、接收和空闲。
A.发送B.启动C.认证D.互联答案：A6.无线局域网采用直序扩频接入技术，使用户可以在()GHz的ISM频段上进行无线Internet连接。
A.2.0B.2.4C.2.5D.5.0答案：B7.无线传感器网络路由设计通过()提高生命周期。
A.降低节点能源消耗B.缩小节点的体积C.减小节点的数量D.拓补结构答案：A8.传感器节点的能耗主要集中在()模块。
A.连接B.电池C.通信D.传感答案：C9.与无线传感器网络的兴起无关的技术是()A.虚拟运营技术B.无线通信C.片上系统(SOC)D.低功耗嵌入式技术答案：A10.与传统网络相比，WSN路由协议设计原则之一是()A.能量优先B.安全优先C.收敛速度优先D.可靠性优先答案：A11.设计WSN中的MAC协议的主要目标，包括()A.节省能量B.可扩展性C.网络安全D.网络效率答案：ABD12.无线传感器网络的基本要素包括()A.传感器B.感知对象C.无线APD.观察者答案：ABD13.无线传感器网络的产业化障碍包括()A.大规模组网问题B.大规模组网问题实用化低功耗技术C.微型化加剧信号串扰D.可靠性提高资源需求答案：ABCD14.下面哪些属于传感器网络的支撑技术()A.定位技术B.节能管理C.时间同步D.数据融合答案：ACD15.无线传感器网络的组成模块分为()A.通信模块B.传感模块C.计算模块D.存储模块和电源模块答案：ABCD16.以下关于无线城域网WMAN的描述中正确的是()A.数据帧B.控制帧C.管理帧D.监视帧答案：ACD17.以下关于卫星网络的描述中，正确的是()A.通信距离远B.通信频带宽C.传输延迟小D.通信线路可靠答案：ABD18.下面哪些属于限制传感器网络的条件?()A.电源能量有限B.通信能力受限C.环境受限D.计算和存储能力受限答案：ABD19.下面哪些属于无线传感器网络的路由协议具有的特点?()A.能量优先B.基于局部拓扑信息C.以数据为中心D.预算相关答案：ABC20.以下关于物联网的描述中，正确的是()A.物联网以互联网为基础，无线网络为补充B.与WSN相比，物联网更强调对被感知物的管理C.物联网的核心网络结构为自组织网络D.物联网的两大特征为泛在化和智能化答案：ABD21.无线传感器网络路由设计的首要任务是：移动模式下高服务质量的提供。
无线传感器网络支撑技术第六章
05
非视线关系：传感器网络的两个节点之间存在障碍物，影响了它们直接的无线通信。
01
衡量定位性能有多个指标：
02
位置精度
03
覆盖范围
04
刷新速度
05
功耗等。
06
覆盖范围和位置精度是一对矛盾性的指标。
07
刷新速度是指提供位置信息的频率。
3、定位性能的评价指标
我们将各种传感器直接给出的信息称作源信息，如果传感器给出的信息是已经数字化的信息，就称作源数据，如果给出的是图像就是源图像。源信息是信息系统处理的对象。
但在另外一些领域，如商业上的小区无线安防网络，军事上的传感器网络等，则对数据的采样、传输过程，甚至节点的物理分布重点考虑安全问题，很多信息都不能让无关人员或者敌方人员了解。
传感器网络安全问题的解决方法与传统网络安全问题不同，主要原因如下： 有限的存储空间和计算能力 缺乏后期节点布置的先验知识 布置区域的物理安全无法保证 有限的带宽和通信能量 侧重整个网络的安全 应用相关性
数据融合技术的分类
传感器网络的数据融合技术可以从不同的角度进行分类，这里介绍三种分类方法： 依据融合前后数据的信息含量分类； 依据数据融合与应用层数据语义的关系分类； 依据融合操作的级别分类。
01
02
根据融合操作的级别分类
数据级融合 数据级融合是最底层的融合，操作对象是传感器采集得到的数据，因而是面向数据的融合。
数据融合的基本目的是通过融合得到比单独的各个输入数据更多的信息。这一点是协同作用的结果，即由于多传感器的共同作用，使系统的有效性得以增强。
传感器网络中数据融合的作用
数据融合的主要作用可归纳为以下几点： (1) 提高信息的准确性和全面性。 (2) 降低信息的不确定性。 (3) 提高系统的可靠性。 (4) 增加系统的实时性。 (5) 节省整个网络的能量；
无线传感器网络的关键技术
传感器网络的关键技术无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点，涉及多学科交叉的研究领域，有非感常多的关键技术有待发现和研究，下面仅列出部分关键技术。
1、网络拓扑控制对于无线的自组织的传感器网络而言，网络拓扑控制具有特别重要的意义。
通过拓扑控制自动生成的良好的网络拓扑结构，能够提高路由协议和MAC协议的效率，可为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面奠定基础，有利于节省节点的能量来延长网络的生存期。
所以，拓扑控制是无线传感器网络研究的核心技术之一。
传感器网络拓扑控制目前主要研究的问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点的选择，剔除节点之间不必要的无线通信链路，生成一个高效的数据转发的网络拓扑结构。
拓扑控制可以分为节点功率控制和层次型拓扑结构形成两个方面。
功率控制机制调节网络中每个节点的发射功率，在满足网络连通度的前提下，减少节点的发送功率，均衡节点单跳可达的邻居数目；已经提出了COM POW等统一功率分配算法，LINT／LIL T和LM N／LMA等基于节点度数的算法，CBTC、LMST、RNG、DRNG 和DL SS等基于邻近图的近似算法。
层次型的拓扑控制利用分簇机制，让一些节点作为簇头节点．由簇头节点形成一个处理并转发数据的骨干网，其他非骨干网节点可以暂时关闭通信模块，进入休眠状态以节省能量；目前提出了Top Disc成簇算法，改进的GAF虚拟地理网格分簇算法，以及LEACH和HEED等自组织成簇算法。
除了传统的功率控制和层次型拓扑控制，人们也提出了启发式的节点唤醒和休眠机制。
该机制能够使节点在没有事件发生时设置通信模块为睡眠状态，而在有事件发生时及时自动醒来并唤醒邻居节点，形成数据转发的拓扑结构。
无线传感器网络技术概述-2019年精选文档
无线传感器网络技术概述-2019年精选文档-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII无线传感器网络技术概述无线传感器网络被普遍认为是二十一世纪最重要的技术之一，是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，是由传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成的网络。
在无线传感器网络中各传感器节点能够相互协作完成感知、采集网络覆盖区域内的各种环境或监测对象的信息，对这些信息进行处理，以获得详实而准确的信息，并通过无线多跳方式传送给需要这些信息的用户[2]。
可以说由计算机技术、传感器技术、无线通信技术相结合产生的无线传感器网络实现了物理世界、信息世界与人类社会三元世界的连通，将会对人类社会的生产和生活产生深远而积极的影响。
一、无线传感网络的体系结构（一）传感器节点结构。
无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点以无线多跳通信方式形成的自组织网络系统，其中的传感器节点能够协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给用户。
无线传感器网络中最基本的组成要素是传感器节点，它由数据采集单元、处理器单元、数据传输单元和能量供应单元四部分组成[2]。
如图1所示。
数据采集单元负责监测区域内信息的采集和数据转换，借助形式多样的传感部件，传感器节点能够感知温度、湿度、噪声、移动物体的大小、速度和方向等信息。
处理单元负责控制整个传感器节点的操作、存储和处理数据信息。
数据传输单元负责与其他传感器节点交换控制信息和传输采集到的数据信息。
能量供应单元为传感器节点各部件提供运行所需的能量，通常采用微型电池。
（二）网络体系结构。
无线传感器网络的体系结构如图2所示，通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点[1]。
大量传感器节点随即部署在监测区域内部或附近，以自组织的方式构成网络。
传感器节点产生的数据以不同的路由方式沿着其他传感器节点逐跳传输，在传输的过程中，可能被多个节点处理，然后传输到汇聚节点。
无线传感器网络技术ppt课件
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11
模拟调制和数字调制
数字调制是用数字基带信号对高频载波的 某一参量进行控制，使高频载波随着数字 基带信号的变化而变化。目前通信系统都 在由模拟制式向数字制式过渡，因此数字 调制已经成为了主流的调制技术。
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数字调制
幅度
频率
相位
通过调节三个参数可以表达信息
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幅度调制 Amplitude shift keying e.g. MICA TR1000
-110(2.4kBaud)
19.7 250k -25~0 -94(250kBaud1)9
物理层帧结构
4B
1B
1B
前导码
SFD 帧长度（7位） 保留位
同步头
帧的长度，最大为128B
可变长度 PSDU
PHY负荷
前导码：第一个字段，其字节数一般取4， 收发器在接收前导码期间会根据前导码序列 的特征完成片同步和符号同步，当然字节数 越多同步效果越好，但那需要更多的能量消 耗。
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15
直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)
跳频(Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS)
跳时(Time Hopping Spread Spectrum, THSS)
宽带线性调频扩频(chirp Spread Spectrum, chirp-SS，简称切普扩频)。
提供传送数据的通路 传输数据 其他管理功能
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PPDU数据
Bit to Symbol Symbol to Chip
Modulator RF信号
2
物理接口标准
通常物理接口标准对物理接口的四个特性进行了描述：
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
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。
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1．TPSN协议的操作过程
TPSN协议假设每个传感器节点都有唯一的标识号ID，节点间的无线通信链路是双向的，通过双向的消息 交换实现节点间的时间同步。TPSN协议将整个网络内的所有节点按照层次结构进行管理，负责生成和维 护层次结构。很多传感网依赖网内处理，需要类似的层次型结构，如TinyDB需要数据融合树。这样，整个 网络只需要生成和维护一个共享的层次结构。TPSN协议包括如下两个阶段。第一个阶段生成层次结构， 每个节点部被赋予一个级别，根节点被赋予最高级别第0级，第级的节点至少能够与一个第（）级的节点通 信；第二个阶段实现所有树节点的时间同步，第1级节点同步到根节点，第级的节点同步到第（）级的一个 节点，最终所有节点都同步到根节点，实现整个网络的时间同步。下面详细说明该协议的两个阶段的实施 细节。
t1
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
NIC
接收者1
接收者2
关键路径
7.2 RBS同步机制（2）
RBS机制中不是通告发送节点的时间值，而是通过广播同步参考
分组来实现接收节点间的相对时间同步，参考分组本身不需要携
带任何时标，也不需要知道是何时发送出去的。
影响RBS机制性能的主要因素包括接收节点间的时钟偏差（时钟
歪斜）、接收节点的非确定性因素、接收节点的个数等等。
无线传感网时间同步机制的意义和作用主要体现在如下两方面。
首先，传感器节点通常需要彼此协作，去完成复杂的监测和感知任务。
数据融合是协作操作的典型例子，不同的节点采集的数据最终融合并形成一个有意义的结果。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，并传送给网关汇聚节点，然后结合 这些信息来估计车辆的位置和速度。如果传感器节点缺乏统一的时间同步，则对车辆的位置估计 将是不准确的。
其次，传感网的一些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，在需要的时候再被唤醒。在应用这种节能模式的时候，网 络节点应该在相同的时间休眠或被唤醒，也就是说在数据到来时，节点的接收器并没有关闭。在 这里，传感网时间同步机制的设计目的，是为网络中所有节点的本地时钟提供共同的时间戳。
最后节点1在收到应答消息时产生时间戳tr，利用这些时间戳的绝对顺序和上面 的等式可以得到下面的不等式：
t0 (t ) a12tb (t ) b12 tr (t ) a12tb (t ) b12
三个时间戳（t0、tb、tr）叫做数据点，Tiny-sync和Mini-sync利用这些数据点 进行工作。随着数据点数目的增多，算法的精确度也提高。 每个数据点遵循相对漂移和相对偏移的两个约束条件。
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。
网全网范围内节点间的时间同步。
在网络中有一个节点可以与外界通信，从而获取外部时间，这种 节点被称为根节点。根节点可装配诸如GPS接收机这样的复杂硬
件部件，并作为整个网络系统的时钟源。
TPSN协议采用层次型网络结构，首先将所有节点按照层次结构进 行分级，然后每个节点与上一级的一个节点进行时间同步，最终 所有节点都与根节点的时间同步，节点对之间的时间同步是基于 发送者——接收者的同步机制。
为了提高时间同步的精度，RBS机制采用了统计技术，通过多次 发送参考消息，获得接收节点之间时间差异的平均值。对于时钟 偏差问题，采用了最小平方的线性回归方法进行线性拟合，直线 的斜率就是两个节点的时钟偏差，直线上的点就表示节点间的时 间差。
7.3 Tiny-sync/mini-sync同步机制
7.3 Tiny-sync/mini-sync同步机制(3)
图7-3描述了数据点加在a12和b12上的约束。Tiny-sync中每次获得新的数据点时，首 先和以前的数据点比较，如果新的数据点计算出的误差大于以前数据点计算出的 误差，则抛弃新的数据点，否则就采用新的数据点，而抛弃旧的数据点。这样时 间同步总共只需要存储三到四个数据点，就可以实现一定精度的时间同步。
t1
数据点2 数据点1
数据点3
tr1
b12
a12 a12
t 01
b12
b12
a12
tb1
t2
7.3 Tiny-sync/mini-sync同步机制(4)
图7-4所示，在收到(A1,B1)和(A2,B1)后，计算出频偏和相偏的估计值，在收到数据点(A3,B3)之 后，约束A1、B1、A3、B3被储存，A2、B2被丢弃了，但是后来接收到数据点(A4,B4)可以 和(A2,B2)联合而构成更好的估计，但是此时(A2,B2)已经丢弃，只能获得次优估计。
第二个阶段被称为“同步阶段”。在层次结构建立以后，根节点通过广播时间同步分组启动同步阶段。第 1 级节点收到这个分组后，各自分别等待一段随机时间，通过与根节点交换消息同步到根节点。第2级节点侦 听到第1级节点的交换消息后，后退和等待一段随机时间，并与它在层次发现阶段记录的第1个级别的节点 交换消息以进行同步。等待一段时间的目的是保证第2级节点在第1级节点的时间同步完成后才启动消息交 换。最后每个节点与层次结构中最靠近的上一级节点进行同步，从而使所有节点都同步到了根节点。
7.2 RBS同步机制
RBS协议是基于接收者和接收者时间同步机制的代表协议，基本原理如图所示。 发送节点广播一个参考（reference）分组，广播域中两个节点都能够接收到这 个分组，每个接收节点分别根据自己的本地时钟记录接收到reference分组的时 刻，然后交换它们记录的reference分组的接收时间。 两个接收时间的差值相当于两个接收节点间的时间差值，其中一个节点根据这个 时间差值更改它的本地时间，从而达到两个接收节点的时间同步。
第7章 同步技术
7.1 时间同步的意义和特点 7.2 RBS同步机制 7.3 Tiny-sync/mini-sync同步机制 7.4 TPSN时间同步协议 7.5 时间同步的应用示例 7.6 本章小结
7.1 时间同步的意义和特点
7.1.1 传感1.1 传感网时间同步的意义
无线传感网的同步管理主要是指时间上的同步管理。
在分布式的无线传感器网络应用中，每个传感器节点都有各自的本地时钟。 不同节点的晶体振荡器频率存在偏差，干扰等也会造成节点之间的运行时 间的偏差。分布式系统的协同工作需要节点间的时间同步。
时间同步机制是分布式系统基础框架中的一个关键机制。 在分布式系统中，时间同步涉及“物理时间”和“逻辑时间”两个不同 的概念。
第一阶段被称为“层次发现阶段”。首先，在网络部署后，根节点通过广播“级别发现”分组，启动层次 发现阶段。级别发现分组包含发送节点的ID和级别。根节点的邻居节点收到根节点发送的分组后，将自己 的级别设置为分组中的级别加1，即为第1级，建立它们自己的级别，然后广播新的级别发现分组，其中包 含的级别为1。节点收到第i级节点的广播分组后，记录发送这个广播分组的节点ID，设置自己的级别为 （），广播级别被设置为（）的分组。这个过程持续进行，直到网络内的每个节点都被赋予了一个级别。 节点一旦建立自己的级别，就忽略任何其他级别的发现分组，以防止网络产生洪泛拥塞。
“物理时间”表示人类社会使用的绝对时间，而“逻辑时间”体现了事件 发生的顺序关系，是一个相对概念。分布式系统通常需要—个表示整个系 统时间的全局时间。全局时间根据需要可以是物理时间也可以是逻辑时间。
时间同步机制在传统网络中已经得到了广泛应用，如网络时间协议 (Netwolk Time Protocl，NTP)是因特网采用的时间同步协议。另外， GPS和无线测距等技术也可以用来提供网络的全局时间同步。
7.1.2 传感网时间同步协议的特点
由于传感网节点的能量受限，以及低价格和小体积成为了传感网时间同步的主要限制。 现有网络的时间同步机制往往关注最小化同步误差来达到最大的同步精度方面，而很少考虑 计算和通信的开销，以及能耗问题。无法套用传统的时间同步机制协议。 网络时间协议(NTP)在因特网得到了广泛使用，具有精度高、鲁棒性好和易扩展等优点。但 是它依赖的条件在传感网中难以得到满足，因而不能直接移植运行，这主要是由于以下原因。 （1）NTP协议很少考虑网络链路失效问题。而在传感网中，无线链路的通信质量受环境影 响较大，甚至时常会有通信中断的情况。 （2）NTP协议的网络结构相对稳定。而传感网的拓扑结构是动态变化的，简单的静态手工 配置无法适应这种变化。 （3）NTP协议中时间基准服务器间的同步需要通过其他基础设施的协助。如GPS系统和无 线电广播报时系统，而在传感网的有些应用中，无法取得相应基础设施的支持。