无线传感器组网-时间同步技术
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是由大量的无线传感器节点组成的网络系统，这些节点可以自组织地协同工作，收集和处理环境中的信息，并通过网络传输给用户或其他节点。
在无线传感器网络中，时间同步技术是一项重要的关键技术之一，它可以保证网络中节点的时间一致性和精确度。
在无线传感器网络中，由于节点分布范围广泛，资源有限，且节点容易出现故障等因素的影响，时间同步技术的实现相对复杂。
目前，主要有两种时间同步技术：以时间为基准的同步和以事件为基准的同步。
以时间为基准的同步是指利用节点之间的通信和计算来保证节点间时间的一致性。
最常用的时间同步协议是RBS（Reference Broadcast Synchronization）协议。
RBS协议利用广播的方式，将参考节点的时间信息传播给其他节点。
各节点通过接收广播消息，根据相关的算法来计算自身时间。
RBS协议具有较高的时间同步精度和鲁棒性，但也存在着节点能耗高、网络负载大等问题。
以事件为基准的同步是指节点根据感知到的事件的发生时间来进行时间同步。
这种同步方式不需要进行时间比对和计算，能够减少通信开销和计算复杂度。
常用的以事件为基准的同步技术包括FTSP（Flooding Time Synchronization Protocol）协议和TPSN （Timing-sync Protocol for Sensor Networks）协议等。
这些协议在节点之间进行事件信息的传播和交换，通过计算事件的传播时间来实现时间同步。
除了以上的时间同步技术，还有一些新的时间同步技术正在被提出和研究。
利用GPS （Global Positioning System）技术来实现时间同步，在节点中加入GPS接收器，通过接收GPS信号来获取全球的时间参考，从而实现时间同步。
这种方法能够获得较高的时间精度和稳定性，但也存在着对GPS信号的依赖和成本较高的问题。
时间同步技术在无线传感器网络中具有重要的作用，能够保证网络中节点的时间一致性和精确度。
无线传感器网络时间同步方法研究
无线传感器网络时间同步方法研究随着物联网技术的快速发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSNs）已经成为实现智能化、自动化和联网化的重要要素之一。
在WSNs中，时间同步是一项关键技术，它可以确保网络节点之间的时间一致性，从而实现数据的准确收集和处理。
本文将探讨无线传感器网络时间同步方法的研究，包括时钟同步协议和时间误差补偿方法。
一、时钟同步协议时钟同步协议旨在使WSNs中的节点能够在一个全局共享的时间轴上保持一致。
常见的时钟同步协议包括以下几种。
1.1 Berkeley算法Berkeley算法是一种分布式时钟同步算法，它通过选举一个特殊节点作为时间服务器来实现同步。
该算法将网络节点分为两类：时间服务器和普通节点。
时间服务器通过周期性地向所有普通节点广播时间信息来同步网络。
普通节点根据接收到的时间信息调整自己的时钟。
由于该算法采用分布式的方式，节点之间的通信开销相对较小，适用于大规模的WSNs。
1.2 RBS算法RBS（Reference Broadcast Synchronization）算法是一种基于参考广播的时钟同步算法，通过以广播方式将时间信息传播给其他节点来实现同步。
该算法先选举一个特殊节点作为参考节点，该节点拥有一个精确的时钟源。
参考节点周期性地广播时间信息，并且其他节点在接收到广播后根据参考节点的时间信息进行时钟的调整。
RBS算法适用于小规模的WSNs，但对网络中的通信开销较大。
1.3 FTSP算法FTSP（Flooding Time Synchronization Protocol）算法是一种基于洪泛方式的时钟同步算法，它通过广播方式将时间信息传播给所有其他节点。
FTSP算法基于对跳数的计算来估计节点之间的时钟差，并通过协调函数来调整时钟。
由于该算法采用全节点通信的方式，能够实现较高的同步精度。
二、时间误差补偿方法时间误差是指节点自身时钟与参考时间的差值，由于节点硬件等原因，时钟会存在一定的误差。
无线传感器时间同步技术——TPSN协议.概要
Friday, December 07, 2018
TPSN协议过程
相邻级别节点间的同步机制
i-1 级
5
消息传播 时延
两节点间的 时间偏差
i级
Friday, December 07, 2018
TPSN协议过程
相邻级别节点间的同步机制 结论——
6
Friday, December 07, 2018
优点
Friday, December 07, 2018
TPSN协议过程
协议准备
2
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，通过双向消息 交换实现节点间的时间同步
整个网络内所有节点按层次结构管理，由TPSN协 议生成和维护
Friday, December 07, 2018
TPSN协议过程
Friday, December 07, 2018
TPSN协议过程
第二阶段 同步阶段（Synchronization Phase）
4
目的：实现所有树节点的时间同步，第1级节点同步到根节点，第i级 的节点同步到第（i-1）级的一个节点，最终所有节点同步到根节点， 实现整个网络的时间同步 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 级节点收到分组后，各自分别等待一段随机时间，再通过与根节 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，等待一段随机时间，再与 它记录的上一级别的节点交换消息进行同步，网络中的节点依次与上 一级节点同步，最终都同步到根节点 等待一段随机时间是为了保证该级节点在上一级节点同步完成后才启 动步策略结合使用
Friday, December 07, 2018
The End Thank you！
无线传感器网络的时间同步问题
无线传感器网络的时间同步问题摘要时间同步对任何分布式系统都是一个关键的基础问题。
分布式无线传感器网络广泛使用的同步时间，往往在范围，寿命和精度同步实现等方面有特殊要求，以及实现同步所需的时间和所需的能源。
现有的时间同步方法需要扩展，以满足这些新的需求。
我们列举了传感器网络未来的同步要求，并提出了我们自己的低能耗同步方案，事后同步。
我们还描述了一个实验，其性能特点是使用很少的能量创造短暂的，局部的，但高精度的同步。
1.介绍最近的发展小型化和低成本，低能耗设计导致积极研究在大规模，高度分散的小系统，无线，低功耗，无人值守传感器和致动器[ 1，7， 4 ] 。
许多研究人员提出了创造传感器丰富的“聪明环境”的设想。
通过有计划或临时部署数千个传感器，每一个短距离无线通信通道，并能够检测环境条件如温度，运动，声，光，或存在某些物体。
时间同步对任何分布式系统都是一个关键的基础设施。
分布式，无线传感器网络使特别是广泛使用的同步时间：例如，将时间序列的接近侦测到的速度估计[ 3 ] ;测量声音的运行时间定位其来源[ 5 ] ;分发波束阵列[ 13 ] ;或制止重复邮件，由认识到他们所描述重复检测同一事件不同的传感器[ 6 ] 。
传感器网络也有许多相同的要求，传统的分布式系统：精确的时间戳，往往需要在加密计划，以协调活动定于今后，供订购记录的事件在系统调试，等等。
传感器网络应用的广泛性导致时间要求的范围，寿命和精度不同于传统的系统。
此外，许多节点新兴的传感器系统将非系留，因此有小型的能源储备。
所有通讯，甚至被动的听，将产生重大的影响，这些储备时间同步方法的传感器网络因此，必须也考虑到他们消费的时间和精力。
在本文中，我们认为，非均质性要求在传感器网络应用的需要能源效率和其他方面的限制没有发现在常规分布式系统，甚至是各种硬件而传感器网络将部署，使目前的同步计划不足以完成这项任务。
传感器网络，现有的计划将需要扩大和合并后新的方式，以便提供服务，以满足应用的需要与可能的最低能量支出。
无线传感器网络的时间同步与时钟校准方法
无线传感器网络的时间同步与时钟校准方法无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是由大量分布在空间中的无线传感器节点组成的网络系统。
这些节点可以通过无线通信互相连接，协同工作以完成各种任务。
在无线传感器网络中，时间同步和时钟校准是非常重要的问题，对于网络的性能和可靠性有着直接的影响。
时间同步是指在无线传感器网络中，使得各个节点能够按照相同的时间标准进行操作。
这样可以实现节点之间的协同工作，提高整个网络的效率。
而时钟校准则是指将每个节点的本地时钟与全局时间进行校准，以保证节点之间的时间一致性。
目前，有许多时间同步和时钟校准的方法被提出和应用于无线传感器网络中。
其中，最常用的方法之一是基于时间戳的同步方法。
该方法通过在数据包中添加时间戳的方式，使得接收节点可以获取发送节点的发送时间，从而实现时间同步。
然而，由于无线传感器网络中节点的能源和计算能力有限，时间戳同步方法往往会带来较大的能耗和时延。
为了解决时间戳同步方法的问题，一些新的同步方法被提出。
其中之一是基于声波的同步方法。
该方法利用节点之间的声波通信，在网络中广播时间信号，从而实现时间同步。
由于声波传播速度较慢，节点之间的距离可以忽略不计，从而减小了能耗和时延。
此外，基于声波的同步方法还可以提供更高的精度和稳定性，适用于一些对时间要求较高的应用场景。
除了时间同步，时钟校准也是无线传感器网络中的重要问题。
时钟校准的目的是使得每个节点的本地时钟与全局时间保持一致，以避免时间误差对网络性能的影响。
目前，常用的时钟校准方法有两种：硬件校准和软件校准。
硬件校准是通过使用高精度的时钟源来校准节点的本地时钟，例如GPS信号。
然而，由于硬件成本较高，硬件校准方法在实际应用中并不常见。
相比之下，软件校准方法更加灵活和经济。
该方法通过网络中的节点之间相互协作，根据时间同步的结果来校准本地时钟，从而实现时钟的校准。
总的来说，无线传感器网络的时间同步和时钟校准是保证网络性能和可靠性的关键问题。
无线传感器网络时间同步
无线传感器网络时间同步随着无线传感器网络的快速发展，大规模部署的传感器节点数量急剧增加。
无线传感器网络中的各个节点通常需要协同工作，因此对节点之间时间的同步非常重要。
只有实现了精确可靠的时间同步，无线传感器网络才能更加高效地运行。
一、时间同步的重要性时间同步在无线传感器网络中起到了至关重要的作用。
首先，时间同步可以协调不同节点之间的工作，确保节点以协同的方式进行数据收集、传输和处理。
其次，时间同步可以帮助节点进行协调的能量管理，使得节点在执行任务时能够更好地平衡能量消耗。
此外，时间同步还可以提供对网络中事件发生时间的准确标记，帮助我们更好地分析和理解网络中的行为与现象。
二、常见的时间同步方法在无线传感器网络中，存在多种时间同步方法。
以下是其中几种常见的方法：1. 基于全局时间的同步方法基于全局时间的同步方法借助于一个时间参考节点，将全局时间广播给其他节点。
时间参考节点通过自身的晶振等方式获得准确的时间信息，并将其通过广播方式传输给其他节点，达到时间同步的目的。
2. 基于邻近节点的同步方法基于邻近节点的同步方法不依赖于全局时间，而是通过与邻近节点之间的通信来进行时间同步。
该方法通过相互之间的通信，以及传输延迟计算方法，实现了节点之间的时间同步。
3. 基于时间戳的同步方法基于时间戳的同步方法通过给每个节点分配一个相对于一个参考节点的时间戳，来实现节点之间的时间同步。
节点通过与参考节点进行通信，获取参考节点的时间戳，并根据传输延迟等因素进行时间纠正，最终实现时间同步。
三、时间同步的挑战与解决方案然而，实现无线传感器网络中的时间同步并非易事，会面临多种挑战。
以下是一些常见的挑战以及相应的解决方案：1. 传输延迟不确定性：无线传感器网络中的数据传输存在不确定性，传输延迟会受到各种因素的影响。
解决这个问题的方案可以采用时间戳校正和数据同步机制，以保证时间同步的准确性。
2. 能量消耗问题：时间同步需要节点之间频繁地进行通信，而通信会消耗节点的能量。
无线传感器网络中的时间同步与时钟漂移校准
无线传感器网络中的时间同步与时钟漂移校准随着科技的不断进步，无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）在各个领域中得到了广泛的应用。
无线传感器网络由大量的分布式传感器节点组成，这些节点可以自主地感知环境中的信息，并将这些信息通过网络传输到中心节点进行处理和分析。
然而，在无线传感器网络中，节点之间的时间同步和时钟漂移校准是一个重要的问题。
时间同步是指在无线传感器网络中，各个节点之间具有相同的时间基准。
在许多应用场景中，如环境监测、物流追踪等，节点之间的时间同步是至关重要的。
例如，在环境监测中，如果各个节点的时间不同步，就无法准确地判断某个事件发生的先后顺序。
因此，时间同步是无线传感器网络中的一个基本问题。
然而，由于无线传感器节点的资源有限，如计算能力、存储容量和能源等，传统的时间同步方法并不适用于无线传感器网络。
传统的时间同步方法通常依赖于全局时钟，而无线传感器网络中的节点通常没有全局时钟。
因此，研究人员提出了一些适用于无线传感器网络的时间同步方法。
一种常用的时间同步方法是基于时隙的方法。
该方法将时间分为若干个时隙，每个节点根据自身的时钟进行时隙的选择和同步。
这种方法可以减少节点之间的通信开销，提高网络的能源利用率。
另一种时间同步方法是基于事件触发的方法。
该方法通过节点之间的事件传递来实现时间同步，当一个节点发生事件时，会向周围的节点发送同步信息，从而实现时间同步。
除了时间同步外，时钟漂移校准也是无线传感器网络中的一个重要问题。
时钟漂移是指节点的时钟与全局时钟之间存在的误差。
由于无线传感器节点的时钟通常是由晶体振荡器产生的，而晶体振荡器受到温度、电压等环境因素的影响，导致时钟频率发生变化，从而引起时钟漂移。
时钟漂移校准的目标是减小节点之间的时钟漂移误差，提高网络的时间同步精度。
为了解决时钟漂移校准的问题，研究人员提出了一些校准方法。
一种常用的校准方法是基于时间同步的方法。
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。
无线传感器网络的时间同步与时钟漂移校准方法研究
无线传感器网络的时间同步与时钟漂移校准方法研究无线传感器网络是一种由许多无线传感器节点组成的分布式网络系统，其具有自主感知、自组织和自适应等特点，在许多领域都有广泛的应用。
在无线传感器网络中，节点之间的时间同步与时钟漂移校准是保证网络正常运行的重要问题。
本文将探讨无线传感器网络的时间同步与时钟漂移校准方法的研究。
时间同步是指无线传感器网络中各个节点通过某种方法将自己的时钟与其他节点的时钟同步，以保证节点之间的协同工作和数据收集的准确性。
时间同步在无线传感器网络中有着重要的意义。
首先，时间同步可以实现数据的时序关联，使得节点之间可以准确地进行数据交互和协同处理。
其次，时间同步可以提高无线传感器网络的能量效率。
节点之间的时间同步可以避免冲突和能量浪费，从而延长网络的寿命。
此外，时间同步还可以提供准确的事件触发和时间戳，为网络中的事件定位和数据分析提供支持。
在无线传感器网络中，节点之间的时钟存在着不同程度的时钟漂移。
时钟漂移是指节点时钟的频率偏差，也就是实际时钟与真实时钟之间的差异。
时钟漂移对于时间同步和数据收集的准确性有着重要影响。
如果时钟漂移不能得到准确的校准，将导致网络中数据的误差累积，进而影响节点之间的通信和协同工作。
目前，针对无线传感器网络的时间同步与时钟漂移校准问题，已经提出了许多研究方法和算法。
下面将介绍其中两种常见的方法：网络全局时间同步和分布式时间同步。
网络全局时间同步方法是指通过一个或多个专门的节点将网络中的所有节点之间的时钟同步。
这种方法可以确保网络中的所有节点具有相同的时间参考，从而实现严格的时间同步。
其中最常用的方法是基于时间源的同步方法。
在这种方法中，一个节点被选为时间源，并向其他节点广播自己的时间信息。
其他节点通过接收时间源节点的信号进行时钟同步。
时间源节点可以是网络中的某个特定节点，也可以是多个节点的组合。
此外，还有一些基于无线信道延迟和节点距离的时间同步方法。
这些方法通过测量节点之间的无线信道延迟和节点之间的距离来实现时钟同步。
无线传感器网络中的时间同步方法
无线传感器网络中的时间同步方法无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是由大量部署在被监测区域内的无线传感器节点组成的网络。
这些节点通过无线通信协作工作，收集、处理和传输环境中的信息。
时间同步是WSN中的一个关键问题，它可以确保节点之间的时间一致性，提高网络性能和能源效率。
本文将介绍一些常用的无线传感器网络中的时间同步方法。
一、基于全局时间同步的方法基于全局时间同步的方法是通过引入一个全局时间参考来实现节点之间的时间同步。
其中，GPS是最常用的全局时间参考。
节点通过接收GPS信号来获取准确的时间信息，并进行时间同步。
然而，GPS信号在室内或者复杂的环境中可能受到干扰，导致时间同步的不准确。
因此，基于全局时间同步的方法在某些特殊环境下可能并不适用。
二、基于局部时间同步的方法基于局部时间同步的方法是通过节点之间相互协作来实现时间同步。
其中，最常用的方法是基于邻居节点的时间同步。
节点通过与邻居节点进行通信，交换时间信息，并根据接收到的时间信息进行时间同步。
这种方法不依赖于全局时间参考，适用于无法获取准确全局时间的环境。
然而，由于节点之间的通信可能受到信号传输延迟等因素的影响，导致时间同步的误差增大。
三、基于时钟漂移的方法基于时钟漂移的方法是通过测量节点时钟的漂移率来实现时间同步。
节点的时钟可能存在一定的漂移，即时钟的频率与真实时间的频率不完全一致。
通过测量时钟的漂移率，节点可以根据漂移率对时间进行校正，从而实现时间同步。
然而，由于节点时钟漂移率的变化可能受到温度、电压等因素的影响，导致时间同步的准确性降低。
四、基于事件驱动的方法基于事件驱动的方法是通过节点之间的事件触发来实现时间同步。
节点在收到某个事件触发信号后，记录下该事件发生的时间，并将该时间信息传递给其他节点。
其他节点根据接收到的事件时间信息进行时间同步。
这种方法不依赖于全局时间参考和时钟漂移，适用于无法获取准确全局时间和时钟漂移率的环境。
无线传感器网络中的数据时钟同步方法
无线传感器网络中的数据时钟同步方法无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是一种由大量分布在空间中的无线传感器节点组成的网络。
这些节点通过自组网技术，能够协同工作并收集、处理、传输环境中的各种信息。
在无线传感器网络中，数据时钟同步是一项十分关键的技术，它可以确保网络中各个节点的时钟准确同步，从而保证数据的一致性和可靠性。
目前，存在多种数据时钟同步方法用于无线传感器网络。
下面将介绍几种常见的方法：1. 基于事件触发的同步方法：该方法基于网络中发生的事件来进行同步。
当一个事件在无线传感器网络中发生时，节点会根据该事件的时间戳进行调整自身的时钟。
例如，当一个节点探测到温度超过某个阈值时，它会广播一个事件，并将当前时间戳加入其中。
其他节点收到该事件后，根据事件中的时间戳进行时钟调整。
这种方法能够在网络中实时进行同步，但对事件的触发和传播有较高的依赖性。
2. 基于交互的同步方法：该方法基于节点之间的相互交互来进行同步。
节点会周期性地向其邻居节点发送同步请求，并利用接收到的时钟信息来调整自身的时钟。
这种方法能够适用于各种网络环境，并且能够自动适应节点的加入和离开。
然而，由于通信的延迟和不确定性，可能导致时钟同步误差较大。
3. 基于时间协议的同步方法：该方法使用时间协议来进行同步，例如网络时间协议（Network Time Protocol, NTP）。
节点会周期性地向时间服务器发送时间请求，服务器会回复准确的时间戳。
节点根据收到的时间戳来调整自身的时钟，并与时间服务器保持同步。
这种方法能够提供较高的时钟同步精度，但对于无线传感器网络来说，可能会产生较大的通信开销和能量消耗。
4. 基于位置信息的同步方法：该方法通过节点之间的相对位置信息来进行同步。
节点会通过测量收到信号的强度和到达时间差来估计与邻居节点的距离，并根据距离信息来进行时钟同步。
这种方法可以减少通信开销和能量消耗，但对于大规模网络来说，位置信息的获取和处理可能会带来一定的复杂性。
无线传感器网络时间同步技术
生的时间 节点1和节点7可以通过翻译节
点4实现时间同步
No Image
时间同步协议
RBS协议
优点
◆消除了时间同步关键路 径上来自发送端的不确定 性，减少了同步错误，提 高了效率 ◆轻量级，自适应 ◆精度较传统同步方式高
缺点
◆同步精度受“接收端接收 时间差”(节点间存在硬件和 软件差异)影响较大 ◆节点间通信量较大，增加 了能量消耗 ◆传输碰撞概率增大
◆发送者周期性发送自己的 时间信息 ◆接收者收到后根据时间戳， 计算时延进行同步
接收者-接收者模式
◆两个接收者都受到时间信 标 ◆互相比较记录的收到时间， 调整并达到同步
时间同步协议
时间同步协议性能参数
最大误差
指节点间最大相对误差，或者与外部标准时间的 最大误差；网络规模越大，最大误差越大
同步时间
节点间进行时间同步所需要的时间，也指周期进 行同步的时间间隔
同步范围
时间同步过程所包含的节点数量或区域范围，全 网范围或部分区域
效率
达到同步精度与所耗费的代价的比值，代价一般 指时间和能量
硬件代价
指为了完成某些协议的同步操作所需要的特殊硬 件，会增加节点的成本和复杂性
时间同步协议
TPSN协议
协议采用分层结构，基于发送者-接收者模式。 可提供WSN全网范围内的时间同步。 同步过程： 层次发现：建立树形结构，根节点广播层次发现消息，直接接收者属于层次1，收到层次1节点转发消息的节点属于
层次2，以此类推，直至所有节点均纳入层次。 时间同步：根节点与层次1节点通过双向握手进行同步，期间执行随机退避机制；层次1节点同步完成后，与层次2
节点通过双向握手进行同步；以此类推，直至全网完成同步。
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
无线传感器网络WSN时间同步
第7页/共53页
传统与挑战
传统同步方法传感器网络的挑战
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传统同步：NTP与GPS
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NTP（Network Time Protocol）
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NTP（Network Time Protocol）
体系结构（单机）
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M&S模型
证明了全耦合系统的同步收敛性没有证明多跳网络的同步收敛性
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Ernst的研究
M&S模型没有考虑耦合延迟，Ernst研究了耦合延迟固定时的情况M&S模型只研究了正耦合的情况，Ernst还研究了负耦合的情况
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Ernst--正耦合（2个节点）
FTSP（Flooding Time Synchronization Protocol）
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多跳FTSP
洪泛方式广播时间基准节点的时间协议健壮实际做了工程化的实现
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GCS（Global Clock Synchronization）
节点遍历模式聚类分层模式扩散模式
HRTS（Hierarchy Referencing Time Synchronization Protocol）
TPSN基于双向报文交换，因此同步精度高TPSN本质上是对同步，因此全网同步的同步能耗高由DMTS发现，广播能降低全网同步能耗结合广播和节点间的双向报文交换同步HRTS协议
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传感器网络的挑战
室内、矿井、森林，有遮挡低功耗、低成本和小体积传输延迟的不确定性可扩展性、移动性健壮性、安全性网络规模大、多点协作
无线传感器网络的时间同步技术
ｆｏｒ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ
Ｇａｎｅｒｉｗａｌ”１提出的ＴＰＳＮ是层次结构时间同步算法。该算 法分为两个不同的阶段：层次发现阶段和同步阶段。在层次 发现阶段，网络中的每个节点会分别指定一个层次级别。其 中发起时间同步初始化的节点被成为根节点，它的级别为０。 每个节点的级别字段放映了它距离根节点的跳数。在同步阶 段，每个节点以类似ＳＮＴＰ（ｓｉｍｐｌｅｎｅｔｗｏｒｋｔｉｍｅｐｒｏｔｏｃ０１）的方式 和它的父节点交换时间戳。作为其它所有节点的父节点，根 节点提供一个精确的参照。通过在介质控制层为无线信息加 时间戳和采用双向信息交换，ＴＰＳＮ已证明比ＲＢＳ的性能要高 两倍。ＴＰＳＮ的不住在于没有计算节点的时间偏差，是的精度 受到限制，另外，也不能适应拓扑结构的变动。 （３）Ｆｌｏｏｄｉｎｇ Ｔｉｍｅ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ（ＦＴＳＰ） ＦＴＳＰ的目标是实现整个网络的时间同步并且误差控制
来回时间和有服务器同步，服务器通常具有微秒级的精度。而 时间服务器则通过外部时间源进行同步，通常是ＧＰＳ。在Ｉｎ． ｔｅｍｅｔ中ＮＴＰ已经广泛的采用并证明是一种有效安全和健壮 性好的协议。但是，在无线传感器网络中，由介质传输控制层 引起的传输时间的不确定性可能造成每一个ｈｏｐ几百微秒的 网络延迟。因此，缺乏更好的适应性，ＮＴＰ只能用于某些对精 度要求低的无线传感器网络。
ｉｓ
ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｎｄ
ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎ ｗｈｙ ｔｈｅｙ
ａｒｅ
ｎｏｔ ｓｕｉｔａｂｌｅ
ｆｏｒ ＷＳＮｓ
ａｎａｌｙｚｅｄ；ｔｈｅｎ ｓｏｍｅ ｔｉｍｅ
ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ
ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｆｏｒ ＷＳＮｓ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌｅｄ．Ｂｙ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ
无线传感器网络时间同步方法
无线传感器网络时间同步方法无线传感器网络（WSN）是由大量的分布式无线传感器节点构成的一种网络形式，节点之间通过无线通信传递信息。
在WSN中，时间同步是一个重要的问题，它能够保证节点之间的事件发生顺序一致，提高网络的可靠性和性能。
本文将探讨一些常用的无线传感器网络时间同步方法。
一、全局时间同步方法全局时间同步方法旨在实现整个无线传感器网络内部的全局时间同步。
以下介绍两种常见的方法：1. 树形同步方法树形同步方法以一个根节点为出发点，通过广播或多播方式将时间信息传递给其他节点。
它通过建立以根节点为中心的时间同步树，将时间信息从根节点传递到每个叶节点。
一般具有较低的时延和较好的同步效果。
2. 基于多跳的同步方法基于多跳的同步方法通过相邻节点之间的信息交换实现时间同步。
节点通过接收相邻节点的时间信息，并根据接收到的时间信息进行本地时间调整，从而实现时间同步。
这种方法适用于网络拓扑变化频繁的情况下。
二、局部时间同步方法局部时间同步方法旨在实现节点子集之间的时间同步。
以下介绍两种常见的方法：1. 链式同步方法链式同步方法通过节点之间的双向通信来实现时间同步。
节点按照某种规则构建起通信链路，通过链路上的信息传递，最终实现局部区域内的时间同步。
2. 感知时间同步方法感知时间同步方法利用节点之间的感知能力来实现时间同步。
节点通过感知环境中发生的事件、接收的信号等参数来调整本地时间，从而实现与其他节点的时间同步。
这种方法适用于对环境感知能力较强的场景。
三、混合时间同步方法混合时间同步方法是将全局时间同步方法和局部时间同步方法相结合使用，旨在实现网络整体的时间同步。
通过综合利用不同的时间同步方法，可以达到更高的同步精度和网络性能。
总结：无线传感器网络时间同步是提高网络可靠性和性能的关键问题，本文介绍了全局时间同步方法、局部时间同步方法和混合时间同步方法。
在实际应用中，需要根据具体的网络拓扑和应用需求选择合适的时间同步方法，并结合网络规模、节点功耗等因素进行调整和优化。
无线传感器网络的时空协同与同步技术
无线传感器网络的时空协同与同步技术无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）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系统。
这些节点能够感知环境中的各种物理量，并将感知到的数据通过网络传输给中心节点或基站。
无线传感器网络在农业、环境监测、智能交通等领域具有广泛的应用前景。
然而，由于节点的分布和环境的复杂性，时空协同与同步技术成为了无线传感器网络中的重要问题。
时空协同是指节点在时间和空间上的协同工作，以实现对环境变化的准确感知和数据采集。
在无线传感器网络中，节点之间的通信是通过无线信道进行的，而无线信道的传输速率有限，因此需要合理地安排节点的工作时间，以避免信道冲突和能量浪费。
同时，节点的分布在空间上是不均匀的，有些区域可能密集布置了大量的节点，而有些区域可能只有少数几个节点。
因此，如何合理地安排节点的工作任务，使得节点能够在整个监测区域内实现均匀的感知和数据采集，是时空协同的关键问题。
为了实现时空协同，无线传感器网络需要采用同步技术来保证节点之间的时间同步。
时间同步是指使得网络中的节点能够按照相同的时间参考进行工作，以确保数据的准确采集和传输。
在无线传感器网络中，节点之间的时钟存在着不同的偏差和漂移，因此需要通过同步协议来进行时钟校准和同步。
常用的同步协议包括时隙同步协议和时延同步协议。
时隙同步协议将时间分为若干个时隙，节点按照时隙进行工作，以避免信道冲突和能量浪费。
时延同步协议则通过节点之间的相互通信来进行时钟校准和同步，以保证节点按照相同的时间参考进行工作。
时空协同与同步技术在无线传感器网络中有着广泛的应用。
在农业领域，无线传感器网络可以用于监测土壤湿度、温度等环境参数，以实现精准的灌溉和施肥。
通过合理地安排节点的工作时间和任务，可以实现对整个农田的均匀监测，提高农业生产的效率和质量。
在环境监测领域，无线传感器网络可以用于监测大气污染、水质污染等环境参数，以实现对环境变化的及时响应和预警。
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。
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• 速率恒定模型
– 该模型认为频率保持恒定不变，最常用，但不适应环境变化剧烈的 场合
• 飘移有界模型
– 常用于确定同步误差上下界，频率稳定度常用ppm（百万分之一）
• 飘移变化有界模型
– 时钟的漂移变化率是有限的。
软件时钟模型
• 以软件虚拟时钟 • 一般是个分段连续、严格单调的函数
相关术语
• • • • • • • • 信标节点和未知节点 邻居节点 跳数、跳段距离 基础设施 到达时间、到达时间差 接收信号强度指示 到达角度 视线关系、非视线关系
A
B
RTS
数据1
RTS
数据2
侦听 CTS
ACK
睡眠
侦听 CTS
ACK
A
B
RTS 侦听 CTS
数据1
RTS ACK 侦听 CTS
数据2
ACK 侦听
睡眠
WSN时间同步技术背景
• 集中式系统与分布式系统 – 集中式：在事件间有着明确的时间先后关系时， 不存在同步问题；时间关系不明确时仍存在。 – 分布式：同步是必需的，只是对同步的要求程度 不同
内容提要
1.
基本概念
2.
3.
传统方法与面临的挑战
典型时间同步协议
4.
5.
新型同步机制
总结
传统同步：NTP与GPS
• NTP：网络时间协议 • GPS：全球定位系统
NTP（Network Time Protocol）
• 体系结构
• NTP提供准确时间，首先要有准确的时间来源，这一时间 应该是国际标准时间UTC。 NTP获得UTC的时间来源可以 是原子钟、天文台、卫星，也可以从Internet上获取。这样 就有了准确而可靠的时间源。时间按NTP服务器的等级传 播。按照离外部UTC 源的远近将所有服务器归入不同的 Stratum（层）中。Stratum-1在顶层，有外部UTC接入，而 Stratum-2则从Stratum-1获取时间，Stratum-3从Stratum-2获 取时间，以此类推，但Stratum层的总数限制在15以内。所 有这些服务器在逻辑上 形成阶梯式的架构相互 连接，而Stratum-1的时 间服务器是整个系统的 基础。
• 需要解决的问题
– 同步精度 – 功耗 – 可扩展性
WSN时间同步机制的主要性能参数
• 最大误差：一组传感器节点之间的最大时间 差或相对外部标准时间的最大差值。 • 同步期限：节点保持时间同步的时间长度。 • 同步范围：节点保持时间同步的区域范围。 • 可用性：范围覆盖的完整性。 • 效率：达到同步精度所经历的时间以及消耗 的能量。 • 代价和体积：需要考虑节点的价格和体积。
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。
时间同步技术的重要性
• 时间同步技术对无线传感器网络的节点 定位、无线信道时分复用、低功耗睡眠 、路由协议、数据融合、传感事件排序 等应用及服务，都会产生直接或间接地 重要影响。 • 时间同步机制几乎渗透至每一个与数据 相关的环节，其实现的好坏直接决定了 以数据为中心的无线传感器网络整体系 统性能的优劣。
第七章、时间同步技术
内容提要
1. 基本概念
2.
3.
传统与挑战
典型时间同步协议
4.
5.
新型同步机制
总结
内容提要
1. 基本概念
2.
3.
传统与挑战
典型时间同步协议
4.
5.
新型同步机制
总结
基本概念
• • • • • 时间同步的定义 WSN时间同步技术背景 时间同步技术的分类 时间同步技术的应用场合 关键问题：时钟模型
低功耗、低成本和小体积
• • • • • 软硬件都要受到该限制 存储与计算能力均比较小 电能供应的紧张（电池体积有限） 网络规模大、密度高 通信距离近 分布式、协作
可扩展性（Scalability）
• 在大规模网络中尤为重要 • 满足不同的网络类型、网络规模 • 满足不同的应用需求
健壮性
• 外部环境复杂，抗干扰能力要强 • 需要应对安全性挑战 • 无线传感器网络拓扑动态性较强 • 网络规模变化、需求变化
时间同步协议应用于无线传感器网络 面临的挑战
• • • • • •
室内、矿井、森林，有遮挡 网络规模大、多点协作 传输延迟的不确定性 低功耗、低成本和小体积 可扩展性、移动性 健壮性、安全性
传输延迟的不确定性
Sender
Send time Access time Transmission time
• DMTS基于同步消息在传输路径上所有延迟的估计，实现节点间 的时间同步 • 在DMTS机制中，选择一个节点作为时间主节点(leader)广播同步 时间。所有接收节点测量这个时间广播分组（packet）的延迟， 设置它的时间为接收到分组携带的时间加上这个广播分组的传输 延迟，这样所有接收到广播分组的节点都与主节点进行时间同步 。时间同步的精度主要由延迟测量的精度所决定。
• 根据参考源不同，可以分为外同步（与外部某 时间同步，如GPS ）与内同步（网络内部某个 节点的时钟）。 • 根据同步对象的范围不同，可以分为局部同步 与全网同步
时间同步技术的应用场合
• 多传感器数据压缩与融合
– 邻近传感节点对相同事件的感知数据需要融合，基于时间戳 判断是否同一事件，需要时钟同步
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。
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。
• 低功耗MAC协议、路由协议
– 不发送数据时，节点处于休眠状态，网络节点的同步休眠需 要时钟同步
• 测距、定位
– 距离测量和定位是基于无线电信号的传输时间，时间同步越 准确，距离测量也越准确
• 分布式系统的传统要求
– 分布式系统的数据库查询，状态等一致性的要求
• 协作传输、处理的要求
– 协作传输是基于电磁波的能量累加效应，多个节点以相同的 调制解调方式同时发送信号，使得远处的汇集节点能接收到 信号
当信道空闲时间大于 DIF时使用信道 DIFS 信道忙 推迟发送 时间槽 DIFS 竞争窗口 PIFS SIFS 退避窗口 下一帧 时间
网络节点在进入退避状态 时，启动一个退避计时器， 当计时达到退避时间后结束 退避状态。在退避状态下， 只有当检测到信道空闲时才
DIFS 节点A 节点B 节点C 推迟 节点D 推迟 节点E 退避时间 帧 剩余退避时间 帧 竞争窗口 帧 推迟 帧 推迟
Receiver
Propagation time Reception time Receive time
• 发送时间：发送节点构造和发送时间同步消息所用时间。e.g., 系 统调用时间；内核调度时间；消息从主机发送到网络接口时间。 • 访问时间：发送节点等待访问网络传输信道的时间。 • 传输延迟：发送节点传输到接收节点所经历的时间。 • 传播时间（Transmission time）:发送节点发送数据所经历的时间 • 接收时间：从接收节点的网络接口接收到消息到消息接收结束 • 收到时间（Receive time）通知主机消息达到事件所经历的时间间 隔。
• 主节点在检测到信道空闲时，给广播分组加上时间戳t0，用来去除 发送端的处理延迟和MAC层的接入延迟。
●节点协同进行周期性侦听和睡眠的状态切换，确保节点能 同步进行侦听和睡眠调度。
●调度周期：周期性侦听和睡眠的时间之和为一个调度周期。
流量自适应侦听机制需要时间同步
流量自适应侦听机制的基本思想是在一次通信过程中，通信 节点的邻居在通信结束后不立即进入睡眠状态，而是保持侦听一 段时间。 如果节点在这段时间内接收到RTS，则可以立刻接收数据，无 须等到下一次调度侦听周期，从而减少了数据分组的传输延迟。 如果在这段时间内没有接收到RTS，则转入睡眠状态直到下一次调 度侦听周期。
时间同步技术的分类
• 根据同步的级别，可以分为排序、相对同步与 绝对同步，其间为递进关系。
• 排序只能区分事件发生的先后 • 相对同步：维持本地时钟的运行，定期获取其他节点的时钟偏移和飘移 ，经过换算达到同步的目的。如RBS协议 • 绝对同步：本地时钟和参考时钟保持一致，修改本地时钟。如TPSN协议
• HRTS （Hierarchy Referencing Time Synchronization Protocol）