TPSN时间同步算法研究 PPT
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CONTENTS
WSN时间
TPSN时间
一种基于优 同步算法N
大家好
01 WSN时间
大家好
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：
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
➢ 基于发送者——接收者的双向时间同步算法，类似于传统Internet 中 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 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
➢ 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 大大增加了能耗。
比如图中的17号节点，需要 点分别进行同步请求。
但这两个节点的反馈包被17号 据综合处理后，并不能保证1 比单独与一个节点进行时间同
如果17号节点只与9号节点同步， 节点同步，8号节点便不需要进行
接收和回馈工作。以此进行层次间
大家好
N-TPSN时间同步算法
——层次内开销优化设计（1）
以单跳内四个节点为例，
➢ 该种类型的代表性算法是 TPSN 算法、LTS 算法。
大家好
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 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， 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 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
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。
大家好
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
12
A：i 层节点
TPSN时间同步算法
——时间同步阶段
d
d
B：i+1 层节点
大家好
TPSN时间同步算法
——时间同步阶段
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
大家好
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；
利用这些信息，这 发现自己与参考节 参考节点。以此思 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 法中比较科学、先进的解决思想。
TPSN 协议在多跳情况下，下 的每个上层节点进行时间同步
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。
➢ 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：
降低在时间同步过程中的数据包交换次数。
大家好
N-TPSN时间同步算法
——算法思想（1）
根据 TPSN 算法 过程开始后，每个 发送同步请求数据 完成时间差值计算
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 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 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。
大家好
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
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
大家好
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
➢ 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 ➢ 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
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。
大家好
随着节点数量的增 范围内节点数量变 此单跳范围内的数
由于节点密度增大 为 A 节点）和参 覆盖其他的 1 跳 性，A 节点和参考 以被其他被覆盖的
实现所有树节点的 节点与第(i-1)层的 终所有节点都能在 步，从而实现整个
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
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
时钟源
02 别发现 数据包 和所属
03
当根节点的邻居收到这一数据包， 把自己的层次置为 1，并向下继续 播新的级别发现数据包。
➢ 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。
大家好
02 TPSN时间
大家好
TPSN时间同步算法
——主要思想
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。
大家好
层次发现
每一个节点 节点至少要 信；
时间同步
同步，不同系统要求程度不同。
大家好
时间 问
保证
尽量
保证
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 间累积。
成来自百度文库、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 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
➢ 利用双向交换信息计算消 息的平均时延，精度相对 较高。
大家好
缺点
➢ 节点失效（ 节点的节点 同步错误，
➢ 新节点加入 层次发现步
➢ 不适合移动 步等情况。
03
一种基于优 扑的时间同 法N-TPSN
大家好
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。
CONTENTS
WSN时间
TPSN时间
一种基于优 同步算法N
大家好
01 WSN时间
大家好
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：
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
➢ 基于发送者——接收者的双向时间同步算法，类似于传统Internet 中 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 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
➢ 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 大大增加了能耗。
比如图中的17号节点，需要 点分别进行同步请求。
但这两个节点的反馈包被17号 据综合处理后，并不能保证1 比单独与一个节点进行时间同
如果17号节点只与9号节点同步， 节点同步，8号节点便不需要进行
接收和回馈工作。以此进行层次间
大家好
N-TPSN时间同步算法
——层次内开销优化设计（1）
以单跳内四个节点为例，
➢ 该种类型的代表性算法是 TPSN 算法、LTS 算法。
大家好
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 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， 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 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
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。
大家好
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
12
A：i 层节点
TPSN时间同步算法
——时间同步阶段
d
d
B：i+1 层节点
大家好
TPSN时间同步算法
——时间同步阶段
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
大家好
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；
利用这些信息，这 发现自己与参考节 参考节点。以此思 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 法中比较科学、先进的解决思想。
TPSN 协议在多跳情况下，下 的每个上层节点进行时间同步
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。
➢ 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：
降低在时间同步过程中的数据包交换次数。
大家好
N-TPSN时间同步算法
——算法思想（1）
根据 TPSN 算法 过程开始后，每个 发送同步请求数据 完成时间差值计算
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 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 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。
大家好
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
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
大家好
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
➢ 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 ➢ 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
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。
大家好
随着节点数量的增 范围内节点数量变 此单跳范围内的数
由于节点密度增大 为 A 节点）和参 覆盖其他的 1 跳 性，A 节点和参考 以被其他被覆盖的
实现所有树节点的 节点与第(i-1)层的 终所有节点都能在 步，从而实现整个
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
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
时钟源
02 别发现 数据包 和所属
03
当根节点的邻居收到这一数据包， 把自己的层次置为 1，并向下继续 播新的级别发现数据包。
➢ 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。
大家好
02 TPSN时间
大家好
TPSN时间同步算法
——主要思想
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。
大家好
层次发现
每一个节点 节点至少要 信；
时间同步
同步，不同系统要求程度不同。
大家好
时间 问
保证
尽量
保证
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 间累积。
成来自百度文库、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 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
➢ 利用双向交换信息计算消 息的平均时延，精度相对 较高。
大家好
缺点
➢ 节点失效（ 节点的节点 同步错误，
➢ 新节点加入 层次发现步
➢ 不适合移动 步等情况。
03
一种基于优 扑的时间同 法N-TPSN
大家好
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。