TPSN时间同步算法研究 PPT
无线传感器网络课件：时钟同步
时钟同步
9.2 时钟同步协议
时钟同步
9.2.1 NTP协议 互联网中，NTP协议用于协调每个主机时钟晶振的频率，通过层次化的时间服务器结构 实现主机间的时钟同步。在该层次化结构中，根节点和UTC(世界标准时间)同步，各层中的 时间服务器与它们子网中的节点时钟同步。
NTP同步的精确度是毫秒级的，然而，NTP协议假设两台主机之间在两个方向上的传输 时延是相同的，这种假设在互联网中是合理的。在大规模网络中，尽管NTP协议能够提供很 好的时钟同步，但传感器网络的许多特征使得该协议不适合。使用NTP协议协调传感器节点 的时钟晶振很有用，但由于传感器节点的频繁故障，使得传感器节点与时间服务器的连接 可能存在问题。另外，由于环境干扰、感知区域不同部分间的时延差别较大等的影响，很 难要求同步所有传感器节点，并且传感器网络由于故障等影响，可能使网络断开连接而成 为多个小的感知区域。
时钟同步
2．同步阶段 同步阶段中，沿着层发现阶段建立的层次化树结构的边，TPSN使用成对同步，即每个 第i层上的节点用第i-1层上节点时钟同步自己的时钟。在t1时刻节点j发布包含节点层编号和 时间戳的同步脉冲，在t2时刻节点k收到该消息，并在t3时刻用确认消息响应，该响应消息包 含时间信息t1、t2、t3和节点k的层编号。最后，节点j在t4时刻收到节点k发送的消息。TPSN 假定传播时延为D，并且在同步期间时钟偏移没有改变，由于t1和t4是使用节点j的时钟测量 的，t2和t3是使用节点k的时钟测量的，所以这些时间满足下面的关系：
无线传感器网络课件 课件 第6章_时间同步技术
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10/20
3.RBS同步机制
后同步思想：
通常情况下节点的时间不用同步，只有监测到一个事件发生 时，节点才首先用它的本地时间记录事件发生的时间，然后 采用RBS机制，一个“第三方”节点广播信标消息给区域内 的所有节点，接收节点利用这个同步消息作为一个瞬时的时 间参考点，同步它们监测到的事件发生时间。 后同步机制能够实现瞬时的节点间时间同步，但是受限于广 播信标分组的传输范围，它不适应于长距离或长时间通信的 时间同步。 后同步机制能够提供精确的局部空间范围的时间同步。
侧重于同步精度和同步能耗的需求
● 萤火虫同步
新 型 同 步 协 议 ● 协作同步
侧重于同步可扩展性和健壮性
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6.3 WSN的时间同步机制
（4）TPSN协议 – 操作过程
● 第一阶段：层次发现阶段
● 第二阶段：同步阶段
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6.3 WSN的时间同步机制
（4）TPSN协议 – 操作过程 – 层次发现阶段
T4：客户端收到时间应答消息的时间
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6.2 传统的时间同步机制
（1） NTP 用在WSN的缺陷
● 节点体积、电能、计算能力有限 ● 传输方式不同：无线带宽有限、抗干扰能力有限
● 目标不同：无线算法强调局部最优性，而因特网
强调整体最优性
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6.2 传统的时间同步机制
（2）GPS – 体系结构
● 空间星座部分
物理层
（声、光、电磁）
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时间同步机制 服 务 支 撑 技 术 定位技术 安全机制
容错技术
数据融合
6
主要内容
6.1 基本概念
6.2 传统的时间同步机制 6.3 WSN的时间同步机制
无线传感器时间同步技术——TPSN协议
TPSN同步协议在MAC层 消息开始发送到无线信道 是才给消息添加时标，消 除了访问时间带来的时间 同步误差
考虑了传播时间和接收 时间，利用双向消息交 换计算消息的平均延迟， 提高了时间同步的精度
Friday, May 16, 2014
缺点
没有考虑根节点失效问题
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新的节点加入时，需要初始化层次发现阶段，级 别的静态特性减少了算法的鲁棒性
Friday, May 16, 2014
TPSN协议过程
第二阶段 同步阶段（Synchronization Phase）
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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2014
使用范围
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TPSN能够实现全网范围内节点间的时间同步，同 步误差与跳数距离成正比 适合实现短期间的全网节点时间同步，若要长时 间的全网节点时间同步，需要周期的执行TPSN协 议进行同步，间隔时间根据具体情况决定
考虑能耗问题，TPSN可以与后同步策略结合使用
Friday, May 16, 2014
Friday, May 16, 2014
TPSN协议过程
协议准备
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每个传感器节点都有唯一的标识号ID
第6章 无线传感器网络--时间同步
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GPS进行时间同步的局限性
1. 需配置高成本的GPS接收机 2. 在室内、森林或水下等有障碍的环境中无法使用GPS 系统 3. 如果用于军事目的，没有主控权的GPS系统也是不可 依赖的 在传感器网络中只可能为极少数节点配备GPS接收 器，这些节点为传感器网络提供基准时间
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传感器网络的常用时间同步机制
改进方法：
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后同步思想
通常情况下节点的时间不必同步 当监测到一个事件发生时，节点才采用RBS机制进行 时间同步 优点：
节省传感器节点的能量
缺点：
不适应于需进行长距离或长时间通信的时间同步的应用
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6.3.2 TPSN时间同步协议
传感器网络时间同步协议TPSN(Timing-sync Protocol for Sensor Networks),提供传感器网络全网范围内节 点间的时间同步。
2. 根节点的邻居节点收到“级别发现分组”
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生成层次结构阶段
3. 节点收到第i级节点的广播的“级别发现分组”
记录发送这个广播分组的节点ID
设置自己的级别为(i+1)
广播级别设置为(i+1)的“级别发现分组”分组
4. 重复步骤3，直到网络内的每个节点都被赋予一个级 别 节点一旦建立自己的级别，就忽略任何 “级别发现 分组”
3. 传播延迟
4. 接收时间
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各种延时对时间同步精度的影响
局域网信道访问延迟往往变化比较大
广域网的传输延迟抖动也比较大
发送延迟和接收延迟的变化相对较小
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6.3传感器网络时间同步机制
基于改进TPSN和卡尔曼滤波的时间同步算法
基于改进TPSN和卡尔曼滤波的时间同步算法胡爱华;邓中亮;张耀【摘要】给出一种基于改进TPSN和卡尔曼滤波提高TDOA定位中时间同步精度的方法.TDOA定位中,信号接收设备之间的时间不一致性,最终将反映到定位解算方程中的距离测量上,因此,信号接收设备之间的精确时间同步成为基于TDOA定位的核心技术之一.在比较了多种网络同步协议的基础上,改进主从节点间的TPSN同步协议.另外,针对定位系统中各时钟存在时钟偏移和时钟偏移率的缺陷问题,结合时钟偏移和时钟偏移率的分布特性,利用卡尔曼滤波算法进行时间同步误差的纠正.仿真结果表明,该算法能明显降低主从时钟之间的时间偏差.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2018(041)013【总页数】5页(P5-9)【关键词】时间同步;TDOA;时钟偏移;TPSN;卡尔曼滤波;同步精度【作者】胡爱华;邓中亮;张耀【作者单位】北京邮电大学电子工程学院,北京 100876;河北经贸大学信息技术学院,河北石家庄 050061;北京邮电大学电子工程学院,北京 100876;北京邮电大学电子工程学院,北京 100876【正文语种】中文【中图分类】TN92-340 引言基于目标辐射源的无线通信定位系统是由空间独立的信号接收设备（实现三维定位至少需要4台接收设备）、实现定位解算的中心控制系统和实现各接收设备之间通信的无线通信单元。
其总体架构如图1所示。
为实现移动通信用户的定位，必须实现以下几部分的技术研究：高灵敏度信号接收技术、接收设备之间的高精度同步技术和TDOA（Time Difference of Arrival）位置估计解算技术。
基于TDOA 的定位精度一方面取决于参考点的位置检测可靠性，另一方面取决于信号到达接收设备时间的测量精度。
如果一个基于TDOA的无线定位系统不能实现各个接收设备之间的高精度时间同步，就不可能获得准确的由各接收设备发送的用于TDOA 解算的到达时间值，也就不能获得准确的被测目标的位置解算。
嵌入式系统中的时钟同步算法
嵌入式系统中的时钟同步算法随着计算机技术的不断发展，嵌入式系统应用越来越广泛，例如智能家居、物联网等。
在这些嵌入式系统中，往往需要对分布式系统中的时钟进行同步，以保证系统的正常运行。
由于嵌入式系统资源有限，传统的时钟同步协议可能需要大量的计算和通信复杂性，这就导致了其在嵌入式系统中的不可行性。
因此，本文将介绍嵌入式系统中常用的时钟同步算法，包括NTP、PTP以及TPSN。
第一章 NTP网络时间协议（Network Time Protocol，NTP）是一种常用的时钟同步协议。
NTP的主要目的是通过计算时延、传播时间和时钟偏移等参数，使得多个分布式节点的时钟保持同步。
NTP主要由客户端、服务器和钟源三部分组成。
客户端通过向服务器请求当前时间来推测其时钟偏移和时钟漂移，并根据这两个参数来调整本地时钟。
而服务器是一种参考时钟，用于向客户端提供时间信息。
钟源是一种被广泛认可的时间源，提供稳定和高精度的参考时间。
由于其在网络中的应用广泛，因此NTP在许多嵌入式系统中也会被广泛使用。
但是，在实现NTP算法时，要考虑到系统资源有限的问题，以确保其在嵌入式系统上的有效性。
第二章 PTP精确时间协议（Precision Time Protocol，PTP）是一种最近被广泛应用于时钟同步领域的协议。
PTP被广泛应用于工业自动化、测试仪器和物联网等领域。
相比于NTP，PTP更加精确且快速。
PTP协议主要由主晶时钟、从晶时钟、时钟同步消息以及时间戳四部分组成。
主晶时钟是整个系统中的时间参考，从晶时钟是通过接收主晶时钟的同步消息而被同步的本地时钟。
时钟同步消息用于在主晶时钟和从晶时钟之间进行同步。
时间戳用于估计网络传输延迟和在主晶时钟和从晶时钟之间的时钟回路误差。
PTP在时间同步方面的性能优于NTP。
但是，由于PTP需要在每个节点上实现时钟同步机制，因此在实际应用中需要消耗更多的资源。
因此，在针对嵌入式系统的应用中，需要对PTP进行优化。
时间同步技术ppt课件
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（网络）
NTP（Network Time Protocol ）
体系结构（单机）
NTP（Network Time Protocol ）
可扩展性（Scalability）
在大规模网络中尤为重要 是大规模无线传感器网络软硬件设计中
非常重要的问题 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，搞毁能力 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 影响：数据融合和休眠唤醒方式节能
软硬件都要受到该限制 TPSN （Timing-sync Protocol for Sensor Networks）
FTSP （Flooding Time Synchronization Protocol） 单个报文中包括多个时间戳（在报文的不同位置）
存储与计算能力均比较小 确定，依赖报文长度和发送速率。
Encoding time & Decoding time
Byte alignment time
典型值
特性
0~100ms
10~500ms 10~20ms
<1μs（距离<300米）
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，依赖处理器负载、操 作系统系统调用开销
软件虚拟时钟 不同节点晶振不同，时间长了存在偏差
GPS（Global Position System）
时间同步和时钟同步原理及配置方法介绍 ppt课件
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时间同步实现机制---1PPS+TOD
1）1pps：秒脉冲信息，脉冲的上升沿标记一秒的开始； 2） TOD：绝对时间信息；按照GPS时钟格式表示，记时起点是1980年1月1日00：00： 00；TOD消息分为时间信息消息和时间状态消息两种。 TOD帧格式定义：
2字节
0x43
0x4d
帧头
主钟表
Tri: 各中间节点的驻留时间
从钟表
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1588V2时钟模型
PON系统的1588V2时钟模型？ 总体来看OLT+ONU为BC时钟模型 单独来看OLT或者ONU其时钟模型都为OC
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提纲
同步概念 1588v2时钟模型 1588v2同步实现机制 时间同步网管参数配置 1588v2同步典型应用方案
2. 时钟同步几种方式
● 同步以太网SYNCE ●1588V2恢复出时钟
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同步概念
在IEEE1588v2建议中定义了频率同步技术。该技术通过从节点与主节点快 速交换报文，获取时间戳。再计算相邻同步周期时间戳（t2-t1）值的相对差值 来计算同步周期内从时钟相对主时钟频率的漂移值，通过这个值调整本地时钟， 从而实现频率恢复。
各节点自行测 T1 量链路时延
correctionField= correctionField+TR1
correctionField= correctionField+TR3 T2
correctionField= correctionField+TR2 correctionField= correctionField+TR4
边界时钟
基于改进TPSN和卡尔曼滤波的时间同步算法
基于改进TPSN和卡尔曼滤波的时间同步算法摘要：给出一种基于改进TPSN和卡尔曼滤波提高TDOA定位中时间同步精度的方法。
TDOA定位中，信号接收设备之间的时间不一致性，最终将反映到定位解算方程中的距离测量上，因此，信号接收设备之间的精确时间同步成为基于TDOA定位的核心技术之一。
在比较了多种网络同步协议的基础上，改进主从节点间的TPSN同步协议。
另外，针对定位系统中各时钟存在时钟偏移和时钟偏移率的缺陷问题，结合时钟偏移和时钟偏移率的分布特性，利用卡尔曼滤波算法进行时间同步误差的纠正。
仿真结果表明，该算法能明显降低主从时钟之间的时间偏差。
关键词：时间同步；TDOA；时钟偏移；TPSN；卡尔曼滤波；同步精度中图分类号：TN92?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2018）13?0005?05Abstract：A method based on improved TPSN and Kalman filtering is presented to improve the time synchronization accuracy in TDOA location. Time inconsistency between signal receiving devices will ultimately influence on the range measurement in positioning resolving equation，so the precisetime synchronization between signal receiving devices becomes one of the core technologies based on TDOA location. On the basis of comparing several network synchronous protocols，the TPSN synchronous protocol between master and slave nodes was improved. The method of estimating the clock skew and clock drift rate is studied to overcome the defects existing in each clock in location system. The Kalman filtering algorithm is used to correct the time synchronization error in combination with the distribution characteristics of clock skew and clockdrift rate. The simulation results show that the proposed algorithm can obviously reduce the time deviation between master and slave clocks.Keywords：time synchronization；TDOA；clock skew；TPSN；Kalman filtering；synchronization precision 0 引言基于目?朔?射源的无线通信定位系统是由空间独立的信号接收设备（实现三维定位至少需要4台接收设备）、实现定位解算的中心控制系统和实现各接收设备之间通信的无线通信单元。
时间同步和时钟同步原理及配置方法介绍演示文稿
时间同步和时钟同步原理及配置方法介绍演示文稿时间同步和时钟同步是计算机网络中非常重要的概念，它们可以在分布式系统中确保各个计算机节点之间的时间保持一致，以提供良好的服务。
本文将详细介绍时间同步和时钟同步的原理和配置方法，并通过演示文稿的方式进行展示。
一、时间同步的原理和配置方法1.原理概述时间同步是指分布式系统中的各个节点之间通过网络协议或软件机制，使得它们的时间保持一致。
时间同步的基本原理是将一个节点的时间作为参考时间，通过协议或机制将参考时间传递给其他节点，使得其他节点的时间与参考时间保持一致。
2.常见的时间同步协议常见的时间同步协议有NTP（Network Time Protocol）和SNTP （Simple Network Time Protocol）。
-NTP是一个复杂的协议，它使用一种复杂的算法来计算和校准时间，可以提供较高的精度和稳定性。
-SNTP是NTP的简化版本，相对于NTP来说，SNTP功能较为简单，适用于要求不是很高的场景。
3.时间同步的配置方法在Linux系统中，可以使用ntpdate和ntp服务来实现时间同步。
- ntpdate命令可以手动从NTP服务器获取时间，并将其同步到本地系统时间。
- ntp服务是一个后台进程，可以自动从NTP服务器获取时间并进行同步。
二、时钟同步的原理和配置方法1.原理概述时钟同步是指分布式系统中的各个计算机节点的时钟保持一致。
时钟同步的基本原理是将一个节点的时钟作为参考时钟，通过协议或机制将参考时钟传递给其他节点，使得其他节点的时钟与参考时钟保持一致。
2.常见的时钟同步协议常见的时钟同步协议有PTP（Precision Time Protocol）和NTP。
-PTP是一种高精度的时钟同步协议，主要适用于需要非常精确的时钟同步的场景，如金融交易系统。
-NTP在时间同步上也具有一定的时钟同步能力，对于一般的时钟同步要求可以使用NTP来实现。
3.时钟同步的配置方法在Linux系统中，可以使用如下方法来实现时钟同步：-配置PTP协议：需要安装PTP软件包，并进行相应的配置。
《时钟同步教程》课件
通信网络
移动通信
移动通信网络中的基站和 终端设备需要时钟同步， 以确保信号的正确传输和 通话的连续性。
卫星通信
卫星通信网络中的卫星和 地面站需要时钟同步，以 确保信号的正确解调和通 信的可靠性。
网络时间协议
网络时间协议（NTP）用 于互联网上的时钟同步， 可以同步计算机的系统时 钟到网络时间服务器。
详细描述
IEEE 1588是一种精确时间同步协议，用于 分布式网络系统中的时钟同步。它通过硬件 和软件结合的方式实现高精度时间同步，常 用于音频和视频领域。软件定义网络（SDN ）是一种新型的网络架构，通过集中控制和 动态编程的方式实现网络资源的灵活管理和 调度。SDN可以与NTP或其他时钟同步协议 结合使用，提高网络中设备的时间同步精度
《时钟同步教程》ppt课件
目录
• 时钟同步概述 • 时钟同步技术 • 时钟同步的应用场景 • 时钟同步的挑战与解决方案 • 时钟同步的发展趋势
01
时钟同步概述
时钟同步的定义
总结词
时钟同步是指通过某种技术或方法，使不同设备或系统之间的时钟显示相同的 时间或保持时间的一致性。
详细描述
时钟同步是指在多个设备或系统之间，通过一定的技术手段或协议，实现时间 显示的一致性或时间的同步。这通常涉及到时间戳的传递、校准和调整，以确 保所有设备或系统的时间显示相同或保持同步。
02
时钟同步技术
网络时间协议（NTP）
总结词
网络时间协议是用于同步计算机时钟的互联网标准协议。
详细描述
NTP是一种分布式的时间同步协议，它通过互联网上的时间 服务器和客户端之间的交互，实现计算机时钟的同步。NTP 使用分层时间服务器的结构，通过时间服务器之间的相互同 步，实现时间的高精度传递。
基于脉冲耦合的TPSN时间同步协议
中图分类号 ： ＴＮ９ ２ ９ ． ５
文 章编 号：０ ２ ５ ５ ． ８ ２ ９ ７ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ — ０ ０ １ ５ — ０ ６
ＴＰ Ｓ Ｎ Ｔｉ ｍｅ Ｓ ｙ ｎｃ ｈｒ ｏ ｎｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏｎ Ｐｒ ｏ ｔ ｏｃ ｏ ｌ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｐｕｌ ｓ ｅ Ｃｏｕ ｐｌ ｉ ｎ ｇ
ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｔ ｉ ｍｅ ｓ ｙ ｎ ｃ ｈｒ ｏ ｎ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｃ ｈ ｅ ｍｅ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｐ ｕｌ ｓ ｅ － ｃ ｏ ｕ ｐ ｌ ｅ ｄ ｓ ｙ ｎ ｃ ｈ ｒ ｏ ｎｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏｒ ｆ ｄｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｅ ｄ ｎ ｅ ｔ ｗｏ ｒ ｋ ｓ ． Ａ ｎｅ ｔ ｗｏ ｒ ｋ ｔ ｏ ｐｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｉ ｓ ｂ ｕｉ ｌ ｔ ｔ ｏ ｅ ｎ ｓ ｕ ｒ ｅ ｔ ｈａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｔ ｉ ｍｅ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｎ ｅ ｔ ｎ ｏ ｄ ｅ ｓ ｏ ｆ ｐｒ ｅ ｖ ｉ ｏ ｕ ｓ ｈ ｉ ｅ ｒ ａ ｒ ｃ ｈ ｙ ｃ ａ ｎ ｂｅ ｒ ｅ ｃ ｅ ｉ ｖ ｅ ｄ
Ｇ ｕ ｉ ｌ ｉ ｎ ５ ４ １ ０ ０ ４ 。 Ｇｕ ａ ｎ ｇ ｘ ｉ Ｐｒ ｏ ｖ ｉ ｎ ｃ ｅ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｉ ｎ ｖ ｉ ｅ ｗ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｄ ｉ ｓ ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｔ ａ ｇ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｒ ａ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｔ ｉ ｍ ｉ ｎ ｇ ｓ ｙ ｎ ｃ ｐ ｒ ｏ ｔ ｏ ｃ ｏ ｌ ｆ ｏ ｒ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ｎ ｅ ｔ ｗ ｏ ｒ ｋ ｓ （ Ｔ Ｐ Ｓ Ｎ ） ， ａ ｐ ｕ ｌ ｓ ｅ — ｃ ｏ ｕ ｐ ｌ ｅ ｄ ｔ ｉ ｍｅ ｓ ｙ ｎ ｃ ｈ ｒ ｏ ｎ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｒ ｏ ｔ ｏ ｃ ｏ ｌ ｏ ｆ ｒ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ｎ ｅ ｔ ｗ ｏ ｒ ｋ ｓ （ Ｐ — Ｔ Ｐ Ｓ Ｎ ） ｉ ｓ ｐ ｒ ｏ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ． Ｐ — Ｔ Ｐ Ｓ Ｎ ｉ ｓ ａ ｎ ｏ ｎ —
无线传感器网络TPSN-RBS联合时间同步算法
无线传感器网络TPSN-RBS联合时间同步算法姜帆;郑霖【摘要】针对大规模多跳传感器网络节点间所存在的同步误差及其累积误差问题,提出了一种基于加权最小二乘法的TPSN-RBS联合时间同步算法.该算法充分利用可监听到的消息,通过加权最小二乘法估计得到节点逻辑时钟的时间偏移和频率偏移的最优解.用Cramér-Rao下界对本算法进行性能分析,同时与TPSN算法进行仿真对比,结果表明:该算法提高了节点间的同步精度,且在节点密集的大规模无线传感器网络中,在保证较低通信量的同时降低了累积误差.【期刊名称】《传感器与微系统》【年(卷),期】2016(035)001【总页数】5页(P149-152,160)【关键词】无线传感器网络;时间同步;加权最小二乘法【作者】姜帆;郑霖【作者单位】无线宽带与信号处理重点实验室,广西桂林541004;桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林541004;无线宽带与信号处理重点实验室,广西桂林541004;桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林541004【正文语种】中文【中图分类】TP393时间同步是无线传感器网络(WSNs) 的一项重要支撑技术，时间同步在很多方面都有广泛的应用。
从目前的研究成果来看，无线传感的网络中的时间同步技术主要可以分为基于发送者—接收者的同步 (sender-receiver synchronization,SRS)机制[1]，这种算法单跳同步精度比较高，但是需要多次的时间信息收发，因此,需要较大的通信量和存储空间。
基于接收者的同步(receiver-only synchronization,ROS) [2]，以及基于接收者—接收者的同步 (receiver-recei-ver synchronization,RRS)机制[3]，这些算法很难做到同时兼顾同步精度和能耗，且这些算法的同步误差随跳距累积，难以扩展到大规模高密度无线传感器网络。
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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
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。
➢ 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
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
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
目录
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。
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。
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
பைடு நூலகம்
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。
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。
➢ 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。
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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
同步，不同系统要求程度不同。
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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 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
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
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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。
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02 TPSN时间
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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。
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层次发现
每一个节点 节点至少要 信；
时间同步