第四章_2_-无线传感器网络的支撑技术-时间同步4学时

时间同步的参考时间来源？
参考时间来源有两种情况： 外同步：标准参考时间来自于外部 内 同 步 ： 参 考 时 间 来 自 于 网 络 内 部 某个节点的时间
1．硬件时钟模式
在硬件系统的时钟计数中，计算时间的一个重要的公式是： 式中，w(t)是晶振的角频率，k是依赖于晶体物理特性的常量，t是真实时间 变量， c(t)是当真实时间为t时节点的本地时间。
4.2.2 时间同步协议
（5）发送者－接收者同步与接收者－接收者同步 在进行发送者－接收者同步时，发送者在报文中嵌入
报文发送时间，而接收者在接收到报文后记录下接收时间， 并利用这些时间信息计算出收发双方的时钟偏移，进而达 到收发双方的时间同步。
接收者－接收者同步时，发送者发送一个同步报文到 多个接收者，这些接收者通过对同一个报文时间的比较， 计算出它们之间的时钟偏移，从而达到接收者一接收者同 步。
文到达节点i和节点j的时间延迟相等
。节点j收到参
考广播报文后，立即发送包含有 信息的报文给节点i，
于是节点i就可以计算收到两条报文的时间间隔D为
广播参考报文的方法只能使节点间的时钟保持相对同步。
接收者-接收者同步模式：多个接收者利用发送者发送的同 步包在若干接收者之间进行同步，接收者-接收者模式缩短了 关键路径，避免发送者到接收者的关键路径过长而导致的不 准确的传输延迟估计。
（1）单向报文传递 类似于发送者-接收者同步模式
4.2.1 时间同步模型
（1）单向报文传递 节点i在本地时间 时刻向节点j发送一个报文， 包含时间戳 。假设节点j在本地时间 时刻收 到上述报文。节点j不知道报文的传递时延d，所 以只能对d进行估计，如果知道d的上界和下界， 则可以得到 进而估计节点i和节点j之间的时间偏差公式为
4.2.2 时间同步协议
2
（1）时钟速率同步与偏移同步 速率同步是指各个传感器节点测量所得的时间间隔相
等，在目标跟踪、定位等应用中，节点时钟速率同步是最 低的同步要求。
偏移同步是指传感器节点在当前时刻t的时钟时间显 示相等，即在时刻t传感器节点的时钟读出时间同为T，而 不管时钟速率是否同步，偏移同步对传感器网络中不同节 点间的时戳结合是必须的。
隔，并不需要事件发生的绝对时间。这种情况下，只需要 内同步（相对同步），网络必须内部一致，不需要它们与 外界标准时间保持一致性。
另一类应用要求外同步（绝对同步），即每个节点都 要与外部时间标度（如UTC）保持同步。通常的环境监控 或者需要数据存档的应用中，比较需要外同步，而且要求 的同步期限比较长。
发送者-接收者同步模式：发送者发送带有时间戳的同步包 给接收者，以此来同步接收者的时间。
这种模式的缺陷是不能够准确地估计算出报文的传输延迟，精度不高，通过 单个报文的传输不能够准确地估算传输延迟，并且假设报文传递过程中只有 传播延时，忽略了无线信道的许多不确定因素的影响 。
4.2.1 时间同步模型
是有界的 时钟漂移的变化主要是温度和电源电压等因素发生变化所 引起的，一般变化速率相对缓慢，可以通过适当的补偿算 法加以修正。
4.2.1 时间同步模型
（2）节点逻辑时钟模型 任一节点i在物理时刻t的逻辑时钟读数可以表示为
其中， 为当前本地时钟读数， 为频率修正系数， 为初 相位修正系数。采用逻辑时钟的目的是对本地时钟进行一 定的换算以达成同步。为了同步任意两个节点i和j，构造 逻辑时钟有两种途径： ① 根据本地时钟与物理时钟等全局事件基准的关系进行
时间同步技术起源——NTP
NTP协议采用的是分层结构，拓扑结 构如图所示，整个NTP协议分为三层结 构，其中A1、A2、A3为顶层的时间服 务器，B1、B2、B3为第二层时间服务 器，其余均为客户机。 第一层时间服务器通过地球观测卫星 或者位于科罗拉多的WWV短波电台获 得标准的UTC时间，其他层的时间服务 器或者客户机选择一个或者多个上一层 的时间服务器来同步本地时间，从而使 整个网络所有服务器和客户机时间同步。
2．软件时钟模式
在软件时钟模型中，也存在一个用于记录时钟脉冲的计数器，软件时钟模型 与硬件模型不同，它不直接修改本地时钟，而是根据本地时钟h(t)与真实时 间的关系来换算成真实时间的函数c(h(t))。c(h(t))=t0+h(t)−h(t0)就是一个最简 单的虚拟软件时钟的例子，实际应用中，软件时钟还要考虑到时钟漂移对时 钟的影响，因此更加复杂。
课程目录
4.2 无线传感器网络时间同步技术 4.2.1 时间同步模型 4.2.2 时间同步协议
4.2.2 时间同步协议
1．时间同步的类别 时间同步一般理解为使许多节点的时钟显示相同的时
间，实际上有很多种不同类型的同步。 在为给定的应用选择同步算法时，要在最大程度满足
应用的同时尽可能将计算、存储，尤其是能量开销降到最 低。
4.2.2 时间同步协议
（2）同步期限：长期同步与按需同步 时间同步的同步期限是指同步要保持的时间长短。在
长期同步的情况下，维持同步的代价是很大的，随着时间 的推移，节点间误差逐渐增加，可能还需要周期性地再同 步。
按需同步是指传感器节点的时间在相关事件发生前后 进行同步，它不需要大量的维护同步的通信开销，节省了 通信带宽和节点能量。对一些传感器网络的应用，按需同 步效率更高。
时间同步技术关键问题
影响时间同步的传输时延 发送时间：发送方用于组装并将报文换交给发送方MAC层的时 间。 访问时间：指在发送方MAC层从获得报文后到获取无线信道发 送权的等待时间。 传送时间：发送方发送报文的时间，即从报文的第一个字节开 始发送到发送完最后一个字节的时间。 传播时间：报文从发送方以电磁波的形式传送到接收方所花费 的时间。 接收时间：接收方接收报文的时间。它和传送时间完全相同， 具有确定性。 接受时间：用于处理接收到的报文的时间。
假定 1 2 ，可计算出：

(T 4

T 3) (T 1 T 2)
2
(T 2 T 1) (T 4 T 3)
NTP协议
NTP协议层次型树形结构
UTC时间源
一级时间基准服 务器
一级时间基准服 务器
一级时间基准服 务器
二级时间基准服务器
客户端
二级时间基准服务器
二级时间基准服务器
4.2.1 时间同步模型
① 速率恒定模型。速率恒定模型假定时钟速率是恒定的， 即晶振频率没有波动发生。当要求的时钟精度远低于频率 波动导致的偏差时，该模型的假定应该是合理的。 ② 漂移有界模型。定义时钟速率 相对于理想速率1的偏差 为时钟漂移(drift) ，即 。 漂移有界模型在工程实践中非常有用，常用来确定时钟的 精度或误差的上下界。 ③ 漂移变化有界模型。该模型假定时钟漂移的变化
第四章 无线传感器网络的支撑技术
课程目录
4.1 无线传感器网络定位技术 4.2 无线传感器网络时间同步技术 4.2 无线传感器网络数据融合技术
什么叫时间同步？
时间同步：使网络中所有节点的时间保持一致，按照 网络应用的深度可以分为三种不同的情况：
第一种：时序确定，判断事件发生的先后顺序，对 本地时间的要求比较低，只需要知道本节点与其余节 点的相对时间即可
4.2.1 时间同步模型
（1）节点本地时钟模型 在计算机系统中，时钟通常用晶体振荡器脉冲来度量:
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4.2.1 时间同步模型
（1）节点本地时钟模型 两个主要参数：
4.2.1 时间同步模型
（1）节点本地时钟模型 在工程实践中，因为温度、压力、电源电压等外界环境的 变化，往往会导致晶振频率产生波动。因此，构造理想时 钟比较困难。 在一般情况下，晶振频率的波动幅度并非是任意的，而是 局限在一定的范围之内，为了方便描述和分析，定义如下 3种时钟模型:
第二种：相对同步，节点维护自己的本地时钟，周 期性地获取其邻居节点与本节点的时钟偏移，实现本 节点与邻居节点的时间同步
第三种：绝对同步，所有节点的本地时间严格同步， 等同于标准时间，这种情况对节点的要求最高，因此 实现也最为复杂
为什么要时间同步？
估计目标的运行速度和方向 数据融合需要时间同步 用户交互性需要 ……
4.2.2 时间同步协议
（3）同步范围：全网同步与局部同步 同步范围是定义网络中哪些节点是需要同步的。在有
些情况下，范围可能纯粹是地理上的距离。而在其他情况 下，逻辑距离更有用，如网络中的跳数。根据不同的应用， 范围可能是网络中所有节点或者部分节点。
4.2.2 时间同步协议
（4）内同步和外同步 一些应用只需要记录事件发生的先后顺序以及时间间
如何实现时间同步？
时间同步技术起源——NTP
到目前为止，时间同步技术的研究已经有了30年之久，最早的时间同步 机制是美国一所大学提出的网络时间协议（NTP）。NTP协议的时间同步 精度可以达到毫秒级，通过外界一个精准的时间源接收机，顶层的时间服 务器可以获得高精度的参考时间，并向全网内提供统一的时间服务。
4.2.1 时间同步模型
1．时钟模型 2．时间同步机制
4.2.1 时间同步模型
1．时钟模型 传感器网络中节点的本地时钟依靠对自身晶
振中断计数实现。 晶振的频率误差和初始计时时刻不同，使得
节点之间本地时钟不同步。 如果能估算出本地时钟与物理时钟的关系或
本地时钟之间的关系，就可以构造对应的逻 辑时钟以达成同步。 目前的逻辑时钟同步算法，同步精度已达到 1s，可以满足传感器网络中绝大部分应用的 需求。
和
之间。由此可以确定节点i、j之间的时间
偏差为
假设上行报文和下行报文的时间延迟相
等，即
双向报文交换是应用很广泛的一种时间校正技术，精
度比较高。但是网络负载比较大，耗能较高，而且需要周
期性地执行同步过程。
4.2.1 时间同步模型
（3）广播参考报文
利用第三个节点k作为参考节点，发送时间同步的参
考广播报文给相邻的节点i和节点j。假设这个参考广播报
二级时间基准服务器
客户端
时间同步技术起源——NTP
• NTP不适合于WSN • 体积、计算能力和存储空间存在限制 • 目标不同：局部最优而非全局最优
WSN同步算法与协议设计
一跳 内 同步
全网 络
同步
点到点 同步
点到多点 广播同步
构建层次 逐跳同步
各自同步 协同优化
核心：消除关键路径引入 的误差
核心：减小误差（方差） 累计
时间同步技术关键问题
在设计无线传感器网络的时间同步协议时，需要满 足以下几点要求：
能量有限 可扩展 稳定性
时间同步技术关键问题
1、传输延迟不可预测 无线传感器网络中，时间同步技术的一个重要难题是报文传 输延迟的不确定，由于处理器处理能力有限、网络负载不确 定等因素的影响，延迟不能够被精确地计算出来；另外传输 延迟比要求的时间同步的精度要大得多。
（2）双向报文交换
双向报文交换时间校正技术复杂的多。节点i在本地时
钟 时刻向节点j发送同步报文，节点j在本地时钟时刻
接收到该报文，之后立即向节点i发送应答报文，节点i在 本地时钟时刻 接收到该应答报文。则报文的往返时间
为D，大小为
，报文的传递时延d在0～D之间。如果
知道d的上界和下界，节点j可以确定d在
变换 ② 根据两个节点本地时钟的关系进行对应换算。
两种方法都估计了频率修正系数和初相位修正系数， 精度较高。
4.2.1 时间同步模型
2．同步机制 节点时间校正技术是无线传感器网络时间同
步的核心和基础。目前主要的时间校正技术有单 向报文传递、双向报文交换、广播参考报文和参 数拟合技术。
4.2.1 时间同步模型
时间同步技术关键问题
2．高能效 无线传感器网络的软/硬件设施要求节点体积尽量小， 尽量廉价，因此要求时间同步技术具有高能效的特点。 3．可扩展、健壮 采用逐跳的时间同步机制，因此随着网络规模的扩大， 时间同步技术必须保证网络扩展后同步误差不会超过误 差界限，并且能够稳定工作。
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4.2 无线传感器网络时间同步技术 4.2.1 时间同步模型 4.2.2 时间同步协议
时间同步技术起源——NTP
通过上层服务器的标准参考时间，服务器利用一个闭 环控制系统来调整自己的本地时间
时间同步技术起源——NTP
客户端 T1 δ1
δ2 T4
服务器 T2 T3
假定客户端时钟比服务器时钟快θ
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