无线传感器时间同步技术TPSN协议
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：
无线传感器网络中基于层次结构的时间同步算法
无线传感器网络中基于层次结构的时间同步算法陶志勇;胡明【期刊名称】《计算机应用》【年(卷),期】2012(32)6【摘要】时间同步作为无线传感器网络的关键技术之一,对整个网络的工作和发展有着至关重要的作用.提出了基于层次结构的传感器网络时钟同步协议(TPSN)改进算法:在层次建立阶段采取等级广播,在同步阶段采取直接双向和间接双向相结合的时间同步方式,获得相对较少的报文开销和系统维护开销；进行了时间频率偏移校正,以保证节点的时间同步精度.仿真实验结果表明,该算法不仅提高了网络的同步精度,也节约了网络的能量消耗,更加满足实际应用的需求.%Time synchronization is one of the key technologies for wireless sensor networks, and it plays an irreplaceable role for the work and development of the entire wireless sensor network- This paper proposed an improved Timing-sync Protocol for Sensor Networks (TPSN) algorithm based on hierarchy. This algorithm took level-broadcast in phase of level establishment, and a combined active and inactive two-way synchronization algorithm was used in phase of time synchronization, obtaining a relatively small cost of packet and system maintenance. This improved algorithm carried out time-frequency offset correction, and ensured the accuracy of the node. The improved TPSN algorithm not only enhances the accuracy of synchronization, but also saves the energy consumption for the network.【总页数】4页(P1513-1515,1551)【作者】陶志勇;胡明【作者单位】辽宁工程技术大学电子与信息工程学院,辽宁葫芦岛125105;辽宁工程技术大学研究生学院,辽宁葫芦岛125105【正文语种】中文【中图分类】TP393.02【相关文献】1.无线传感器网络中基于层次时间同步算法 [J], 金虎2.基于无线传感器网络的井下时间同步算法设计 [J], 杨治秋;原福永3.基于频偏估计的无线传感器网络时间同步算法 [J], 孙毅;曾璐琨;武昕;陆俊;孙跃4.基于区域扩散机制的无线传感器网络时间同步算法 [J], 汪涛5.基于簇的能量均衡无线传感器网络时间同步算法 [J], 孙毅;南婧;武昕;陆俊因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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。
无线传感器网络中的时钟同步算法研究
无线传感器网络中的时钟同步算法研究一、引言无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是由大量分布式的传感器节点组成的网络系统，用于监测、收集和传输环境中的数据。
时钟同步是无线传感器网络中的一个重要问题，它对于网络的可靠性和性能至关重要。
本文将介绍无线传感器网络中的时钟同步算法的研究进展。
二、时钟同步问题概述在无线传感器网络中，每个传感器节点都有自己的时钟，但由于各种因素的影响，如温度、电压等，节点的时钟会出现误差。
这些时钟误差会导致数据的不一致性和通信的不可靠性。
因此，时钟同步问题需要被解决，以确保节点的时钟能够保持一定的准确性和一致性。
三、时钟同步算法分类时钟同步算法可以分为两种类型：全局时钟同步算法和相对时钟同步算法。
1. 全局时钟同步算法全局时钟同步算法旨在使网络中的所有节点的时钟保持一致。
其中最为经典的算法是Flooding Time SynchronizationProtocol(FTSP)。
FTSP通过洪泛方式，将节点的时钟信息传递给其他节点，进而实现时钟同步。
然而，FTSP算法对网络资源的消耗较大，且易受到网络环境的影响。
2. 相对时钟同步算法相对时钟同步算法是指通过比较节点间的时钟差距，实现节点间的时钟同步。
一种常用的相对时钟同步算法是Timing-sync Protocol for Sensor Networks(TSPN)。
TSPN通过节点间的相对比较，计算出节点间的时钟差值，并以此来进行时钟同步。
相比于全局时钟同步算法，相对时钟同步算法更加灵活和适应性强。
四、时钟同步算法研究进展目前，无线传感器网络中的时钟同步算法研究已取得了一系列重要成果。
1. 时钟校准技术时钟校准技术是解决时钟同步问题的一种重要手段。
该技术主要包括外部校准和内部校准两类。
外部校准是通过与外界时间参照进行比较，对节点的时钟进行调整；内部校准是利用节点间的相对比较信息进行时钟校准。
精品文档-无线传感器网络技术原理及应用-第5章
12
3. 全网同步与局部同步 根据不同应用的需要，若需要网内所有节点的时间同步， 则称为全网同步。而某些时间触发类应用，往往只需要部分 与该事件相关的节点时间同步即可，称为局部同步。
13
5.1.3 协议 本节将介绍无线传感器网络领域内具有代表性的时间同
步协议。典型的时间同步协议有DMTS协议、RBS协议以及TPSN 协议。
18 图5-2 RBS协议基本原理
19
发送节点广播一个信标分组，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间记 录接收到信标分组的时刻，然后交换它们记录的信标分组接 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t2-t1，其中一个接收节点可以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。
27
5.1.4 应用 时间同步是无线传感器网络的基本中间件技术，不仅对
其他中间件，而且对各种应用都起着基础性作用，一些典型 的应用如下。
1. 多传感器数据压缩和融合 当传感器节点密集分布时，同一事件将会被多个传感器 节点接收到。如果直接把所有的事件都发送给基站节点进行 处理，将造成对网络带宽的浪费。
26 假设报文的传输延迟相同，均为d。
由 T2 T1 t d
(5-1)
T4 T3 ， t d
可得
t (T2 T1) (T4 T3) 2
d (T2 T1) (T4 T3) ，2
(52)
因此在T4时刻，若在节点A的本地时间上增加修正量t， 就达到和节点B之间瞬时的时间同步，此时刻称为同步点。
8
5.1.2 方法 目前无线传感器网络的时间同步方法有很多，可以将其
分为三类： 排序、相对同步和绝对同步。 外同步和内同步。 全网同步和局部同步。 1. 排序、相对同步和绝对同步 一些研究者将时间同步的需求分为排序、相对同步和绝
第6章 无线传感器网络--时间同步
31
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
32
传感器网络的常用时间同步机制
改进方法：
48
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
49
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”
55
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
27
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
28
6.3传感器网络时间同步机制
TPSN时间同步算法研究
另一方面节省了下层节点时间同步时与他们的一次完
整的数据交换。
THANK YOU
——层次间开销优化设计（1）
网络拓扑简化，采用选择最佳邻居的拓扑优化思路，该算法被命名为 best-Neighbor TPSN，即 N-TPSN。
N-TPSN时间同步算法
——层次间开销优化设计（2）
检测 1 跳邻居
保存选中名单
计算 2 跳邻居
计算最佳邻居
➢ 1 号节点的 1 跳节点中只有 2、4、6、8 号节点需要
向1 号节点发送时间同步请求数据包，3、5、7、9
号节点只需要进行无线信道的监听。在 1 跳范围内的
节点被同步到 1 号节点之后，2 跳节点只需要向之前
进行了同步数据交换的节点发送请求，即 10、11 节
点只需要向 2 号节点发送时间同步请求数据包。
➢ 相对于 TPSN 协议，一方面 3、5、7、9 四个节点节
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。
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
➢ 基于发送者——接收者的双向时间同步算法，类似于传统Internet 中的 NTP协议，即基
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。
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
01
02
时钟源节点作为根节点，广播级
无线传感器网络中的时钟同步技术研究
无线传感器网络中的时钟同步技术研究时钟同步在无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSNs）中具有重要意义。
WSNs由大量分布在监测区域内的低功耗无线传感器节点组成，这些节点通常被用于采集环境数据、感知事件并将其传输到控制中心。
在这些应用中，节点之间的时钟同步对于数据的准确采集和时间序列分析至关重要。
本文将介绍无线传感器网络中的时钟同步技术研究。
传感器网络中的时钟同步问题主要包括全局时钟同步和局部时钟同步两种。
全局时钟同步是指在整个网络中节点的时钟被调整到一致，而局部时钟同步是指在一些子区域内的节点的时钟被调整到一致。
全局时钟同步的目标是使得网络中的所有节点的时钟误差在可接受的范围内。
在WSNs中，节点的时钟通常由晶振产生，而晶振的频率不同会导致节点之间时钟的不一致。
为了实现全局时钟同步，研究者们提出了许多时钟同步算法，包括Flooding Time Synchronization Protocol (FTSP)、Reference Broadcast Synchronization (RBS)、Timing-sync Protocol for Sensor Networks (TPSN)等。
FTSP是一种基于洪泛的时钟同步协议，节点通过广播消息来同步时钟。
RBS通过引入参考节点的方式来实现时钟同步，参考节点将时间信息广播给其他节点。
TPSN是一种树型拓扑的时钟同步协议，通过树状的时间戳广播来实现节点的时钟同步。
局部时钟同步的目标是在一部分子区域内使得节点的时钟保持一致。
局部时钟同步在许多应用场景中都是非常重要的，比如在无线传感器网络中的事件检测、协同通信等。
为了解决局部时钟同步问题，研究者们提出了一些具有高效性和可扩展性的时钟同步算法，比如PairwiseBroadcast Synchronization (PBS)、Gradient-based Time Synchronization Protocol (GTSP)等。
无线传感网 -第7章 同步技术
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
（4）NTP协议需要频繁交换信息，来不断校准时钟频率偏差带来的误差。并通过复杂的修 正算法，消除时间同步消息在传输和处理过程中受到的非确定因素干扰，CPU使用、信道侦 听和占用都不受任何约束。而传感网存在资源约束，必须考虑能量消耗。
7.1.2 传感网时间同步协议的特点（2）
另外，GPS系统虽然能够以纳秒级的精度与世界标淮时间UTC保
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。
无线传感器网络中基于时钟漂移补偿的时间同步技术
虑发送端的不确定性的影响，并且可以通过节点之间数据报文的多次广播求取平均值来减小传播时
延所带来的误差。这在节点密度很大的区域内工作时很有优势。
122
时间频率学报
做时间标记Li (t3.i ) t1.i t2.i t3.i
i
总 32 卷
R t0
j t1. j t2. j t3. j 交换 t3 时刻数据 做时间标记L j (t3. j )
在时间同步算法中，如何在保证时钟精度的前提下尽量减少执行的次数从而减小能量消耗，是 传感器网络中时间同步技术所面临的主要问题。本文先简单讨论当前主流时间同步协议，并指出其 不足之处。然后估算出节点时钟的频率漂移率和时钟偏移，并进行补偿，进而提出一种高效的时间 同步方法，最后对该方法进行了分析以及仿真验证，获得了预期的效果。
由于这些能量上的限制一些传统的时间同步方法如gps系统网络时间协议ntp就不再适用于传感器网络这样能量有限的分布式系统因此适合于无线传感器网络的时间同步技术就成为了传感器网络领域一个新的研究热点
总第 32 卷 第 2 期 2009 年 12 月
时间频率学报
Journal of Time and Frequency
下面简单分析一下上述各种协议。
无线传感器时间同步技术——TPSN协议
3
目的：生成节点层次结构，每个节点被赋予一个级别，根节点为0级， 第i级的节点至少能够与一个第（i-1）级得节点通信 网络部署后，由根节点广播级别发现分组来启动层次发现阶段，级别 发现分组包含节点的ID和级别 邻居节点收到分组后，将自己的级别设置为分组中的级别加1 ，然后 广播新的级别发现分组 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（i+1），广播级别为（i+1）的分组，这个过程持 续到网络内每个节点都被赋予一个级别 节点一旦建立自己的级别，就忽略任何其他级别发现分组，防止网络 产生洪泛拥塞
The End Thank you！
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
8
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
时间同步协议
——TPSN
赵 晖
2011.6.9
协议思想
Friday, May 16, 2014
协议过程
性能分析
Friday, May 16, 2014
1
TPSN时间同步协议思想
TPSN （ Timing-sync Protocol for Sensor Networks ）
1、TPSN是类似于NTP（Network Time Protocol）时间同 步协议 2、目的是提供传感器网络全网范围内节点间的时间同步 3、节点结构中包含一个根节点，它与外界通信获取外界时 间，以此作为整个网络系统的时钟源 4、将节点分级后（根节点是0级，累加），每个节点同上一 级的一个节点进行时间同步，最终与根节点同步 5、节点对之间的同步采用发送者-接收者同步机制（RBS）
计算机系统结构论文：无线传感器网络 时间同步 TPSN RBS 路由协议 GPSR 按需
计算机系统结构论文：结合路由服务的无线传感器网络按需时间同步协议【中文摘要】在无线传感器网络的众多技术中时间同步技术成为其重要支撑技术,其重要性是由无线传感器网络的特点决定的。
众所周知,时间同步是在分布式系统中使用率非常高的一项技术,它涉及到系统中各节点对分布式任务的协同合作,每个节点的内部时钟偏差使得这种协同合作几乎成为不可能。
由于每个传感器节点的能量受限,数据传输率不高,因此在无线传感器网络中不能采用像在因特网上已经广泛使用的NTP协议和GPS等能量损耗较大的复杂技术,必须设计出一种简单、方便、能耗低的时间同步协议。
基于以上考虑,已有许多符合无线传感器网络QoS的时间同步协议问世,它们各有利弊。
比较典型的有RBS、TPSN、LTS、TS/MS、DMTS、FTSP等。
本文在已被广泛认可的TPSN(Timing-sync Protocol for Sensor Networks)和RBS (Reference-Broadcast Synchronization)等时间同步协议基础上,结合无线传感器网络中网络层已比较完善的路由协议,提出了一种结合路由服务的按需时间同步协议OTPRS(On-demand Timing-sync Protocol with Routing Serv...【英文摘要】Time synchronization technology has become an important supporting technology in the wireless sensor network, the characteristics of wireless sensor networks determine the importance. As we all know, time synchronization in distributedsystems is a technique with very high utilization, which involves the distributed task collaboration of each node in the system, the internal clock skew of each node makes this collaboration is almost impossible. Since each sensor node’s energy is limited, the data transmit r...【关键词】无线传感器网络时间同步 TPSN RBS 路由协议 GPSR 按需【英文关键词】Wireless Sensor Network Time Synchronization RBS TPSN Router protocol On-demand【目录】结合路由服务的无线传感器网络按需时间同步协议中文摘要5-6Abstract6 1 绪论9-12 1.1 研究背景9-10 1.2 研究内容和目标10 1.3 主要工作及组织结构10-12 2 无线传感器网络及其时间同步协议综述12-29 2.1 无线传感器网络的基本特征及其应用12-14 2.1.1 无线传感器网络的基本特征12-13 2.1.2 无线传感器网络的基本应用13-14 2.2 无线传感器网络的体系结构14-19 2.2.1 无线传感器网络结构14-16 2.2.2 无线传感器网络中传感器节点的结构设计16-18 2.2.3 无线传感器网络的协议栈18-19 2.3 无线传感器网络的时间同步19-22 2.3.1 无线传感器网络时间同步的意义及特点19-20 2.3.2 时间异步的主要原因20-21 2.3.3 单跳延时分析21-22 2.4 无线传感器网络各种时间同步协议22-29 2.4.1 无线传感器网络时间同步协议分类方法22-23 2.4.2 几种典型的无线传感器网络时间同步协议23-29 3 一种结合路由服务的按需时间同步协议29-44 3.1 按需时间同步的设计思想29-30 3.2 结合路由服务的按需时间同步协议OTPRS30-39 3.2.1 OTPRS实现细节30-32 3.2.2 OTPRS误差分析32-36 3.2.3 OTPRS 多跳误差分析36-38 3.2.4 使用OTPRS协议的数据融合技术误差分析38-39 3.3 结合路由服务的按需时间同步协议OTPRS 仿真分析39-44 3.3.1 单跳时间同步协议仿真及误差分析39-41 3.3.2 多跳时间同步协议仿真及误差分析41-44 4 基于地理位置的贪婪路由协议的改进44-52 4.1 GPSR算法的实现44-46 4.2 一种改进的自适应的贪婪地理路由协议46-48 4.3 路由协议仿真结果及分析48-52 5 结论与展望52-53参考文献53-57在校期间发表的论文、科研成果等57-58致谢58。
无线传感器组网-时间同步技术
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。
思考
• 为什么需要时间同步？
• 时间同步能解决什么问题？
CSMA/CA协议需要严格的时间同步
根据CSMA/CA协议，当节点要传输一个分组时，它首先侦听信道状 态。如果信道空闲，而且经过一个帧间间隔时间DIFS后，信道仍然空
闲，则站点立即开始发送信息。如果信道忙，则站点始终侦听信道，
直到信道的空闲时间超过DIFS。当信道最终空闲下来的时候，节点进 一步使用二进制退避算法，进入退避状态来避免发生碰撞。
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。
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。
第七章 时间同步【无线传感网络】
其他协议
TMSP的时间同步技术 TSMP中的节点定期进行时间更新 TSMP应用于规模不大的无线MESH网络，加之其是 基于TDMA的协议，所以其时间同步精度较高；由于 充分利用了ACK消息等通信机制，因此同步的通信开 销也不大。
其他协议
LTS时间同步协议 基于树形结构的轻量级同步协议依靠树形分层结构 进行全网的时间同步，类似于TPSN。 LTS的多跳同步机制包含两种方式：集中式和分布式。
TSync同步协议 TSync是一个混合式协议。该协议结合了基于树的同 步方法和类似RBS的接收者——接收者同步模式。因 此，TSync实际包含两个协议：分层索引时间同步协 议和独立时间请求协议
无线传感器网络wirelesssensornetworks202092第七章时间同步tpsnrbsftsptmspltstsync内容提要wsn时间同步技术背景在无线传感器网络中每个传感器节点都有各自的时钟为了正常进行协调工作满足上层应用和其他协议的要求节点间必须进行时间同步
无线传感器网络
Wireless Sensor Networks
• RBS协议不是去同步报文的收发双方，而是去同步报文的 多个接收者。
RBS
• RBS中是通过广播同步信标分组实现接收节点之间的相对 时间同步，信标分组本身并不需要携带任何时标，不依 赖于信标的发送时间。
• 由于无线信道的广播特性，信标分组相对所有接收节点 而言同时发送到物理信道上，这样就除去发送时间和访 问时间引入的时间同步误差。
• 集中式系统与分布式系统
• 集中式：事件间有着明确的时间先后关系，不存在同步问题 • 分布式：同步是必需的，只是对同步的要求程度不同
传感器网络时间同步
8.小结
传感器网络的时间同步研究集中于三种同步模型： 第一种可能是最简单的模型，仅仅确定事件发生的正确顺序，重点是维护两个传感器节点感知事件之间的时间关联，而不是节点之间的时间同步。 第二种模型相对复杂，用来维持节点间的相对时间。每个节点都维持独立的时钟，但节点时钟之间相互不同步，每个节点存储关于它与网络中其他节点时钟之间的漂移信息。 第三种是最复杂的“always-on”模型，每个节点都维持一个时钟，整个网络中所有节点都同步一个参考节点，目的是维护整个网络全局唯一的时间量程。
T4：客户端收到时间应答消息的时间
δ 1和δ2分别表示时间请求和时间应答消息网络传播时间
Θ：客户端比服务器时钟快的时间量
NTP协议原理
2.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
2.NTP协议
消息传输延迟分为四个部分 发送时间 访问时间 传输时间 接收时间
3.RBS同步机制
RBS同步机制总结： RBS机制利用信道的广播特性来同步接收节点时间，去除了时间同步误差中所有发送节点引入的部分。 通过多次广播分组获取平均值，能够提高RBS的时间同步精度。 对于单个广播域内的n个节点和m个广播消息，RBS机制的复杂度为O（mn）。 用于多跳网络的RBS机制需要依赖有效的分簇方法，保证簇之间有共同节点以便进行簇间时间同步
协议
2
RBS同步机制
3
TPSN同步协议
4
DMTS同步机制
5
LTS同步机制
6
其他同步机制
7
小结
8
1.WSN时间同步的要求
物理时间：用来表示人类社会使用的绝对时间。 逻辑时间：表达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一个表示整个系统的全局时间，全局时间根据需要可以是物理时间或逻辑时间。
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。
第六章 无线传感网 时间同步技术
6.3 无线传感器网络时间同步技术 1 2
时间同步模型
时间同步协议
4.3.1
时间同步模型
1
4.3.1
时间同步模型
2
4.3.1
时间同步模型
3
4.3.1
时间同步模型
4
4.3.1
时间同步模型
6
4.3.1
时间同步模型
6
4.3.1
时间同步模型
7
4.3.1
时间同步模型
8
4.3.1
时间同步模型
4.3.2
时间同步协议
13
4.3.2
时间同步协议
14
4.3.2
时间同步协议
15
4.3.2
时间同步协议
16
4.3.2
时间同步协议
16
4.3.2
时间同步协议
17
4.3.2
时间同步协议
18
4.3.2
时间同步协议
18
4.3.2
时间同步协议
19
典 型算法 优 点
LTS
RBS 一次同步，能 耗低， 能排除报文延 迟、 终端等待时间影 响 未考虑传播时 间、 接收时间， 精度 低
通用 性不强， 能 耗高
THANKS
4.3.1
时间同步模型
5
4.3.2
时间同步协议
1
4.3.2
时间同步协议
2
4.3.2
时间同步协议
3
4.3.2
时间同步协议
4
4.3.2
时间同步协议
5
4.3.2
时间同步协议
6
4.3.2
时间同步协议
7
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
无线传感器网络时间同步
无线传感器网络时间同步概述安竹林朱冠男徐勇军摘要：时间同步服务是无线传感器网络要解决的一项关键问题。
本文对时间同步技术进行了介绍，分析了无线传感器网络时间同步所具有的特点。
文章还介绍了几种典型的用于无线传感网络的时间同步协议并对其优缺点做了简单比较。
最后，本文对时间同步目前的研究现状进行了总结，并对今后的发展进行了展望。
关键词：无线传感器网络；时间同步1时间同步问题简述时间同步是所有分布式系统都要解决的一个重要问题。
在集中式系统中，由于任何进程或模块都可以从系统唯一的全局时钟中获取时间，因此系统内任何两个事件都有着明确的先后关系。
而在分布式系统中，由于物理上的分散性，系统无法为彼此间相互独立的模块提供一个统一的全局时钟，必须由各个进程或模块各自维护它们的本地时钟。
由于这些本地时钟的计时速率、运行环境存在不一致性，因此即使所有的本地时钟在某一时刻都被校准，一段时间后，这些本地时钟间也会出现失步。
为了让这些本地时钟再次达到相同的时间值，必须进行时间同步操作。
时间同步就是通过对本地时钟的某些操作，达到为分布式系统提供一个统一时间标度的过程。
无线传感器网络是联系物理世界和计算机系统的桥梁，对物理世界的观测必须建立在统一的时间标度上，因此相对于通常的分布式系统，无线传感器网络对时间同步的需求尤为重要，可以说时间同步是无线传感器网络的一项支撑技术。
2无线传感器网络时间同步问题特点时间同步是所有分布式系统都需要解决的问题，因此对其研究已经较为深入，有许多成熟的方法被成功地应用于解决这一问题，有代表性的解决方法有NTP1和GPS2。
NTP协议[1]是目前互联网上时间同步协议的标准，用于把互联网上计算机的时间同步于世界标准时间（UTC3）。
NTP采用层状结构的同步拓扑，每一层均有若干时间服务器，如顶层时间服务器，第二层时间服务器等，其他均为客户机。
顶层时间服务器通过广播、卫星等方式与世界标准时间同步；其他层的时间服务器可选择若干个上一层时间服务器及本层时间服务器作为同步源来实现与世界标准时间的间接同步；客户机则可通过指定一个或多个上一层时间服务器来实现与世界标准时间的同步。
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优点
减少同步误差 提高同步精度源自7TPSN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
Wednesday, October 24, 2018
缺点
没有考虑根节点失效问题
8
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
Wednesday, October 24, 2018
使用范围
9
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
第一阶段 层次发现阶段（Level Discovery Phase）
3
目的：生成节点层次结构，每个节点被赋予一个级别，根节点为0级， 第i级的节点至少能够与一个第（i-1）级得节点通信 网络部署后，由根节点广播级别发现分组来启动层次发现阶段，级别 发现分组包含节点的ID和级别 邻居节点收到分组后，将自己的级别设置为分组中的级别加1 ，然后 广播新的级别发现分组 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（i+1），广播级别为（i+1）的分组，这个过程持 续到网络内每个节点都被赋予一个级别 节点一旦建立自己的级别，就忽略任何其他级别发现分组，防止网络 产生洪泛拥塞
考虑能耗问题，TPSN可以与后同步策略结合使用
Wednesday, October 24, 2018
精品课件！
精品课件！
The End Thank you！
Wednesday, October 24, 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 动消息交换
Wednesday, October 24, 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
Wednesday, October 24, 2018
TPSN协议过程
Wednesday, October 24, 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
Wednesday, October 24, 2018
TPSN协议过程
相邻级别节点间的同步机制 结论——
6
Wednesday, October 24, 2018
1
TPSN时间同步协议思想
TPSN （ Timing-sync Protocol for Sensor Networks ）
1、TPSN是类似于NTP（Network Time Protocol）时间同 步协议 2、目的是提供传感器网络全网范围内节点间的时间同步 3、节点结构中包含一个根节点，它与外界通信获取外界时 间，以此作为整个网络系统的时钟源 4、将节点分级后（根节点是0级，累加），每个节点同上一 级的一个节点进行时间同步，最终与根节点同步 5、节点对之间的同步采用发送者-接收者同步机制（RBS）