无线传感器网络时间同步技术汇编

相对时间模式
◆不必获取绝对时间基准 ◆同步的目的是尽量减小各 节点硬件时钟的最大偏差
◆所有节点都与绝对时间进 行同步
◆如UTC、GPS等同步机制
时间同步协议
时间同步协议的类型
发送者-接收者与接收者-接收者模式
发送者-接收者模式
◆发送者周期性发送自己的 时间信息
接收者-接收者模式
◆两个接收者都受到时间信 标
时间同步协议
RBS协议
同步过程： ◆发送者发出“信标分组”数据包， 广播域内节点“同时”接收。 ◆接收节点分别记录接收时间 ◆接收节点交换各自记录的接收时间， 计算出差值 ◆存在差值的节点根据差值更改本地 时间，实现接收节点之间的同步
时间同步协议
RBS协议
特点：
◆相对传统同步方式，缩短了关键路径，减小了同步偏差，提高了精度 ◆同步过程中的不确定性只来自数据包被接收和打上时间戳的步骤 ◆硬件偏差也可预先估计
时间同步要解决的问题：
◆保证同步的精度 ◆尽量小的功耗 ◆保证网络的可扩展性
WSN时间同步概述
时间同步的误差来源
晶体震荡
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，这一误差会随时间累积。 由于WSN资源受限，通信信道质量不佳时；节点 密度大时，易造成延迟和出错，导致时间误差。 须在性能和开销间取得平衡，即用较小的通信代 价取得较好的同步效果。 信道出错，导致部分节点不能被同步，影响网络 的整体时间同步情况。
无线传感器网络 时间同步技术
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 时间一直的过程。
WSN为何需要进行时间同步：
◆不同节点晶体振荡不同，存在 累积误差 ◆受能量、存储、带宽限制 ◆分布式系统，要求节点必须实 现同步，不同系统要求程度不同
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 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 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。
时间同步协议
RBS协议
多跳同步机制： ◆A发送信标分组后，完成与节点1、 2、3、4的时间同步 ◆B发送信标分组后，完成与节点4、 5、6、7的时间同步 ◆节点4位于两个广播域的交集内， 所以通过节点4可以同步两个广播域 内的节点
时间同步协议
TPSN协议
相邻级别节点间的同步机制
i-1 级
消息传播 时延
两节点间的 时间偏差
i级
时间同步协议
TPSN协议
相邻级别节点间的同步机制 结论——
时间同步协议
TPSN协议
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 消息的平均延迟，精度相 对较高
时间同步技术
NTP协议
NTP协议特点 ◆NTP协议通过频繁交换消 息来校准时钟频率偏差带来 的误差，能耗较高。 ◆NTP基准服务器间的时间 同步需要基础设施的协助。
NTP协议不适合WSN ◆WSN节点能量有限，无法 满足NTP频繁通信需求
◆WSN时间同步目的实现局 部最优，而NTP实现全局同 步，属于集中式协议。
时间同步技术
GPS时间同步
GPS时间同步原理
◆GPS卫星上配备有高精度的铷、 铯原子钟(以原子半衰期计时)。 ◆卫星不间断发射的伪码中包含 有时间信息。 优点：精度高、操作简单 缺点：环境影响、通信功耗、安 全性 适合少数携带GPS模块的传感器 节点使用。
时间同步技术
无线传输的时延
发送时延 接入时延 传输时延
◆接收者收到后根据时间戳， 计算时延进行同步
◆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
同步范ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 效率 硬件代价
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
时间同步协议
时间同步协议的类型
分层与平面模式
分层模式
◆下层节点根据上层节点的 时间进行同步 ◆各簇之间时间可不同步 ◆分布式的同步协议
平面模式
◆除时间参考节点，其他节 点的地位是相同的
◆通过多跳传输等方式发送 时间同步消息
时间同步协议
时间同步协议的类型
绝对时间与相对时间模式
绝对时间模式
◆网络有一个绝对时间源
成本、资源
同步协议
协议执行
时间同步技术
NTP协议
NTP协议即网络时间协议，是一个 集中式协议，同步精度达毫秒级。 ◆NTP基于节点间的双向握手来预 测节点间时延并计算相对的时间偏 差：需同步的终端发送时间请求， 服务器回应包含时间信息的应答消 息。 ◆协议假定两个主机的传播时延是 一致的。
图 7-1 NTP 协议的基本通信模型
传播时延
接收时延
处理时延
时间同步技术
时间同步机制需考虑的因素
扩展性
在WSN中，由于网络规模和节点数量的不同，时 间同步机制应能适应不同的网络场景
稳定性
鲁棒性 收敛性 低能耗
网络拓扑发生变换时，同步机制应能保持连续性 和同步精度
在受到环境、信道通信质量、节点失效等干扰情 况下，保持正常工作 时间同步机制应能在较短的时间内达成节点时间 的同步 WSN能量受限，同步机制应能在保证运作机能的 前提下，尽量降低能耗
缺点
◆节点失效(尤其是靠近根节 点的节点失效)会导致同步错 误，并在网络扩散 ◆新节点加入时，需初始化 层次发现步骤，扩展性差 ◆不适合移动节点或多跳同 步等情况
时间同步协议
RBS协议
协议采用平面结构，基于接收者-接收者模式。
可提供局部节点间的时间同步。
基本原理： ◆发送节点广播的同步消息不含有时间戳，接收节点记录接收消 息的时间并进行相互比较(多次通信)，估计相对的时间偏差并进行 同步。 ◆对于RF信号，可忽略传播时间带来的误差；对于声信号，则传 播时间必须考虑在内。