无线传感器网络WSN时间同步PPT课件
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无线传感器网络课件：时钟同步
9.2.5 FTSP协议 FTSP(Flooding Time Synchronization Protocol)协议的目标是实现全网微秒级误差 的时钟同步，FTSP协议的同步可扩展到数百 个节点，并且对包括链路和节点故障等造成 的网络拓扑变化具有鲁棒性。FTSP协议与其 他方案的不同之处在于它使用单个广播来建 立发送者和接收者之间的同步点，同时消除 了同步误差产生的大多数来源。
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：
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：
无线传感器网络时钟同步技术共52页
16、人民应该为法律而战斗，就像为 了城墙 而战斗 一样。 ——赫 拉克利 特 17、人类对于不公正的行为加以指责 ，并非 因为他 们愿意 做出这 种行为 ，而是 惟恐自 己会成 为这种 行为的 牺牲者 。—— 柏拉图 18、制定法律法令，就是为了不让强 者做什 么事都 横行霸 道。— —奥维 德 19、法律是社会的习惯和思想的结晶 。—— 托·伍·威尔逊 20、人们嘴上挂着的法律，其真实含 义是财 富。— —爱献 生
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
第8章无线传感器网络newPPT课件
应用相关 ：由于应用环境区别很大，传感网路
由机制由应用确定
22
设计无线传感器网络路由机制的要求
(1) 能量高效 (2) 可扩展性 (3) 鲁棒性：路由机制有一定的容错能力。 (4) 快速收敛性 ：路由表更新，并将分组
发送到新的接口所用的时间。
23
路由协议分类
根据不同应用对传感器网络各种特性的敏感度不同，可以将 路由协议分为四种类型：
(1)能量感知路由协议。早期传感网络路由协议仅考虑能量 因素，如能量路由算法和能量多路径路由算法。
(2)基于查询的路由协议。实时监测应用中，以数据查询为 主，通信流量主要是查询节点和传感器节点之间的命令 和数据传输，同时传感器节点通常进行数据融合。
(3)地理位置路由协议。目标跟踪应用中，需要知道节点的 地理位置，以此作为路由依据。
通常采用微型电池。
14
3.无线传感器网络的协议体系
❖ 图a是早期协议栈模型，与互联网五层协议栈 对应
❖ 图b是细化后的协议栈模型
时间同步和定位子层既要依赖于数据传输通道进 行协作定位和时间同步协商，又要为其他各层提 供信息支持，如基于时分复用的MAC协议，基于 地理位置的路由协议等。
b右边诸多机制一部分融入到协议中，另一部分
19
MAC协议分类标准:
❖ 缺乏统一的分类标准，采用以下几种： 采用分布式控制还是集中控制 使用单一共享信道还是多个信道 采用固定分配信道方式还是随机访问信道方式
20
采用第三种标准的MAC协议分类:
(1) 采用无线信道的时分复用方式，给每个传感器节点分配固 定的无线信道使用时段，从而避免节点之间的相互干扰。 包括基于分簇网络的MAC协议、DEANA协议、基于周期性 调度的协议、TRAMA协议、DMAC协议等。
无线传感器网络课件 课件 第6章_时间同步技术
39
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
24
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
25
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
18
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
19
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）
5
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
传感器网络时间同步
➢ 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。
LOGO
❖ DMTS同步机制总结：
➢ DMTS是一种灵活的、轻量的和能量高效的能够实现全部网络节点 时间同步的机制。
➢ 与RBS机制相比，DMTS机制的计算开销小，需要传输的消息条数 少。
➢ 能够与外部世界标准时间同步，但同步精度相对较低。 ➢ DMTS在实现复杂度、能量高效与同步精度之间进行了折中，能够
应用在对时间同步要求不是非常高的网络中。
分布式
2
2
11
2
1
根
节
点
2
1
1
22
2
22
12 12
2
2
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11
2
1
根
节
点
2
1
1
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12 12
2
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7.其他同步机制
❖ FTSP
➢ 利用单个广播消息使得发送节点和它的邻居节点达到时间同步。 ➢ 采用同步时间数据的线性回归方法估计时钟漂移和偏差 ➢ 多跳网络中采用层次结构 ➢ 考虑了根节点选择、链路失败、拓扑结构变化、冗余信息等问题。
➢ 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。
4.TPSN时间同步协议
层次发现阶段 （广播级别发现分组）
2
1
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根
2
节 点
1
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2 1
2
LOGO
❖ DMTS同步机制总结：
➢ DMTS是一种灵活的、轻量的和能量高效的能够实现全部网络节点 时间同步的机制。
➢ 与RBS机制相比，DMTS机制的计算开销小，需要传输的消息条数 少。
➢ 能够与外部世界标准时间同步，但同步精度相对较低。 ➢ DMTS在实现复杂度、能量高效与同步精度之间进行了折中，能够
应用在对时间同步要求不是非常高的网络中。
分布式
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根
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7.其他同步机制
❖ FTSP
➢ 利用单个广播消息使得发送节点和它的邻居节点达到时间同步。 ➢ 采用同步时间数据的线性回归方法估计时钟漂移和偏差 ➢ 多跳网络中采用层次结构 ➢ 考虑了根节点选择、链路失败、拓扑结构变化、冗余信息等问题。
➢ 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。
4.TPSN时间同步协议
层次发现阶段 （广播级别发现分组）
2
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根
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节 点
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《无线传感器网络》课件
能耗问题
总结词
无线传感器网络的能耗问题是制约其发展的 关键因素之一。
详细描述
由于无线传感器网络中的节点通常由电池供 电，而电池寿命有限，因此如何降低能耗， 延长节点寿命是亟待解决的问题。此外，在 某些应用场景中，频繁更换电池或充电会给
维护带来困难和成本增加。
标准化问题
总结词
无线传感器网络的标准化问题涉及到不同厂商和应用 的互操作性问题。
开发工具包括硬件开发工具和软件 开发工具，硬件开发工具用于开发 传感器节点硬件电路板，软件开发 工具用于编写、调试和测试应用程 序代码。
03
无线传感器网络的通信协议
MAC协议
信道分配
MAC协议负责无线信道的分配，确保节点 间的通信不会发生冲突。
能量效率
MAC协议应考虑能量效率，避免过多的空 闲监听和数据重传。
动态环境适应性
路由协议应能适应网络拓扑的变化和 节点的动态加入/离开。
能量感知协议
能量管理
能量感知协议旨在有效地管理节点的能量，延长网络的生命周期。
节能技术
采用诸如功率控制、休眠机制等节能技术来降低能耗。
负载均衡
通过均衡节点的负载来降低能耗，避免某些节点过早耗尽能量。
能量预测
利用历史数据预测节点的剩余能量，优化路由和任务分配。
06
无线传感器网络的挑战与展望
安全性问题
总结词
无线传感器网络面临多种安全威胁，如数据 窃取、恶意攻击、篡改等。
详细描述
由于无线传感器网络中的节点通常部署在无 人值守的环境中，因此容易受到攻击者的窃 听、干扰和恶意篡改。攻击者可能通过截获 节点间的通信数据，获取敏感信息，或者对 网络进行破坏，导致网络瘫痪或数据传输错 误。
无线传感器网络课件 第四章
结点收到第i级结点的广播分组后，记录发送这 个广播分组的结点ID，设置向身级别为(i+1)， 广播级别设置为(i+1)的分组； 过程持续进行，直到网络内的每个结点都赋予 一个级别； 结点一旦建立自己的级别，就忽略任何其他级 别的发现分组，以防止网络产生洪泛拥塞。
23
（2）同步阶段
层次结构建立后，根结点通过广播时间同步分 组启动同步阶段； 第1级结点收到该分组后，各分别等待一段随 机时间，与根结点交换消息同步到根结点； 第2级结点侦听到第1级结点的交换消息后，后 退和等待一段随机时间，并与在层次发现阶段 记录的第1个级别的结点交换消息进行同步；
15
Tiny／Mini-Sync
简单的轻量级时间同步机制，算法假设结点的 时钟漂移遵循线性变化，两个结点之间的时间 偏移也是线性的；
通过交换时标分组来估计两个结点间的最优匹 配偏移量； 为降低算法的复杂度，通过约束条件丢弃冗余 分组。
16
TPSN时间同步协议
采用层次结构，实现网络结点的时间同步； 所有结点按照层次结构进行逻辑分级，表示结 点到根结点的距离； 通过基于发送者—接收者的结点对方式，每个 结点与上一级的一个结点进行同步，从而最终 所有结点都与根结点实现时间同步。
物理位置指目标在特定坐标系下的位置数 值，表示目标的相对或者绝对位置。
符号位置指在目标与一个基站或者多个基
站接近程度的信息，表示目标与基站之间的连
通关系，提供目标大致的所在范围。
36
传感器网络的定位方法分类：
(1) 根据是否依靠测量距离，分为基于测距的 定位和不需要测距的定位； (2) 根据部署的场合不同，分为室内定位和室 外定位； (3) 根据信息收集的方式，网络收集传感器数 据称为被动定位，节点主动发出信息，用于定 位称为主动定位。
无线传感器网络技术原理及应用-ppt课件-第5章
贵的电能。如果MAC协议采用最直接的时分多路复用策略，
利用占空比的调节便可实现上述目标，但需要参与通信的 受访首先实现时间同步，并且同步精度越高，防护频带越
小，相应的功耗也越低。因此高精度的时间定位是低功耗
MAC协议的基础。
31 3. 测距定位
定位功能是许多典型的无线传感器网络应用的必需条
件，也是当前的一项研究热点。如果网络中的节点保持时 间同步，节点间传输的时间容易被确定。由于电磁波在一
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
绝对同步三个不同的层次。实现对事件的排序是最简单的 时间同步需求，即实现对事件发生的先后顺序的判断，这 是第一个层次。
9 相对同步是第二个层次，节点维持其本地时钟的独立运行，
定介质中的传输速递是确定的，因此传输时间信息很容易
转换为距离信息。所以测距的精度直接依赖于时间同步的 精度。
32 4. 协作传输要求
由于无线传感器网络节点的传输功率有限，距离较远
的节点之间传输不能达到理想的效果，而协作传输的基本 思想为：网络内多个节点同时发送相同的信息，基于电磁
波的能量累加效应，远方基站将会接收到一个瞬间功率很
点的方法既浪费了通信带宽和能量，又降低了信息的收集
效率。数据融合技术在一定程度上缓解了能量问题和信息 收集效率。
34 5.2.1 概念
数据融合是将来自多个传感器和信息源的多份数据或
信息进行相关的处理，去除冗余数据，组合出更有效、更 符合用户需求的数据的过程。对于无线传感器网络的应用，
数据融合技术主要用于处理同一类型传感器的数据。数据
无线传感器组网-时间同步技术PPT18页
无线传感器组网-时间同步 技术
26、机遇对于有准备的头脑有特别的 亲和力 。 27、自信是人格的核心。
28、目标的坚定是性格中最必要的力 量泉源 之一， 也是成 功的利 器之一 。没有 它，天 才也会 在矛盾 无定的 迷径中 ，徒劳 无功。- -查士 德斐尔 爵士。 29、困难就是机遇。--温斯顿．丘吉 尔。 30、我奋斗，所以我快乐。--格林斯 潘。
谢谢
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
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Networks） • HRTS （Hierarchy Referencing Time
Synchronization Protocol） • FTSP （Flooding Time Synchronization Protocol
） • GCS （Global Clock Synchronization）
NTP：网络时间协议 GPS：全球定位系统
无线传感器网络
NTP（Network Time Protocol）
体系结构（网络）
无线传感器网络
NTP（Network Time Protocol ）
• 体系结构（单机）
无线传感器网络
NTP（Network Time Protocol）
• NTP不适合于WSN • 体积、计算能力和存储空间存在限制 • 传输方式不同：无线而非有线 • 目标不同：局部最优而非全局最优
Receiver
Propagation time
Reception Receive
time
time
无线传感器网络
传输延迟的进一步细化(在
Mica2上)
时间
典型值
特性
Send time & Receive time
Access time Transmission time &
Reception time Propagation time
无线传感器网络
传感器网络的挑战
• 室内、矿井、森林，有遮挡 • 低功耗、低成本和小体积 • 传输延迟的不确定性 • 可扩展性、移动性 • 健壮性、安全性 • 网络规模大、多点协作
无线传感器网络
传输延迟的不确定性
Sender
Send Access Transmission
time time
time
• 多传感器数据压缩与融合 • 低功耗MAC协议、路由协议 • 测距、定位（位置相关报务，LBS） • 分布式系统的传统要求 • 协作传输、处理的要求 • ... ...
无线传感器网络
时钟模型
• 硬件时钟模型 • 软件时钟模型
无线传感器网络
硬件时钟模型
• 基本名词
–时间、晶振、时钟（RTC） –时钟偏移（clock offset） –时钟飘移（clock drift）
• 无线传感器网络时间同步
– 典型的分布式系统 – 是无线传感器网络应用的基础
• 需要解决的问题
– 同步精度 – 功耗 – 可扩展性
无线传感器网络
时间同步技术的分类
排序、相对同步与绝对同步
递进关系 各自具有典型的协议代表
外同步与内同步
参考源不同
局部同步与全网同步
同步对象的范围不同
无线传感器网络
时间同步技术的应用场合
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。
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。
无线传感器网络
低功耗、低成本和小体积
• 软硬件都要受到该限制 • 存储与计算能力均比较小 • 加剧了电能供应的紧张（电池体积） • 网络规模大、密度高 • 通信距离近 分布式、协RBS（Reference Broadcast Synchronization）
NIC
Sender
NIC Sender
Receiver
Time
Critical Path
Receiver1
Receiver2 Critical Path
无线传感器网络
无线传感器网络
典型时间同步协议
• NTP（Network Time Protocol） • DMTS （Delay Measurement Time Synchronization
） • RBS （Reference Broadcast Synchronization） • TPSN （Timing-sync Protocol for Sensor
第七章 时间同步
无线传感器网络
内容提要
1. 基本概念 2. 传统与挑战 3. 典型时间同步协议 4. 新型同步机制 5. 小结
无线传感器网络
WSN时间同步技术背景
• 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
无线传感器网络
GPS（Global Position System ）
• 从根本上解决了人类在地球上的导航与定 位问题。
• 每颗卫星上配备有高精度的铷、铯原子钟 ，并不断发射其时间信息
• 地面接收装置同时接收4颗卫星的时间信息 ，采用伪距测量定位方法可计算出时间和 位置信息
• 缺点（室内、功耗、安全性、分布式）
无线传感器网络
发送者接收者：DMTS
DMTS（Delay Measurement Time Synchronization）
发送者
发送前导码
发送时间 访问时间 、同步字
接收 ACK
接收者
嵌入时 标t0
接收前导码、 同步字
接收 数据
时标t1
发送 接收 ACK 处理
时标t2
• 最简单直观 • 单报文同步同步精度低 • 广播方式同步能耗低
• 速率恒定模型
–最常用，但不适应环境变化剧烈的场合
• 飘移有界模型
–常用于确定同步误差上下界
• 飘移变化有界模型
无线传感器网络
软件时钟模型
• 软件虚拟时钟 • 一般是个分段连续、严格单调的函数
无线传感器网络
传统与挑战
• 传统同步方法 • 传感器网络的挑战
无线传感器网络
传统同步：NTP与GPS
无线传感器网络
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
无线传感器网络
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
Interrupt waiting time
Encoding time & Decoding time
Byte alignment time
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
Synchronization Protocol） • FTSP （Flooding Time Synchronization Protocol
） • GCS （Global Clock Synchronization）
NTP：网络时间协议 GPS：全球定位系统
无线传感器网络
NTP（Network Time Protocol）
体系结构（网络）
无线传感器网络
NTP（Network Time Protocol ）
• 体系结构（单机）
无线传感器网络
NTP（Network Time Protocol）
• NTP不适合于WSN • 体积、计算能力和存储空间存在限制 • 传输方式不同：无线而非有线 • 目标不同：局部最优而非全局最优
Receiver
Propagation time
Reception Receive
time
time
无线传感器网络
传输延迟的进一步细化(在
Mica2上)
时间
典型值
特性
Send time & Receive time
Access time Transmission time &
Reception time Propagation time
无线传感器网络
传感器网络的挑战
• 室内、矿井、森林，有遮挡 • 低功耗、低成本和小体积 • 传输延迟的不确定性 • 可扩展性、移动性 • 健壮性、安全性 • 网络规模大、多点协作
无线传感器网络
传输延迟的不确定性
Sender
Send Access Transmission
time time
time
• 多传感器数据压缩与融合 • 低功耗MAC协议、路由协议 • 测距、定位（位置相关报务，LBS） • 分布式系统的传统要求 • 协作传输、处理的要求 • ... ...
无线传感器网络
时钟模型
• 硬件时钟模型 • 软件时钟模型
无线传感器网络
硬件时钟模型
• 基本名词
–时间、晶振、时钟（RTC） –时钟偏移（clock offset） –时钟飘移（clock drift）
• 无线传感器网络时间同步
– 典型的分布式系统 – 是无线传感器网络应用的基础
• 需要解决的问题
– 同步精度 – 功耗 – 可扩展性
无线传感器网络
时间同步技术的分类
排序、相对同步与绝对同步
递进关系 各自具有典型的协议代表
外同步与内同步
参考源不同
局部同步与全网同步
同步对象的范围不同
无线传感器网络
时间同步技术的应用场合
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。
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。
无线传感器网络
低功耗、低成本和小体积
• 软硬件都要受到该限制 • 存储与计算能力均比较小 • 加剧了电能供应的紧张（电池体积） • 网络规模大、密度高 • 通信距离近 分布式、协RBS（Reference Broadcast Synchronization）
NIC
Sender
NIC Sender
Receiver
Time
Critical Path
Receiver1
Receiver2 Critical Path
无线传感器网络
无线传感器网络
典型时间同步协议
• NTP（Network Time Protocol） • DMTS （Delay Measurement Time Synchronization
） • RBS （Reference Broadcast Synchronization） • TPSN （Timing-sync Protocol for Sensor
第七章 时间同步
无线传感器网络
内容提要
1. 基本概念 2. 传统与挑战 3. 典型时间同步协议 4. 新型同步机制 5. 小结
无线传感器网络
WSN时间同步技术背景
• 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
无线传感器网络
GPS（Global Position System ）
• 从根本上解决了人类在地球上的导航与定 位问题。
• 每颗卫星上配备有高精度的铷、铯原子钟 ，并不断发射其时间信息
• 地面接收装置同时接收4颗卫星的时间信息 ，采用伪距测量定位方法可计算出时间和 位置信息
• 缺点（室内、功耗、安全性、分布式）
无线传感器网络
发送者接收者：DMTS
DMTS（Delay Measurement Time Synchronization）
发送者
发送前导码
发送时间 访问时间 、同步字
接收 ACK
接收者
嵌入时 标t0
接收前导码、 同步字
接收 数据
时标t1
发送 接收 ACK 处理
时标t2
• 最简单直观 • 单报文同步同步精度低 • 广播方式同步能耗低
• 速率恒定模型
–最常用，但不适应环境变化剧烈的场合
• 飘移有界模型
–常用于确定同步误差上下界
• 飘移变化有界模型
无线传感器网络
软件时钟模型
• 软件虚拟时钟 • 一般是个分段连续、严格单调的函数
无线传感器网络
传统与挑战
• 传统同步方法 • 传感器网络的挑战
无线传感器网络
传统同步：NTP与GPS
无线传感器网络
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
无线传感器网络
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
Interrupt waiting time
Encoding time & Decoding time
Byte alignment time
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