传感器网络时间同步
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间同步技术研究
无线传感器网络中的时间同步技术研究随着无线传感器网络的发展，时间同步技术成为了一个重要的研究方向。
在无线传感器网络中，各个传感器节点需要采集周围环境的信息，并将这些信息通过无线信号传输给网络中的其他节点或基站。
为了保证数据的准确性和节点之间的协同工作，需要使节点的时钟保持同步。
时间同步技术的研究可以分为两个方面：硬件时钟同步和软件时钟同步。
硬件时钟同步主要是通过硬件技术保证节点间时钟的同步，常见的方法包括GPS同步、IEEE1588同步等。
GPS同步是通过接收卫星信号来进行时钟同步的一种方法，能够提供非常精确的时间同步，但是其成本较高，不适合大规模应用。
IEEE1588同步则是通过网络上的时间同步协议来进行时钟同步，能够提供较高的同步精度，但是需要合适的硬件支持。
软件时钟同步则是通过软件算法来实现时间同步的方法，其中最常见的方法是基于时间戳的同步算法。
基于时间戳的同步算法是一种较为常见的无线传感器网络时间同步方法，其基本思想是通过记录节点在发送或接收数据时的时间戳来同步各个节点的时钟。
该算法的优点在于实现简单，能够实现比较高的同步精度。
其具体实现方法包括两个阶段：节点间的时间戳同步和主节点的时钟同步。
节点间的时间戳同步是指在网络中的各个传感器节点之间实现时间同步。
在时间戳同步的过程中，节点之间会相互发送网络包，包含有发送者的时钟信息和接收者的时钟时间戳。
接收者接收到网络包后，根据包中的时钟信息计算出发送者的时钟时间戳，并记录下来。
通过多次通信，每个节点都会得到其他节点的时钟时间戳信息，并计算出自己的时钟偏移量和时钟漂移量。
其中时钟偏移量是指本节点时钟与其他节点时钟之间的相对偏移，时钟漂移量则是指本节点时钟与其他节点时钟之间的相对变化速度。
主节点的时钟同步则是指在网络中选择一个作为参考的主节点，并将其他节点的时钟同步到该节点的时钟。
在主节点的时钟同步过程中，主节点会广播时间同步包，包含有自身时钟时间戳和计算好的时钟偏移量和时钟漂移量。
无线传感器网络中的时间同步技术研究
无线传感器网络中的时间同步技术研究无线传感器网络是由许多小型传感器节点组成的自组织网络，这些节点能够通过无线方式进行通信和数据传输。
在传感器网络中，时间同步是一个重要的研究领域。
准确的时间同步对于许多应用来说至关重要，例如事件定位、数据融合和协调传感器节点的行为。
因此，无线传感器网络中的时间同步技术的研究变得尤为重要。
无线传感器网络中的时间同步技术的目标是使网络内所有节点的时钟相互同步，以确保节点在同一时间点上进行操作和通信。
然而，由于传感器节点之间的通信受到无线信号的干扰和传播延迟等问题的影响，实现准确的时间同步是一项具有挑战性的任务。
目前，主要有两种方法用于实现无线传感器网络中的时间同步：基于硬件的方法和基于协议的方法。
首先，基于硬件的方法通过使用具有高精度时钟和呈线性增加的稳定性的震荡器来提供时间同步。
这种技术通常会增加传感器节点的成本和能耗，并且只适用于小规模传感器网络。
然而，基于硬件的方法可以提供很高的时间同步精度，并且不受网络延迟和通信干扰的影响。
另一种方法是基于协议的方法，它使用分布式算法来实现时间同步。
这些算法通常利用节点之间的通信和相对时延信息来进行同步。
一种常用的基于协议的时间同步算法是基于根节点的时间同步，其中一个节点被指定为根节点，其他节点通过与根节点的通信来同步时间。
这种方法适用于大规模传感器网络，并且可以通过调整与根节点通信的延迟来实现时间同步。
此外，一种被广泛使用的基于协议的时间同步算法是基于时隙的算法，例如时隙同步协议（Time-Slotted Synchronization Protocol）。
在时隙同步协议中，时间被划分为时隙，节点在特定的时隙内进行通信和数据传输。
通过对时隙进行调整，节点之间的时钟可以实现同步。
这种算法适用于动态网络环境，并能够在节点加入或退出网络时进行自适应。
除了上述方法，还有一些其他的时间同步技术正在被研究和开发。
例如，一些研究人员探索使用GPS（全球定位系统）来提供高精度的时间同步。
无线传感器网络时间同步
无线传感器网络时间同步无线传感器网络是由许多分布式传感器节点组成的，这些节点能够自组织通信，以收集数据和感知环境。
由于这些节点必须协作，因此它们必须具有准确的时钟以便能够对数据或事件进行同步。
无线传感器网络时间同步旨在协调网络中的每个节点以确保它们具有相同的时间参考。
它是网络内数据可靠性和完整性的基础，因为许多应用程序需要使用时间戳和顺序号来正确处理数据。
但是，在无线传感器网络中实现时间同步是具有挑战性的，因为节点的时钟精度可能受到环境条件和硬件偏差的影响。
下面是一些目前用于无线传感器网络时间同步的主要协议和技术：1. 基于发送时间戳的时间同步协议基于发送时间戳的时间同步协议是最常见的无线传感器网络时间同步协议。
在这种协议中，每个节点在发送消息时将当前时间戳附加到消息中。
接收方使用其本地时钟的当前值与时间戳比较以计算往返时延，并校准它的时钟。
该协议的优点是它的实现简单易用；缺点是由于时间戳的传输，它无法在所有情况下达到足够准确的时间同步。
2. 基于跳数的时间同步协议基于跳数的时间同步协议利用无线传感器网络中节点之间的跳数来进行时间同步。
假设网络中的所有节点都具有相同的无线电发射时间，并且在发出时间信号后，将该信号转发到所有相邻节点。
通过测量传输时间和跳数，节点可以确定其当前时间偏差，并进行时间同步。
该协议需要更高的能量消耗以维护节点之间的同步。
3. 时钟插值算法时钟插值算法是一种通用的时间同步方法，它使用数学插值来改进节点时钟的准确性。
它的基本思想是，每个节点保留它在本地的最后一次时间同步，然后通过使用两个时间同步点之间的本地振荡分组来估计其本地钟差。
这种方法需要节点能够记录更多的历史时间同步信息，并需要更复杂的算法来计算时钟偏差。
4. 时间同步协议中的校准方法为了提高时间同步协议的准确性，一些校准方法被加入其中，例如跨层反馈校准、以及基于信号速率不变性原则的校准方法。
这些校准方法可以帮助减少噪声和误差，提高时间同步协议的准确性和可靠性。
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
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
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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
无线传感器网络的时间同步与时钟校准方法
无线传感器网络的时间同步与时钟校准方法无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是由大量分布在空间中的无线传感器节点组成的网络系统。
这些节点可以通过无线通信互相连接，协同工作以完成各种任务。
在无线传感器网络中，时间同步和时钟校准是非常重要的问题，对于网络的性能和可靠性有着直接的影响。
时间同步是指在无线传感器网络中，使得各个节点能够按照相同的时间标准进行操作。
这样可以实现节点之间的协同工作，提高整个网络的效率。
而时钟校准则是指将每个节点的本地时钟与全局时间进行校准，以保证节点之间的时间一致性。
目前，有许多时间同步和时钟校准的方法被提出和应用于无线传感器网络中。
其中，最常用的方法之一是基于时间戳的同步方法。
该方法通过在数据包中添加时间戳的方式，使得接收节点可以获取发送节点的发送时间，从而实现时间同步。
然而，由于无线传感器网络中节点的能源和计算能力有限，时间戳同步方法往往会带来较大的能耗和时延。
为了解决时间戳同步方法的问题，一些新的同步方法被提出。
其中之一是基于声波的同步方法。
该方法利用节点之间的声波通信，在网络中广播时间信号，从而实现时间同步。
由于声波传播速度较慢，节点之间的距离可以忽略不计，从而减小了能耗和时延。
此外，基于声波的同步方法还可以提供更高的精度和稳定性，适用于一些对时间要求较高的应用场景。
除了时间同步，时钟校准也是无线传感器网络中的重要问题。
时钟校准的目的是使得每个节点的本地时钟与全局时间保持一致，以避免时间误差对网络性能的影响。
目前，常用的时钟校准方法有两种：硬件校准和软件校准。
硬件校准是通过使用高精度的时钟源来校准节点的本地时钟，例如GPS信号。
然而，由于硬件成本较高，硬件校准方法在实际应用中并不常见。
相比之下，软件校准方法更加灵活和经济。
该方法通过网络中的节点之间相互协作，根据时间同步的结果来校准本地时钟，从而实现时钟的校准。
总的来说，无线传感器网络的时间同步和时钟校准是保证网络性能和可靠性的关键问题。
传感器网络时间同步
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
2
11
2
1
根
节
点
2
1
1
22
2
22
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
2
1
根
2
节 点
1
2
2 1
2
无线传感器网络时间同步
无线传感器网络时间同步随着无线传感器网络的快速发展，大规模部署的传感器节点数量急剧增加。
无线传感器网络中的各个节点通常需要协同工作，因此对节点之间时间的同步非常重要。
只有实现了精确可靠的时间同步，无线传感器网络才能更加高效地运行。
一、时间同步的重要性时间同步在无线传感器网络中起到了至关重要的作用。
首先，时间同步可以协调不同节点之间的工作，确保节点以协同的方式进行数据收集、传输和处理。
其次，时间同步可以帮助节点进行协调的能量管理，使得节点在执行任务时能够更好地平衡能量消耗。
此外，时间同步还可以提供对网络中事件发生时间的准确标记，帮助我们更好地分析和理解网络中的行为与现象。
二、常见的时间同步方法在无线传感器网络中，存在多种时间同步方法。
以下是其中几种常见的方法：1. 基于全局时间的同步方法基于全局时间的同步方法借助于一个时间参考节点，将全局时间广播给其他节点。
时间参考节点通过自身的晶振等方式获得准确的时间信息，并将其通过广播方式传输给其他节点，达到时间同步的目的。
2. 基于邻近节点的同步方法基于邻近节点的同步方法不依赖于全局时间，而是通过与邻近节点之间的通信来进行时间同步。
该方法通过相互之间的通信，以及传输延迟计算方法，实现了节点之间的时间同步。
3. 基于时间戳的同步方法基于时间戳的同步方法通过给每个节点分配一个相对于一个参考节点的时间戳，来实现节点之间的时间同步。
节点通过与参考节点进行通信，获取参考节点的时间戳，并根据传输延迟等因素进行时间纠正，最终实现时间同步。
三、时间同步的挑战与解决方案然而，实现无线传感器网络中的时间同步并非易事，会面临多种挑战。
以下是一些常见的挑战以及相应的解决方案：1. 传输延迟不确定性：无线传感器网络中的数据传输存在不确定性，传输延迟会受到各种因素的影响。
解决这个问题的方案可以采用时间戳校正和数据同步机制，以保证时间同步的准确性。
2. 能量消耗问题：时间同步需要节点之间频繁地进行通信，而通信会消耗节点的能量。
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5.DMTS同步机制
DMTS机制在多跳网络中采用层次型分级结 构实现全网内所有节点的时间同步 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。
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4.TPSN时间同步协议
层次发现阶段 （广播级别发现分组） 2 1 1
根 节 点
同步阶段 （广播时间同步分组） 2 1 1
根 节 点
2
2
2
2
1 2 1 2 2 2
1 2 1
2
2 2
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4.TPSN时间同步协议
TPSN时间同步协议总结：
类似于传统的NTP时间同步协议，目的是提供传感器网络全网范 围内节点间的时间同步。 如果需要长时间的全网节点时间同步，可周期性执行TPSN时间同 步协议进行重同步。
缺点： 消息开销大，需要传递的消息多。 新的传感器节点加入网络时，需要初始化层次发现阶段，级别的 静态特性降低了算法的鲁棒性。 未考虑根节点的失效问题。
13/20ຫໍສະໝຸດ 5.DMTS同步机制 两个节点间分组传输延迟分为五个部分 发送端的处理延迟 介质访问延迟 发送延迟 无线传输延迟 接收延迟
2 2 1 2 2 2 1
根 节 点
2
2
2 2 1 1
根 节 点
2
2
1
1
1 1 2
2
2 2
1
1 2
1 1 2
2
1 2 2
2
1 2 2
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。
T4：客户端收到时间应答消息的时间
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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
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
二级时间基准服务器
客户端
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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
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3.RBS同步机制
RBS机制的基本原理
信标分组
接收 节点
接收信标分 组本地时间
接收 节点
接收信标分 组本地时间
发送 节点
调整 时间
发送节点 接收 节点
信标分组
接收 节点
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3.RBS同步机制
RBS机制应用于多跳网络
1 A 3 4 6
发生在节点1和节点7附近的两个事件，分别记为E1和E7
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5.DMTS同步机制
发送者：
同步消息 MAC 延迟 发送 前导码 起始字符 加上 时标t0 发送 数据 接收 ACK
接收者：
接收 前导码
接收 数据 时标t1
发送 ACK
接收 处理 时标t2
n=发送信息位个数 t=发送每比特位需要的时间
前导码和起始字符的发送时间=nt 接收处理延迟=t2-t1 忽略无线信号的传播延迟 接收节点时钟为t0+nt+（t2-t1）
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
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
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1.WSN时间同步的要求
传感器网络时间同步的重要约束： 价格 体积 能量 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
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2.NTP协议
NTP协议原理
客户端 服务器
T1 δ1
T2
T3 δ2
T4
T1：客户端发送时间请求消息的时间 T2：服务器收到时间请求消息的时间 T3：服务器发送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
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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。
高节点密度情况下的时间同步
假设区域内的所有节点需要时间同步，并且将同步信息传递给远 处的一个接收者，而单个节点没有足够资源产生高功率信号。可 通过节点合作产生一个集合波形，它可被所有节点同时监测到， 并包含足够信息来同步所有节点的时钟，这种集合波形能有效仿 真产生高功率时间同步信号的超级节点。
2 5 B 7
假设节点A和节点B分别在Pa和Pb时间点发送信标分组 节点1在收到节点A发送的分组后2秒观察到事件E1 节点7在观察到事件E7后4秒收到节点B发送的分组 其他节点从节点4知道节点A发送分组比节点B晚10秒 Pa=Pb+10 E1=E7+4+10+2=E7+16
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3.RBS同步机制
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6.LTS机制
LTS同步算法的设计目标是适用于低成本、 低复杂度的传感器节点时间同步，侧重最小 化同步的能量开销，同时具有鲁棒性和自配 置的特点。 LTS时间同步模块分为三个组成部件：
重同步监测部件 远程时钟估计部件
时钟修正部件
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6.LTS机制
LTS应用于多跳网络 集中式 分布式
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传感器网络时间同步
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主要内容
1 2 3 4
WSN时间同步的要求
5 6 7 8
DMTS同步机制
NTP协议
RBS同步机制 TPSN同步协议
LTS同步机制
其他同步机制 小结
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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。
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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。