TPSN时间同步算法研究
一种低开销的无线传感器网络时间同步算法
收稿日期:2008-03-20 修回日期:2008-03-28第26卷 第5期计 算 机 仿 真2009年5月文章编号:1006-9348(2009)05-0121-04一种低开销的无线传感器网络时间同步算法俞家安,陈晓辉,王卫东(中国科学技术大学电子工程与信息科学系,安徽合肥230027)摘要:低开销是无线传感器网络时间同步算法的重要技术要求之一。
为了降低同步过程中的通信开销,提出了一种基于部分广播的低开销无线传感器网络时间同步算法。
算法基于TPS N 算法的分层思想,利用节点的距离信息,选择当层节点的部分相邻节点进行下一层的等级广播,从而有效地降低同步过程中的通信开销。
分析了在不同的网络节点密度下广播信息包数与等级广播距离的关系,得到了不同网络节点密度下的最优等级广播距离。
仿真结果表明,与TPS N 算法相比,在相同的同步精度下,算法能显著地降低高密度无线传感器网络时间同步的开销。
关键词:无线传感器网络;时间同步;低开销中图分类号:TP393 文献标识码:BA L o w O verh ead T i m e Synchron iza tion A lgor ithmfor W ireless Sensor N et work sY U Jia-an ,C HEN X iao-hu,i WANG W ei-dong(Depart m ent of E lectro n ic Engi neering and Infor m atio n Science ,Un i versity of Sc i ence and Technology of Ch i na ,H efe iAnhui 230027,Chi na)ABSTRACT :Lo w overhead is an i m portant requ irement of ti m e sy nchronizatio n a l gorith m of wireless sensor ne t 2works .In th i s pape r ,a l o w ove rhead ti m e synchronizatio n a l gor it hm is proposed for reduc i ng co mm un i catio n overhead i n synchro n izi ng .This a l gorith m,which is based on the level d i scoverym echan i s m used i n TPSN ,on l y selects frac 2tio na l nodes i n the broadcasting a rea of the current leve l node as the next l eve l broadcast i n iti a te nodes .As a result ,the overhead of ti m e synchron izati on i s reduced effecti ve l y .The selecti on of next l eve l broadcast i nitiate nodes is ac 2cord i ng to d i stance i nfor m atio n of current leve l no des .The re l a ti ons h i p bet ween nu mber of broadcast packets and level -broadcast d i stance i n d ifferen t node density of net works is a l so analyzed .And t he best l eve l-broadcast d istance i n var i ous node density of net works i s gi ven in the paper .F i nall y ,si m u l a ti on works vali date tha t t he algor it h m greatl y re 2duces the nu m be r of b roadcasti ng packets for ti m e synchron i za ti on i n hig h densityw ire less sensor ne t w orks ,wh ile t he synchro n izati on prec isi on i s equivalent co m pa red w it h TPS N .KEY W ORDS :W ire l ess sensor net w orks ;T i m e synchro n izati on ;Lo w overhead1 引言无线传感器网络是近几年一个新兴的研究热点,可广泛应用于军事、环境监测、工业控制等领域。
DMTS与TPSN时间同步算法的融合设计
DMTS与TPSN时间同步算法的融合设计
徐世武;王平;何花;施文灶;江华丽
【期刊名称】《单片机与嵌入式系统应用》
【年(卷),期】2010(000)012
【摘要】简要阐述了传感器网络节点的基本体系结构和影响无线传感网络时间同步的因素,重点介绍了DMTS与TPSN两种时间同步算法,分析了两者的优缺点,充分利用两者的优点使两种算法得到了融合运用.
【总页数】4页(P17-19,22)
【作者】徐世武;王平;何花;施文灶;江华丽
【作者单位】福建师范大学物理与光电信息科技学院,福州,350007;福建师范大学物理与光电信息科技学院,福州,350007;福建师范大学物理与光电信息科技学院,福州,350007;福建师范大学物理与光电信息科技学院,福州,350007;福建师范大学物理与光电信息科技学院,福州,350007
【正文语种】中文
【中图分类】TP368.1
【相关文献】
1.基于韦伯分布模型的DMTS时间同步算法研究 [J], 郑顾平;李强;刘兆雄
2.基于TPSN和DMTS的低能耗时间同步算法 [J], 何秀春;张金榜;刘军;林语
3.基于改进TPSN和卡尔曼滤波的时间同步算法 [J], 胡爱华;邓中亮;张耀
4.无线传感器网络TPSN-RBS联合时间同步算法 [J], 姜帆;郑霖
5.一种节能的基于TPSN算法改进的时间同步算法 [J], 杨鹏;杨明慧
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简论无线传感网络时间同步的问题
简论无线传感网络时间同步的问题引言想要在无线传感网络中很好地保证数据传输的可靠性，非常重要的一点就是保持节点之间时间上的同步。
目前因特网上采用时间同步协议标准是NTP协议，采用有线传输，不适合用于功耗、成本受限制的无线传感网络中。
GPS系统也可以提供高精度的时间同步，但它的信号穿透性差，GPS天线必须安装在空旷的地方，功耗也较大，所以不适合无线传感网络。
Elson等人2002年首次提出无线传感器网络时间同步的研究课题以来，已有相当多的典型时间同步算法，主要可以分为以下几类：基于发送者-接收者的双向同步算法，典型算法如TPSN算法；基于发送者-接收者的单向时间同步算法，典型算法如FTSP算法、DMTS算法；基于接收者-接收者的同步算法，典型算法有RBS算法。
近年来根据以上几种典型同步算法，还有人提出了分簇式的层次型拓扑结构算法，以及结合生成树等来提高整个网络的性能，如LTS算法、CHTS算法、CRIT算法、PBS算法、 HRTS 算法、BTS算法、ETSP算法等。
然而，无论以上同步算法怎样发展，精度如何提高，整个网络功耗怎样降低，都是基于单跳时间同步机制。
随着无线传感网络的运用与发展，传感节点体积不断缩小，单跳距离变小，整体网络规模变大，同步误差的累积现象必将越来越严重。
目前也有比较新的同步算法，试图尽量避开单跳累加来解决这些问题，如协作同步。
1 时间同步1.1 时间同步不确定性的影响因素时间同步不确定性的主要的影响因素如图1所示。
图1 报文传输延迟发送时间：发送方用于构造分组并将分组转交给发送方的MAC层的时间。
主要取决于时间同步程序的操作系统调用时间和处理器负载等。
访问时间：分组到达MAC层后，获取信道发送权的时间。
主要取决于共享信道的竞争、当前的负载等。
传送时间：发送分组的时间，主要取决于报文的长度等。
传播时间：分组离开发送方后，并将分组传输到接收方之间的无线传输时间。
主要取决于传输介质、传输距离等。
第06章时间同步
传输延迟的不确定性
Sender Receiver
Send Access time time Propagation time
Transmission time Reception time Receive time
传输延迟的进一步细化(在Mica2上)
时间 Send time & Receive time Access time Transmission time & Reception time Propagation time Interrupt waiting time Encoding time & Decoding time Byte alignment time 典型值 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 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。 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。
TPSN时间同步协议 同步阶段（synchronization hase）
• 根节点通过广播时间同步分组启动； • 第1级的节点在收到这个分组后，分别等待各自的一 段随机时间，通过与根节点交换消息同步到根节点。 • 第2级的节点侦听到第1级节点的交换消息后，后退和 等待一段随机时间，并与它的父节点交换消息进行同 步。等待一段时间的目的是保证第2级节点在第1级节 点时间同步完成后才启动消息交换。 • 这样，每个节点与层次结构中最靠近的上一级节点进 行同步，最终所有节点都同步到根节点。
TPSN时间同步算法研究 PPT
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
大家好
WSN时间同步概述
——时间同步算法的分类（1）
• （1）基于接收者——接收者（Receiver--Receiver）的时间同步
➢ 基于接收者——接收者的时间同步算法，主要利用了无线信道的广播 ➢ 主要原理是引入一个节点作为辅助节点，由该节点广播一个参考分组
TPSN 算法的数据包交换流程如图 34 所示，O 为上层节点，A、B、C 均 为下层节点。图中节点按 A、B、C 顺序依次与 O 节点进行时间同步，实 现表示下层节点发送时间同步请求， 虚线表示上层节点回馈。
➢ 该种类型的代表性算法是 TPSN 算法、LTS 算法。
大家好
WSN时间同步概述
——时间同步算法的分类（3）
•（3）基于发送者——接收者（Sender--Receiver）的单向时间同步
➢ 基于发送者——接收者的单向时间同步算法，相对于双向的时间同步 节点向待同步节点进行单向数据包传递。
➢ 主要原理是基准节点广播包含自己节点时间信息的时间同步数据包， 这一数据包后，根据时间戳信息，开始计算数据通信过程中数据包延 得到时间差值的待同步节点将对这些时延进行补偿，并完成了自己向
本次算法设计的应用背景是大规模、多跳、弱动 态的无线传感器网络，其单跳拓扑图如图所示， 其中，实线表示 1 跳节点向参考节点发送的时间 同步请求，虚线表示参考节点回馈的数据包。
大家好
随着节点数量的增 范围内节点数量变 此单跳范围内的数
由于节点密度增大 为 A 节点）和参 覆盖其他的 1 跳 性，A 节点和参考 以被其他被覆盖的
接收节点接收到这个参考分组，通过比较各自接收到消息的的本地时 时间同步。 ➢ 由于其他节点只需要监听信息而不需要同步到参考节点，该类型算法 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。
无线传感器时间同步技术——TPSN协议
The End Thank you！
Thursday, October 31, 2019
4
TPSN协议过程
第二阶段 同步阶段（Synchronization Phase）
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
Thursday, October 31, 2019
TPSN协议过程
相邻级别节点间的同步机制
i-1 级
消息传播 时延
5
两节点间的 时间偏差
i级
Thursday, October 31, 2019
6
TPSN协议过程
相邻级别节点间的同步机制 结论——
Thursday, October 31, 2019
第一阶段 层次发现阶段（Level Discovery Phase）
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
无线传感器网络分布式时间同步算法研究
无线传感器网络分布式时间同步算法研究无线传感器网络分布式时间同步算法研究随着科技的飞速发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）作为一种重要的信息采集和传输技术，已广泛应用于环境监测、物联网、智能交通等领域。
在无线传感器网络中，时间同步是保证传感器节点之间数据协同采集和传输的重要环节。
然而，由于传感器节点分散在不同的位置并且缺乏全局的时钟源，导致节点间的时间同步问题变得复杂而困难。
为了解决无线传感器网络中的时间同步问题，研究人员提出了一系列分布式时间同步算法。
本文将围绕这一主题进行探讨，并分析当前常用的算法及其优缺点。
一、问题分析在无线传感器网络中，由于各个节点的位置分布随机且节点数量庞大，传感器节点之间存在着不同的时延。
同时，由于能源和存储的限制，节点之间的通信是基于无线传输，并且容易受到外部环境干扰。
这些因素使得无线传感器网络中的时间同步问题异常复杂。
二、常用算法及其优缺点1. Flooding算法Flooding算法是无线传感器网络中最简单的时间同步算法之一。
该算法的基本原理是将时间同步信息通过广播方式从一个节点发送到其他所有节点。
虽然Flooding算法实现简单，但是它会导致大量的冗余消息和能量浪费，并且无法解决节点之间的时延问题。
2. Tree-based算法Tree-based算法采用树状拓扑结构进行时间同步。
每个节点只需和其父节点进行时间同步，从而减少了通信开销。
然而，由于树状拓扑结构的建立需要依赖节点的位置信息，这种算法对节点位置的要求较高，并且当树的结构发生变化时，重新建立树状拓扑结构非常困难。
3. TPSN算法Time-Period Synchronization（TPSN）算法是一种基于时钟周期同步的时间同步算法。
该算法要求节点具备相同的时钟周期，并通过周期性的消息交换进行时间同步。
TPSN算法能够有效解决节点之间的时延问题，但是由于时钟周期的偏移和误差，还存在一定的误差。
sntp对时原理
sntp对时原理嗨，朋友！今天咱们来唠唠SNTP对时这个超有趣的事儿。
你知道吗，SNTP就像是一个超级准时的小管家，专门负责把各个设备的时间都弄得整整齐齐的。
想象一下啊，要是世界上所有的设备时间都乱七八糟的，那得多乱套啊。
比如说，你在网上订了个东西，商家说10点发货，结果因为他们的设备时间不对，以为还早着呢，你就得干等着，多闹心啊。
那SNTP是怎么做到对时的呢？这得从它的工作方式说起。
SNTP是基于网络来工作的。
就好比它在网络这个大社区里到处串门，看看每个设备的时间情况。
它有个服务器，这个服务器就像是一个大时钟，而且是那种超级精准的时钟。
其他的设备呢，就像是一个个小迷糊，有时候时间不准。
当一个设备想要对时的时候，就会向这个SNTP服务器发送一个请求，就像在说：“大时钟，我都不知道现在啥时候了，你告诉我呗。
”这个请求就在网络的大道上跑啊跑，跑到服务器那儿。
服务器呢，接到这个请求后，就会查看自己精准的时间，然后把这个时间信息打包起来，再发回给那个请求的设备。
这就像是把正确的时间写在一个小纸条上，然后给那个小迷糊设备送回去。
这中间可没那么简单哦。
网络这个东西有时候就像个调皮的小孩子，会把这个时间信息的小纸条弄乱或者耽搁一会儿。
所以呢，SNTP还有一些聪明的办法来应对这种情况。
它会计算这个信息在路上花费的时间，就像你知道快递在路上走了多久一样。
然后根据这个时间来调整发给设备的准确时间。
而且呀，SNTP还很贴心呢。
它不是只对一次时就不管了。
它会定期地去检查设备的时间，就像一个关心你的小管家，时不时就来看看你的时间准不准。
如果发现有点偏差了，就会再次帮忙调整。
你再想想那些大型的网络系统，比如说银行的系统。
要是各个分行的设备时间都不一样，那转账啊、交易啊这些操作可就全乱套了。
SNTP就像是一个幕后的英雄，默默地保证着所有设备时间的一致性。
再说说我们日常生活中的智能设备吧。
你的手机、智能手表，这些东西要是时间不准，你可能就会错过重要的约会或者提醒。
无线传感器网络的时间同步算法研究
科技的进步促进了低功耗设备的发展 , 这些设 备能够感知周围环境和彼此之间进行通信, 产生了 无线传感器网络 , 并引起学术界和工业界的极大关 注。无线传感器网络是一种特殊的 ad ho c 网络, 无 线设备( 通常指网络中的节点 ) 自组织形成网络而不 [ 1] 需要任何下层的设备支持 。由于缺乏下层的设备 ( 例如传统网络中的路由器 ) , 网络中的节点彼此合
收稿日期 : 2005 - 04 - 11
基金项目 : 国家自然科学基金项目资助 ( 60573050) ; 北京市优秀人才培养专项经费资助项目 ( 20042D0500103) 。 作者简介 : 周贤伟 ( 1963 -) , 男 , 汉族 , 博 士后 , 主要研究方向为网络安全、 移动通信、 下一代网络 ; 韦 炜 ( 1980 -) , 男 , 汉族 , 硕 士研究生 , 主要研究方向为现代通信、 无线传感器网络 , philip_dream@ sohu. com; 覃伯平 ( 1971 -) , 男 , 汉族 , 博 士生 , 主要研究方向为信息安全、 无线传感器网络。
1
算法设计的影响因素
由于传感器节点的时钟都是不完美的, 节点的 本地时钟彼此之间会在时间上漂移 , 所以观察到的 时间或者时间间隔对于网络中的节点来说是彼此不 同的。但是, 对于很多网络协议的应用 , 需要一个共 同的时间 , 使网路中的节点全部或者部分在瞬时是 同步的[ 4] 。因此 , 无线传感器网络中的时间同步算 [ 5] 法设计会受到很多因素的影响 。 第一 , 传感器节点需要彼此并行操作和协作去 完成复杂的传感任务。数据融合是这种并行操作的 实例 , 不同的节点收集的数据集合为一个有意义的 结果。例如, 在车辆跟踪系统中, 传感器节点记录车 辆的位置和时间并传送给网关节点 , 然后结合这些 信息估计车辆的位置和速度。很明显, 如果传感器 节点缺乏统一的时间戳 ( 也就是说没有同步 ) , 估计 将是不准确的。 第二 , 许多节能方案是利用时间同步来实现的。 例如 , 传感器可以在适当的时候休眠( 通过关闭传感 器和收发器进入节能模式 ) , 在需要的时候再唤醒。 当应用这种节能模式的时候, 节点应该在同等的时 间休眠和唤醒, 也就是说当数据到来时 , 节点的接收 器并没有关闭。这个需要传感 器节点间精确 的定 时。调度算法 , 例如 T DMA , 能够通过不同 的时隙 共享信道 , 进而去估计传输阻塞和保存能量。因此 , 同步是信道调度的基础。
一种节能的基于TPSN算法改进的时间同步算法
杨 鹏 杨 明 慧 （ 扬州大学能源与动力工程学院， 江苏 扬 州 ２ ５ ０ ） ２ ０ ９
摘 要
时间 同步 是 无 线传 感 器 网络 中的 一 项 重 要 支撑 技 术 ， 节点 能量 有 限则 是 无 线 传 感 器 网络 的 一 个 显 著 特征 。节点 进 行 而 时 间 同步 的 时候 ， 果 同步 过 程 消 息 传输 过 多 ， 如 则会 大 大 消耗 节 点 的 能 量 。对 经典 Ｔ Ｓ 时 间 同步 算 法进 行 改进 ， 出一 种 Ｐ Ｎ 提
同 节 点 的 晶体 振 荡 器 频 率 存 在 偏 差 ，而 无 线 传 感 器 网络 本 质 上 是 一 个分 布 式 协 同 工 作 的 网 络 系 统 ，很 多 具 体 应 用 都 要 求 网 络
Ｔ 时 刻 返 回确 认 信 息 包 ， 息 包 包 含 节 点 Ｂ 的等 级 和 Ｔ 、 ２Ｔ ， 。 信 Ｔ 、 。
各个 节 点 存 在 相 互 的协 同 配 合 ，因 此 时 间 同步 是 无 线 传 感 器 网 络 的一 项 重 要 技 术 。但 是 ， 由于 传 感 器 节 点 往 往通 过 电 池 供 电 ， 有 限 的 能 量 资 源 、 算 能 力 、 储 容 量 ， 时 间 同 步 方 案 由其 特 计 存 使
Ｋｅ ｗｏ ｄ ：ｉ ｅ ｓ ｎｃ ｒ ｎｉａｔ ＴＰＳＮ ｙ ｒ ｓｔ ｙ ｈ Ｏ ｚ ｉ ｍ Ｏｎ， Ａｌ ｉ ｇｏｒｈｍ ， ｅｒ ｃ ｓ ｖ ｔ ｔ ｅｎ ｇｙ ｏｎ ｅｒａ ｉ ｏｎ
无 线 传 感 器 网络 每 个 传 感 器 节 点 都 有 自 己 的 本 地 时钟 ， 不
ｗａ 等 在 ２ ０ ｌ ０ ３年 提 出 的 ， 用 双 向成 对 同 步 技 术 实 现 节 点 问 同 利
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WSN时间同步概述 TPSN时间同步算法
目
录
CONTENTS
一种基于优化拓扑的时间 同步算法N-TPSN
01
WSN时间同步概述
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 局时间一致的过程。
WSN为何需要时间同步：
基于接收者——接收者的时间同步算法，主要利用了无线信道的广播属性。
主要原理是引入一个节点作为辅助节点，由该节点广播一个参考分组，在广播域内的一组
接收节点接收到这个参考分组，通过比较各自接收到消息的的本地时间，实现它们之间的 时间同步。 由于其他节点只需要监听信息而不需要同步到参考节点，该类型算法的优点在于可以避免
成本、资源
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。
同步协议
需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。
协议执行
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。
WSN时间同步概述
——时间同步算法的分类（1） • （1）基于接收者——接收者（Receiver--Receiver）的时间同步
——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 省了 1 跳范围内时间同步时主动发起的一次数据请求， 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。
利用这些时间差值进而同步到 参考节点。以此思路为基础进行单跳层次内 的算法优化设计。
N-TPSN时间同步算法
——算法思想（2）
TPSN 的分层思想是多跳无线传感器网络时间同步算 法中比较科学、先进的解决思想。
TPSN 协议在多跳情况下，下层节点需要向邻近 的每个上层节点进行时间同步请求。
比如图中的 17 号节点，需要向 8 号节点和 9 号节 点分别进行同步请求。 但这两个节点的反馈包被17号节点接受并进行数 据综合处理后，并不能保证17号节点的同步精度 比单独与一个节点进行时间同步精度更高。 上图示意了 2 跳内的 TPSN 算法，节点的编号 0-1 表示该节点是第 0 层的 1 号节点，1-9 表示该节点是第 1 层的 9 号节点，依此类推。 如果 17 号节点只与 9 号节点同步， 16 号节点只与 7 号 节点同步， 8 号节点便不需要进行时间同步数据包的 接收和回馈工作。以此进行层次间的算法优化。
降低在时间同步过程中的数据包交换次数。
N-TPSN时间同步算法
——算法思想（1）
根据 TPSN 算法流程，在网络分层结束同步 过程开始后，每个 1 跳节点需要向参考节点 发送同步请求数据包，等待参考节点回馈后 完成时间差值计算，同步到参考节点； 随着节点数量的增加，节点密度增大，单跳 范围内节点数量变大到 n，在 TPSN 协议中， 此单跳范围内的数据包交换次数为 2n。
N-TPSN时间同步算法
以单跳内四个节点为例，
——层次内开销优化设计（1）
TPSN 算法的数据包交换流程如图 34 所示，O 为上层节点，A、B、C 均 为下层节点。图中节点按 A、B、C 顺序依次与 O 节点进行时间同步，实 现表示下层节点发送时间同步请求， 虚线表示上层节点回馈。
N-TPSN算法数据包交换流程如图3-5所 示，B、C 节点均在 A 和 O 节点的单跳 范围内，由于无线信道具有广播特性， A 与 O 节点间的数据包交换可以被 B、 C 两个节点监听到。
时间同步
实现所有树节点的时间同步，第 i 层的 节点与第(i-1)层的一个节点同步，最 终所有节点都能在时间上与根节点同 步，从而实现整个网络的时间同步。
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。
01
02
时钟源节点作为根节点，广播级 别发现数据包来启动分层过程。 数据包中包含着节点自身的 ID 和所属层次。
结论：
B 节点根据与 A 节点的时间偏差Δ 同步到 A 节点的时间
TPSN时间同步算法
——优、缺点
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 息的平均时延，精度相对 较高。
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。
03
一种基于优化拓 扑的时间同步算 法N-TPSN
N-TPSN时间同步算法
——问题描述 问题：
无线传感器网络各项技术具有一项共同的性能指标，即能量消耗。 传感器节点除了待机耗能外，几乎所有能量都用来通过无线信道发送和接收数据包。
对于无线传感器网络时间同步算法，也希望降低算法能量损耗
研究方向：
N-TPSN时间同步算法
1.同步请求 2.上层回馈
——层次内开销优化设计（2）
3.偏差计算
上图可以完成1跳范围内某节点与上层节点通 信范围覆盖的所有节点的时间同步工作，这些 被覆盖的节点只需要监听无线信道并对接收到 的数据包进行分析计算即可，大大降低了 TPSN的算法开销。
4.时间修正
N-TPSN时间同步算法
本次算法设计的应用背景是大规模、多跳、弱动 态的无线传感器网络，其单跳拓扑图如图所示， 其中，实线表示 1 跳节点向参考节点发送的时间 同步请求，虚线表示参考节点回馈的数据包。
由于节点密度增大后，某个 1 跳节点（假设 为 A 节点）和参考节点的通信范围内很可能 覆盖其他的 1 跳节点，由于无线信道广播特 性，A 节点和参考节点的数据包交换过程可 以被其他被覆盖的 1 跳节点监听到。
于客户机——服务器架构。
待同步节点发送时间同步请包，基准节点接收到这一同步请求后反馈自身当前时间，待 同步节点接收到反馈的信息后计算时间偏差并予以调整，完成时间同步。 该类型算法优点在于同步的高精度，而缺点就是节点分层的维护和多次两点间信息交换，
大大增加了能耗。
该种类型的代表性算法是 TPSN 算法、LTS 算法。
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
03
当根节点的邻居收到这一数据包，便
把自己的层次置为 1，并向下继续广 播新的级别发现数据包。
TPSN时间同步算法
——时间同步阶段
d d
A：i 层节点
B：i+1 层节点
TPSN时间同步算法
——时间同步阶段
WSN时间同步概述
——时间同步算法的分类（3） •（3）基于发送者——接收者（Sender--Receiver）的单向时间同步
基于发送者——接收者的单向时间同步算法，相对于双向的时间同步算法，只需要基准
节点向待同步节点进行单向数据包传递。
主要原理是基准节点广播包含自己节点时间信息的时间同步数据包，待同步节点在接受到 这一数据包后，根据时间戳信息，开始计算数据通信过程中数据包延迟的各个组成部分， 得到时间差值的待同步节点将对这些时延进行补偿，并完成了自己向参考节点的同步。
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
不同节点晶体振荡不同，存在累
计误差； 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
晶体振荡
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。
该类型算法优点在于算法复杂度低、能耗小，缺点在于同步精度较低。
该种类型的代表性算法是 DMTS 算法和 FTSP 算法。
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TPSN时间同步算法
TPSN时间同步算法
——主要思想
层次发现 主要思想
采用层次型网络结构，分为层 次发现和时间同步两个阶段。 每一个节点赋予一个层次，第 i 层的 节点至少要能够与第(i-1)层的节点通 信；
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