第七章 时间同步【无线传感网络】
无线传感器网络中的位置和时间同步技术研究
无线传感器网络中的位置和时间同步技术研究随着移动通信、网络技术和微电子技术的迅猛发展，无线传感器网络成为了研究热点之一。
无线传感器网络由很多无线节点组成，这些节点能够采集和处理环境信息，并将处理后的结果传输至网络的其他节点。
在很多应用场景中，无线传感器网络的位置和时间同步是至关重要的。
本文将对无线传感器网络中的位置和时间同步技术进行一些探讨。
一、无线传感器网络的位置同步技术无线传感器网络中的位置同步技术是一项重要的研究内容。
在实际应用中，无线传感器网络一般用于需要定位的环境中，例如，地震采集、环境监测等。
无线传感器网络的位置同步技术可以将无线传感器节点通过计算方法同步，并确定节点的坐标，以便更好地监控所需监测的环境。
目前，常用的位置同步技术主要有两种：一种是基于超声波的技术，一种是基于无线电波的技术。
基于超声波的位置同步技术是通过节点之间相互发送超声波信号来实现同步。
该技术的优点是定位精度高，但需要大量的计算量和复杂的硬件设备。
基于无线电波的位置同步技术是利用无线电波在空气中的传播性质，通过测量信号的到达时间和发射时间来计算距离，并由此推算出节点的位置。
该技术比较简单，并且计算量小，但是定位精度不如基于超声波的技术。
二、无线传感器网络的时间同步技术无线传感器网络中的时间同步技术通常是将每个节点的时钟同步。
有时候，通过同步节点的时钟，可以使得节点之间能够进行有效的通信和协调，从而更好地完成采集和监测的任务。
目前，常见的时间同步技术有两种：一种是基于GPS的技术，一种是基于网络同步协议的技术。
基于GPS的时间同步技术是利用GPS中的时间信号，通过无线传感器节点和GPS接口的连接来实现时间同步。
虽然定位错误率极低，但是成本相对较高，并且无法在某些环境中使用，例如室内。
基于网络同步协议的时间同步技术是通过网络中的一个节点发送时间信号，来对网络中的其他节点的时钟进行校准，并达到时间同步的效果。
该技术的优点是成本较低，形式更加简洁，且支持室内应用。
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。
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。
无线传感器网络时
三种基本同步机制：RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN。 传统网络时间同步 时间同步问题在局域网和Intemet范围内都有所研 究，像GPS和无线测距等技术已经用于提供网络的 全局同步。能够保证Interact的钟协调的复杂协议如 NTP也以及被提出来。但是，在传感器网络这个领 域里，时间同步的要求有相当大的区别。无线传感 器网络结构庞大、密度高，通常包含成千上万的传 感器节点。处理这样高密度的网络，需要能够适应 大规模的时间同步算法。同时，由于节点电池寿命 的限制，节能也是一个主要的考虑因素。
右图则是接收者-接收者同步机制，其关键路径大为缩短，完 全排除了发送时间和访问时间的影响。
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。 对于传播时间，RBS只关心各个接收节点之间消息 传播时间的差值。对于射频信号来说，传播时间差 值非常小，RBS忽略了传播时间带来的时间偏差。
影响RBS机制性能的主要因素包括接收节点间的时 间速率、接收节点非确定因素和接收节点的个数等。 为提高时间同步精度，RBS机制采用了统计技术， 通过发送节点发送多个消息，获得接收节点之间时 间差异的平均值。 对于时间速率问题，采用最小方差线性拟合，直线 斜率就是两个节点的时间速率，直线上的点表示节 点间的时间差异。 RBS的缺点是对网络有一定的要求，它不适合点对 点通信的网络，且要求网络有物理广播信道。
数据进行处理后才能获得目标的移动方向、速度等信息，这 就要求相关的传感器节点采集的数据在时间上是相关的。无 线传感器网络中的多数节点是无人职守的，仅携带有少量有 限的能量，为了延长网络的使用期限，网络中的节点大部分 时间处于定时休眠状态，为了能协同完成工作任务，节点必 须进行协同休眠，这也要求节点具有准确的时间同步。波束 成型阵列在确定声源的位置时，需要计算多个传感器接收到 的信号的相位差，这要深圳市接收到的数据是同步的。在无 线传感器网络的应用中，为了减少网络的通信量以降低能耗， 往往将传感器节点采集到的数据进行必要的融合处理，进行 这些处理的前提是网络中的节点具有相同的时间标准。 由于 无线传感器网络自身的能量、体积、价格、技术等方面的约 束，研究满足无线传感器网络同步精度的时间同步机制，具 有很重要的理论和实践价值。
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（Wireless Sensor Networks, WSN）是由大量分布在空间中的无线传感节点组成的自组织、自适应的网络系统，它们可以感知、控制、处理和通信。
由于无线传感器网络中的节点大多是由电池供电的，节点之间的通信和定位等操作需要耗费大量的能量，因此能源是无线传感器网络中的一个关键问题。
在无线传感器网络中，为了实现网络的正常运行和协调工作，各个节点需要保持时间同步，以便协调节点之间的通信和数据处理。
时间同步技术是无线传感器网络中的重要研究方向之一，它主要解决无线传感器网络中各个节点间的时钟同步问题，以确保网络中各个节点的时间都是一致的。
时间同步技术对于无线传感器网络中的数据处理、事件协调、能源管理等方面都具有重要的意义。
在本文中，将探讨关于无线传感器网络的时间同步技术的研究现状和发展趋势，并分析其在实际应用中存在的挑战和解决方法。
无线传感器网络中的时间同步技术可以分为两大类：基于内部时钟和基于外部时钟的时间同步技术。
基于内部时钟的时间同步技术是指通过网络内部的通信和消息传递来实现节点之间的时间同步；而基于外部时钟的时间同步技术则是指通过外部时钟源（如GPS卫星）来为网络中的节点提供统一的时间基准。
具体的时间同步技术包括：全局时间同步和局部时间同步、基于时戳和基于握手等。
在无线传感器网络中，由于节点之间的通信具有不确定性和随机性，导致了节点之间的通信延迟和时钟漂移，因此要实现时间同步需要解决一系列技术难题，包括通信延迟补偿、时钟漂移校准、误差估计和误差补偿等。
目前，常见的时间同步算法有：Reference Broadcast Synchronization（RBS）、Timing-Sync Protocol for Sensor Networks（TPSN）、Flooding Time Synchronization Protocol（FTSP）等。
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（Wireless Sensor Networks，WSN）已经被广泛应用于环境监测、农业、医疗等各种领域。
在WSN中，时间同步技术是一个关键性问题，它可以用来进行协调和通信的时间戳比较，从而实现更加精确和高效的数据传输和计算。
在无线传感器网络中，每个无线传感器节点都是独立的，因此它们之间的时钟并不同步。
如果任意两个传感器节点都有各自不同的时间，那么将导致数据的混乱和错误。
例如，当我们通过两个传感器节点来测量某个事件的时间差时，如果两个传感器节点时间并不同步，测量结果就没有意义。
因此，时间同步技术对于无线传感器网络的应用非常重要。
在传感器网络中，有两种不同的时间同步技术：硬件同步和软件同步。
硬件同步指的是通信设备可以使用精确的外部参考将其时钟与其他通信设备同步，例如使用GPS（全球定位系统）信号来同步设备的时钟。
软件同步是指通过网络通信来达到时间同步，即在网络中通过时间同步协议来协调各个传感器节点之间的时钟。
常见的时间同步协议有以下几种。
1.NTP （网络时间协议）NTP是一种广泛应用的时间同步方案，它能够同步网络中的各个设备的时钟。
通过NTP，设备可以通过互联网或专用网络接收时间同步信息。
NTP通过将设备的时钟与网络中已知的参考时钟进行比较，调整设备的时钟，从而实现设备之间的时间同步。
3.TDDS （时态分布式同步协议）TDDS是一种分布式的时间同步协议，是基于时态理论的一种时间同步算法。
TDDS能够在传感器节点之间高效地同步时间，具有高精度、高可靠性、易于实现和灵活性等优点。
TDDS采取分布式同步方式，节点之间的同步通过消息传递实现，克服了中心节点同步方式的单点故障问题。
同时，TDDS采用链式校正技术，避免了周期性重同步，可实现长时间的时钟同步。
因此，TDDS被广泛应用于无线传感器网络中的时间同步。
时间同步是无线传感器网络中一个重要的技术，传感器网络的各种应用都需要进行时间同步。
无线传感器网络中的时间同步与路由技术
无线传感器网络中的时间同步与路由技术无线传感器网络（WSN）是由许多分布在广阔区域的无线传感器节点组成的网络。
这些节点能够感知并收集环境中的数据，并将其传输到指定的目标节点。
时间同步和路由技术是使得无线传感器网络正常运行的两个关键方面。
时间同步是指在无线传感器网络中对所有节点的时间进行同步，确保节点之间的数据收集和传输在一个统一的时间参考下进行。
在实际应用中，无线传感器节点通常是通过无线信号相互通信的，而无线信号传输有不可忽视的时间延迟。
如果节点之间的时间不同步，就会导致节点之间的通信出现问题，从而影响数据的准确性和有效性。
无线传感器网络中的时间同步技术可以分为两种类型：基于外部时钟的同步方法和基于节点自身的同步方法。
基于外部时钟的方法利用外部时钟源（例如，全球定位系统）作为时间的参考，将各个节点的本地时钟与外部时钟进行同步。
这种方法的优势在于能够实现高精度的时间同步，但是需要额外的硬件和复杂的安装过程。
基于节点自身的方法则通过节点之间的相互通信来实现时间同步，节点通过相互交换数据包来调整自身的时钟。
这种方法的优势在于简单易用，但是时间同步精度较低。
路由技术是指在无线传感器网络中确定数据从源节点到目标节点的传输路径。
由于传感器节点通常分布在广阔的区域中，节点之间的通信距离有限，因此需要选择合适的路由路径来确保数据的可靠传输。
常用的路由技术包括单播路由、多播路由和广播路由等。
单播路由是指将数据从源节点传输到目标节点的最短路径，目标节点为单一节点。
在选择单播路由时，通常会考虑节点的能量消耗、网络拓扑结构和网络负载等因素，以实现高效的数据传输。
多播路由是指将数据从源节点传输到多个目标节点的路径。
多播路由通常用于需要将数据广播到多个接收节点的场景，例如多个节点需要共享某些数据的情况下。
广播路由是指将数据从源节点向网络中的所有节点广播的路径。
广播路由通常用于向网络中的所有节点发送控制信息或者同步时间信息等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
时间同步协议
• 无线传感器网络的时间同步协议按照同步机制的不同可 以分为以下几种类型:
• 分层与平面模式 • 绝对时间与相对时间模式 • 发送者-接收者与接收者-接收者模式
• 评价一个时间同步协议的可以参考以下性能参数
• 最大误差、同步时间、同步范围、效率和硬件代价
TPSN
• 传感器网络时间同步（Timing-Sync Protocol for Sensor Ne tworks，TPSN）协议采用分层结构，利用发送者-接收者 之层间次进发0行现层-根成和节点对时的间同同步步工阶作段。协议工作过程包括两个阶段：
对于时间速率问题，采用最小方差线性拟合，直线斜率就是两个节点的 时间速率，直线上的点表示节点间的时间差异。
RBS
RBS的缺点
• 对网络有一定的要求，它不适合点对点通信的网络， 且要求网络有物理广播信道。
• 扩展性不好，不能很好地应用到大规模的多跳网络 中。RBS有很大的交换次数，对于具有，2个节点的 单跳网络，需要O(n2)的消息交换，如果n很大时， 消息交换开销是相当大的，导致节点的计算开销也 非常之大。
低能耗：在保证性能的前提下，其消耗的能量应该越 小越好。
NTP（Network Time Protocol）
体系结构（网络）NTP（Netwo来自k Time Protocol）
• 体系结构（单机）
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
• 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
• 需要解决的问题
• 同步精度、功耗、可扩展性
时间同步技术(传统同步：NTP与GPS)
在设计时间同步机制时，需要考虑以下几方面因素： 扩展性：时间同步机制应能适应不同的网络场景； 稳定性：时间同步机制要保持连续性和同步的精度； 鲁棒性：保持机制的健壮性； 收敛性：时间同步机制应能在较短的时间内达成节点 时间的同步
进行补偿 • 对clock skew的补偿仍采用最小二乘法
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
• 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。
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
• 对于传播时间，RBS只关心各个接收节点之间消息传播时 间的差值。对于射频信号来说，传播时间差值非常小，R BS忽略了传播时间带来的时间偏差。
RBS
影响RBS机制性能的主要因素包括接收节点间的时间速率、接收节点非 确定因素和接收节点的个数等。
为提高时间同步精度，RBS机制采用了统计技术，通过发送节点发送多 个消息，获得接收节点之间时间差异的平均值。
1层
2层
TPSN
节点A
T2
T3
Request
Reply
节点B T1
(T 2 T1) (T 4 T 3) 2
时间同步阶段
同步点 T4
TPSN使用了类似NTP的双向握手机制：
理论分析和实验证明：TPSN同步误差是RBS的一 半
结合对clock skew的估计，可以提高TPSN的精度
RBS
• 能耗高，RBS中接收节点之间进行相互同步，但自 身并不与发送节点同步；需要另外一个节点作为参 照广播发射节点，这导致了相当高的能耗。
多跳RBS
时间路由技术：基于最短路径查找
FTSP
同步精度高、工程实用性强、强调实现细节 MAC层时间戳技术
• 和平台直接相关
基本同步原理
• 发送者--接收者同步 • 单个报文中包括多个时间戳（在报文的不同位置） • 根据单个报文中的多个时间戳，可对中断等待时间
无线传感器网络
Wireless Sensor Networks
第七章 时间同步
2020/8/22
1
内容提要
• 时间同步技术 • 时间同步协议
• TPSN、RBS、FTSP、TMSP、LTS、TSync
WSN时间同步技术背景
• 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。