无线传感器时间同步技术——TPSN协议
TPSN时间同步算法研究
TPSN时间同步算法研究TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks）是一种用于传感器网络中时间同步的协议。
它的主要目标是实现对整个网络中的节点进行时间同步，以便节点能够根据实时的时间信息进行协调和协作。
TPSN算法包括两个主要的步骤：根节点与其他节点的时间同步阶段以及节点之间的时间同步阶段。
在第一个阶段，根节点广播一个时间同步请求到网络中的所有节点。
每个节点收到请求后，将自己的时间信息（本地时间）作为响应发送给根节点。
根节点接收到所有响应后，计算出每个节点与根节点之间的时间差，并向每个节点发送一个时间差值（偏移量）作为第一次时间校准。
在第二个阶段，每个节点接收到根节点发送的时间偏移量后，将其加到本地时间中，从而校准本地时间。
节点将校准后的时间作为响应发送给邻居节点，以便它们也可以进行时间校准。
这个过程一直持续到整个网络中的所有节点都完成了时间同步。
在TPSN算法中，时间同步的准确性取决于两个因素：节点的时钟漂移和消息传输的时延。
时钟漂移指的是节点时钟相对于全局时间的偏移量，而消息传输的时延指的是消息在传输过程中的时间消耗。
为了提高时间同步的精度，TPSN算法采取了以下几个改进措施：1.多轮的时间同步：在第一个阶段，根节点对每个节点进行多轮的时间同步请求，以进一步减小时延的影响。
多轮同步可以让根节点更准确地校准每个节点的时间，提高时间同步的精度。
2.消息时间戳：为了减小时间延迟对时间同步的影响，节点在发送消息时附带一个时间戳。
接收节点收到消息后，可以通过时间戳来估计消息发送的时间，从而更精确地校准时间。
3.时钟漂移估计：TPSN算法通过观察节点之间的时间差异来估计节点的时钟漂移。
根据不同节点与根节点之间的时间差，可以推断出节点的时钟漂移，并据此进行时间校准。
TPSN算法的性能主要受到网络拓扑结构和节点数量的影响。
在稠密网络中，由于节点之间的通信距离较短，消息传输的时延较小，可以实现较高精度的时间同步。
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钟同步算法研究
无线传感器网络中的时钟同步算法研究一、引言无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是由大量分布式的传感器节点组成的网络系统，用于监测、收集和传输环境中的数据。
时钟同步是无线传感器网络中的一个重要问题，它对于网络的可靠性和性能至关重要。
本文将介绍无线传感器网络中的时钟同步算法的研究进展。
二、时钟同步问题概述在无线传感器网络中，每个传感器节点都有自己的时钟，但由于各种因素的影响，如温度、电压等，节点的时钟会出现误差。
这些时钟误差会导致数据的不一致性和通信的不可靠性。
因此，时钟同步问题需要被解决，以确保节点的时钟能够保持一定的准确性和一致性。
三、时钟同步算法分类时钟同步算法可以分为两种类型：全局时钟同步算法和相对时钟同步算法。
1. 全局时钟同步算法全局时钟同步算法旨在使网络中的所有节点的时钟保持一致。
其中最为经典的算法是Flooding Time SynchronizationProtocol(FTSP)。
FTSP通过洪泛方式，将节点的时钟信息传递给其他节点，进而实现时钟同步。
然而，FTSP算法对网络资源的消耗较大，且易受到网络环境的影响。
2. 相对时钟同步算法相对时钟同步算法是指通过比较节点间的时钟差距，实现节点间的时钟同步。
一种常用的相对时钟同步算法是Timing-sync Protocol for Sensor Networks(TSPN)。
TSPN通过节点间的相对比较，计算出节点间的时钟差值，并以此来进行时钟同步。
相比于全局时钟同步算法，相对时钟同步算法更加灵活和适应性强。
四、时钟同步算法研究进展目前，无线传感器网络中的时钟同步算法研究已取得了一系列重要成果。
1. 时钟校准技术时钟校准技术是解决时钟同步问题的一种重要手段。
该技术主要包括外部校准和内部校准两类。
外部校准是通过与外界时间参照进行比较，对节点的时钟进行调整；内部校准是利用节点间的相对比较信息进行时钟校准。
无线传感器时间同步技术——TPSN协议
TPSN同步协议在MAC层 消息开始发送到无线信道 是才给消息添加时标，消 除了访问时间带来的时间 同步误差
考虑了传播时间和接收 时间，利用双向消息交 换计算消息的平均延迟， 提高了时间同步的精度
Friday, May 16, 2014
缺点
没有考虑根节点失效问题
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新的节点加入时，需要初始化层次发现阶段，级 别的静态特性减少了算法的鲁棒性
Friday, May 16, 2014
TPSN协议过程
第二阶段 同步阶段（Synchronization Phase）
4
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2014
使用范围
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TPSN能够实现全网范围内节点间的时间同步，同 步误差与跳数距离成正比 适合实现短期间的全网节点时间同步，若要长时 间的全网节点时间同步，需要周期的执行TPSN协 议进行同步，间隔时间根据具体情况决定
考虑能耗问题，TPSN可以与后同步策略结合使用
Friday, May 16, 2014
Friday, May 16, 2014
TPSN协议过程
协议准备
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每个传感器节点都有唯一的标识号ID
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
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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”
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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
TPSN时间同步算法研究
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。
THANK YOU
——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
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
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。
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
01
02
时钟源节点作为根节点，广播级
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。
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The End Thank you！
Thursday, October 31, 2019
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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
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两节点间的 时间偏差
i级
Thursday, October 31, 2019
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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
Thursday, October 31, 2019
2
TPSN协议过程
协议准备
每个传感器节点都有唯一的标识号ID
节点间的无线通信链路是双向的，通过双向消息 交换实现节点间的时间同步
整个网络内所有节点按层次结构管理，由TPSN协 议生成和维护
Thursday, October 31, 2019
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TPSN协议过程
时间同步协议
——TPSN
协议思想
Thursday, October 31, 2019
协议过程
性能分析
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TPSN时间同步协议思想
TPSN （ Timing-sync Protocol for Sensor Networks ）
1、TPSN是类似于NTP（Network Time Protocol）时间同 步协议 2、目的是提供传感器网络全网范围内节点间的时间同步 3、节点结构中包含一个根节点，它与外界通信获取外界时 间，以此作为整个网络系统的时钟源 4、将节点分级后（根节点是0级，累加），每个节点同上一 级的一个节点进行时间同步，最终与根节点同步 5、节点对之间的同步采用发送者-接收者同步机制（RBS）
优点Biblioteka 减少同步误差TPSN同步协议在MAC层 消息开始发送到无线信道 是才给消息添加时标，消 除了访问时间带来的时间 同步误差
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提高同步精度
考虑了传播时间和接收 时间，利用双向消息交 换计算消息的平均延迟， 提高了时间同步的精度
Thursday, October 31, 2019
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缺点
没有考虑根节点失效问题 新的节点加入时，需要初始化层次发现阶段，级 别的静态特性减少了算法的鲁棒性
Thursday, October 31, 2019
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使用范围
TPSN能够实现全网范围内节点间的时间同步，同 步误差与跳数距离成正比
适合实现短期间的全网节点时间同步，若要长时 间的全网节点时间同步，需要周期的执行TPSN协 议进行同步，间隔时间根据具体情况决定
考虑能耗问题，TPSN可以与后同步策略结合使用