无线传感器时间同步技术TPSN协议
无线传感器网络课件：时钟同步
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：
无线传感器网络中基于层次结构的时间同步算法
无线传感器网络中基于层次结构的时间同步算法陶志勇;胡明【期刊名称】《计算机应用》【年(卷),期】2012(32)6【摘要】时间同步作为无线传感器网络的关键技术之一,对整个网络的工作和发展有着至关重要的作用.提出了基于层次结构的传感器网络时钟同步协议(TPSN)改进算法:在层次建立阶段采取等级广播,在同步阶段采取直接双向和间接双向相结合的时间同步方式,获得相对较少的报文开销和系统维护开销；进行了时间频率偏移校正,以保证节点的时间同步精度.仿真实验结果表明,该算法不仅提高了网络的同步精度,也节约了网络的能量消耗,更加满足实际应用的需求.%Time synchronization is one of the key technologies for wireless sensor networks, and it plays an irreplaceable role for the work and development of the entire wireless sensor network- This paper proposed an improved Timing-sync Protocol for Sensor Networks (TPSN) algorithm based on hierarchy. This algorithm took level-broadcast in phase of level establishment, and a combined active and inactive two-way synchronization algorithm was used in phase of time synchronization, obtaining a relatively small cost of packet and system maintenance. This improved algorithm carried out time-frequency offset correction, and ensured the accuracy of the node. The improved TPSN algorithm not only enhances the accuracy of synchronization, but also saves the energy consumption for the network.【总页数】4页(P1513-1515,1551)【作者】陶志勇;胡明【作者单位】辽宁工程技术大学电子与信息工程学院,辽宁葫芦岛125105;辽宁工程技术大学研究生学院,辽宁葫芦岛125105【正文语种】中文【中图分类】TP393.02【相关文献】1.无线传感器网络中基于层次时间同步算法 [J], 金虎2.基于无线传感器网络的井下时间同步算法设计 [J], 杨治秋;原福永3.基于频偏估计的无线传感器网络时间同步算法 [J], 孙毅;曾璐琨;武昕;陆俊;孙跃4.基于区域扩散机制的无线传感器网络时间同步算法 [J], 汪涛5.基于簇的能量均衡无线传感器网络时间同步算法 [J], 孙毅;南婧;武昕;陆俊因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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。
精品文档-无线传感器网络技术原理及应用-第5章
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3. 全网同步与局部同步 根据不同应用的需要，若需要网内所有节点的时间同步， 则称为全网同步。而某些时间触发类应用，往往只需要部分 与该事件相关的节点时间同步即可，称为局部同步。
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5.1.3 协议 本节将介绍无线传感器网络领域内具有代表性的时间同
步协议。典型的时间同步协议有DMTS协议、RBS协议以及TPSN 协议。
18 图5-2 RBS协议基本原理
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发送节点广播一个信标分组，广播域中两个节点都能够 接收到这个分组。每个接收节点分别根据自己的本地时间记 录接收到信标分组的时刻，然后交换它们记录的信标分组接 收时间。两个接收时间的差值相当于两个接收节点间的时间 差值t2-t1，其中一个接收节点可以根据这个时间差值更改它 的本地时间，从而达到两个接收节点的时间同步。
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5.1.4 应用 时间同步是无线传感器网络的基本中间件技术，不仅对
其他中间件，而且对各种应用都起着基础性作用，一些典型 的应用如下。
1. 多传感器数据压缩和融合 当传感器节点密集分布时，同一事件将会被多个传感器 节点接收到。如果直接把所有的事件都发送给基站节点进行 处理，将造成对网络带宽的浪费。
26 假设报文的传输延迟相同，均为d。
由 T2 T1 t d
(5-1)
T4 T3 ， t d
可得
t (T2 T1) (T4 T3) 2
d (T2 T1) (T4 T3) ，2
(52)
因此在T4时刻，若在节点A的本地时间上增加修正量t， 就达到和节点B之间瞬时的时间同步，此时刻称为同步点。
8
5.1.2 方法 目前无线传感器网络的时间同步方法有很多，可以将其
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
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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优点
减少同步误差 提高同步精度源自7TPSN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
Wednesday, October 24, 2018
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
Wednesday, October 24, 2018
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
第一阶段 层次发现阶段（Level Discovery Phase）
3
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
考虑能耗问题，TPSN可以与后同步策略结合使用
Wednesday, October 24, 2018
精品课件！
精品课件！
The End Thank you！
Wednesday, October 24, 2018
TPSN协议过程
第二阶段 同步阶段（Synchronization Phase）
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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
Wednesday, October 24, 2018
TPSN协议过程
协议准备
2
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
Wednesday, October 24, 2018
TPSN协议过程
Wednesday, October 24, 2018
TPSN协议过程
相邻级别节点间的同步机制
i-1 级
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消息传播 时延
两节点间的 时间偏差
i级
Wednesday, October 24, 2018
TPSN协议过程
相邻级别节点间的同步机制 结论——
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Wednesday, October 24, 2018
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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）