无线传感器网络时间同步技术汇编
无线传感器网络时钟同步技术
Time Synchronization in Wireless Sensor Network System 张书钦
zsqheu@
Zhongyuan University of Technology
提 纲
一 二 三 四 概述
MAC层避免信道冲突技术 MAC层协议分类
A (node-local) software clock is usually derived as follows:
Li(t) = qi Hi(t) + fi (没有考虑计数寄存器的益处) qi is the (drift) rate, fi the phase shift 时间同步就是要修正 qi 和 fi, 而不是计数寄存器
传统同步：NTP与GPS
NTP
NTP不适合于WSN 体积、计算能力和存储空间存在限制
GPS
每颗卫星上配备有高精度的铷、铯原子钟，并不断发射其时间信息 地面接收装置同时接收4颗卫星的时间信息，采用伪距测量定位方法 可计算出时间和位置信息 缺点（室内、功耗、安全性、分布式）
速率恒定模型
该模型认为频率保持恒定不变，最常用，但不适应环境变化剧烈的场 合
飘移有界模型
常用于确定同步误差上下界，频率稳定度常用ppm（百万分之一）
飘移变化有界模型
时钟的漂移变化率是有限的。
软件时钟模型
软件虚拟时钟 一般是个分段连续、严格单调的函
时间同步的不同目的
第一种是最简单的一种，要求也最低，它只需 要保证节点之间事件发生的相对顺序，这样就 不需要节点具有相等的本地时间； 第二种时钟同步问题是保证节点之间的相对时 钟，在需要的时候，节点的本地时间可以与其 他节点的本地时间相互转换，目前大多数时钟 同步算法 ， 都是针对该种同步问题； 第三种即最高要求的同步就是全网同步，全网 所有节点随时都要与网络中的一个参考时钟同 步，这就需要在网络中传播公共的时间标记。
无线传感器网络原理及应用第6章 时间同步技术
则称时钟在t时刻是准确的；如果 dc(t) dci (t) ，则称时钟 dt dt
在时刻是精确的；而如果 ci (t) ck (t) ，则称时钟 ci (t)
第6章 时间同步技术
在时刻与时钟 ck (t) 是同步的。上面的定义表明：两个同步 的时钟不一定是准确或精确的，时间同步与时间的准确性和 精度没有必然的联系，只有实现了与理想时钟(即真实的物 理时间)的完全同步之后，三者才是统一的。对于大多数的 传感器网络应用而言，只需要实现网络内部节点间的时间同 步，这就意味着节点上实现同步的时钟可以是不精确甚至是 不准确的。
ci (t)
1 f0
t
0 fi ( ) d ci (t0 )
(6-1)
第6章 时间同步技术
其中，fi ( ) 是节点i晶振的实际频率，f0为节点晶振的标准频 率，t0代表开始计时的物理时刻， ci (t0 ) 代表节点i在t0时刻 的时钟读数，t是真实时间变量。 ci (t0 ) 是构造的本地时钟，
以上两种方法都估计了频率修正系数和初始偏移修正系 数，精度较高；对于低精度类的应用，还可以简单地根据当 前的本地时钟和物理时钟的差值或本地时钟之间的差值进行 修正。
一般情况下，都采用第二种方法进行时钟间的同步，其 中aij和bij分别称为相对漂移和相对偏移。公式(6-5)给出了两 种基本的同步原理，即偏移补偿和漂移补偿。如果在某个时 刻，通过一定的算法求得了bij，也就意味着在该时刻实现了 时钟ci(t)和cj(t)的同步。偏移补偿同步没有考虑时钟漂移， 因此同步时间间隔越大，同步误差越大，为了提高精度，可 以考虑增加同步频率；另外一种解决途径是估计相对漂移量
第6章 时间同步技术
本地时钟通常由一个计数器组成，用来记录晶体振荡器 产生脉冲的个数。在本地时钟的基础上，可以构造出逻辑时
无线传感器网络的时钟同步问题研究
无线传感器网络的时钟同步问题研究无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量分布在无线环境中的微型传感器节点组成的网络系统。
这些节点通常由微控制器、无线模块、能量供应、感应器等组成，并能对环境中的物理量进行感测、处理和传输数据。
由于传感器节点的分散和数量较多，为确保正常工作，需要对网络节点的时钟进行同步。
目前，时钟同步算法在无线传感器网络中的研究已经取得了很大的进展，本文将从以下几个方面对时钟同步问题进行探究：一、时钟同步问题概述在无线传感器网络中，传感器节点的数量众多，而且分散在广阔的区域内，节点之间的距离不同，传输延时也不同，因此节点之间的时钟可能会出现误差。
节点之间的时钟同步是保证网络正常运行的重要保障。
时钟同步指的是将不同节点时钟的时间误差控制在一个可接受的范围内。
常见的时间同步误差包括相对误差和绝对误差两种。
相对误差指的是不同节点的时钟相对误差，绝对误差则是节点的时钟与真实时间之间的误差。
时钟同步问题近年来引起了广泛关注，尤其是在军事、环境监测、智能交通等领域的应用中。
二、传统时钟同步算法的缺陷传统的时钟同步算法主要是采用时间戳或者基于网关的同步方法。
其中，时间戳同步是一种分散式的算法，它通过节点间相互交换时间戳信息来实现同步，但是由于节点之间的距离、链路质量等因素的影响，时间戳同步算法无法达到高精度同步的要求。
而基于网关的同步方法则是采用网关节点作为中央时钟参考，通过点对点的同步算法实现节点之间的时钟同步，但是由于网关节点的数量不足以满足复杂环境下的同步要求，所以这种同步方法存在着一定的局限性。
三、现有时钟同步算法的研究进展为了解决上述问题，近年来研究者们提出了许多高精度的时钟同步算法。
其中，两种最常见的同步算法是链式同步（Chain-Based Synchronization）和公告板协议（Bulletin Board Protocol）。
链式同步算法采用了一种由根节点向下延展的同步方式，每一个节点都从其父节点处接收同步信息，计算出自己的时间，并将同步信息传递给其子节点。
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。
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时钟漂移校准
无线传感器网络中的时间同步与时钟漂移校准随着科技的不断进步，无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）在各个领域中得到了广泛的应用。
无线传感器网络由大量的分布式传感器节点组成，这些节点可以自主地感知环境中的信息，并将这些信息通过网络传输到中心节点进行处理和分析。
然而，在无线传感器网络中，节点之间的时间同步和时钟漂移校准是一个重要的问题。
时间同步是指在无线传感器网络中，各个节点之间具有相同的时间基准。
在许多应用场景中，如环境监测、物流追踪等，节点之间的时间同步是至关重要的。
例如，在环境监测中，如果各个节点的时间不同步，就无法准确地判断某个事件发生的先后顺序。
因此，时间同步是无线传感器网络中的一个基本问题。
然而，由于无线传感器节点的资源有限，如计算能力、存储容量和能源等，传统的时间同步方法并不适用于无线传感器网络。
传统的时间同步方法通常依赖于全局时钟，而无线传感器网络中的节点通常没有全局时钟。
因此，研究人员提出了一些适用于无线传感器网络的时间同步方法。
一种常用的时间同步方法是基于时隙的方法。
该方法将时间分为若干个时隙，每个节点根据自身的时钟进行时隙的选择和同步。
这种方法可以减少节点之间的通信开销，提高网络的能源利用率。
另一种时间同步方法是基于事件触发的方法。
该方法通过节点之间的事件传递来实现时间同步，当一个节点发生事件时，会向周围的节点发送同步信息，从而实现时间同步。
除了时间同步外，时钟漂移校准也是无线传感器网络中的一个重要问题。
时钟漂移是指节点的时钟与全局时钟之间存在的误差。
由于无线传感器节点的时钟通常是由晶体振荡器产生的，而晶体振荡器受到温度、电压等环境因素的影响，导致时钟频率发生变化，从而引起时钟漂移。
时钟漂移校准的目标是减小节点之间的时钟漂移误差，提高网络的时间同步精度。
为了解决时钟漂移校准的问题，研究人员提出了一些校准方法。
一种常用的校准方法是基于时间同步的方法。
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成本、资源
同步协议
协议执行
时间同步技术
NTP协议
NTP协议即网络时间协议，是一个 集中式协议，同步精度达毫秒级。 ◆NTP基于节点间的双向握手来预 测节点间时延并计算相对的时间偏 差：需同步的终端发送时间请求， 服务器回应包含时间信息的应答消 息。 ◆协议假定两个主机的传播时延是 一致的。
图 7-1 NTP 协议的基本通信模型
相对时间模式
◆不必获取绝对时间基准 ◆同步的目的是尽量减小各 节点硬件时钟的最大偏差
◆所有节点都与绝对时间进 行同步
◆如UTC、GPS等同步机制
时间同步协议
时间同步协议的类型
发送者-接收者与接收者-接收者模式
发送者-接收者模式
◆发送者周期性发送自己的 时间信息
接收者-接收者模式
◆两个接收者都受到时间信 标
时间同步过程所包含的节点数量或区域范围，全 网范围或部分区域 达到同步精度与所耗费的代价的比值，代价一般 指时间和能量 指为了完成某些协议的同步操作所需要的特殊硬 件，会增加节点的成本和复杂性
时间同步协议
TPSN协议
协议采用分层结构，基于发送者-接收者模式。 可提供WSN全网范围内的时间同步。 同步过程： ◆层次发现：建立树形结构，根节点广播层次发现消息，直接接 收者属于层次1，收到层次1节点转发消息的节点属于层次2，以此 类推，直至所有节点均纳入层次。 ◆时间同步：根节点与层次1节点通过双向握手进行同步，期间执 行随机退避机制；层次1节点同步完成后，与层次2节点通过双向 握手进行同步；以此类推，直至全网完成同步。
时间同步协议
RBS协议
同步过程： ◆发送者发出“信标分组”数据包， 广播域内节点“同时”接收。 ◆接收节点分别记录接收时间 ◆接收节点交换各自记录的接收时间， 计算出差值 ◆存在差值的节点根据差值更改本地 时间，实现接收节点之间的同步
时间同步协议
RBS协议
特点：
◆相对传统同步方式，缩短了关键路径，减小了同步偏差，提高了精度 ◆同步过程中的不确定性只来自数据包被接收和打上时间戳的步骤 ◆硬件偏差也可预先估计
时间同步协议
时间同步协议的类型
分层与平面模式
分层模式
◆下层节点根据上层节点的 时间进行同步 ◆各簇之间时间可不同步 ◆分布式的同步协议
平面模式
◆除时间参考节点，其他节 点的地位是相同的
◆通过多跳传输等方式发送 时间同步消息
时间同步协议
时间同步协议的类型
绝对时间与相对时间模式
绝对时间模式
◆网络有一个绝对时间源
时间同步技术
GPS时间同步
GPS时间同步原理
◆GPS卫星上配备有高精度的铷、 铯原子钟(以原子半衰期计时)。 ◆卫星不间断发射的伪码中包含 有时间信息。 优点：精度高、操作简单 缺点：环境影响、通信功耗、安 全性 适合少数携带GPS模块的传感器 节点使用。
时间同步技术
无线传输的时延
发送时延 接入时延 传输时延
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
晶体震荡
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。 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。 须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。 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。
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
时间同步协议
RBS协议
协议采用平面结构，基于接收者-接收者模式。
可提供局部节点间的时间同步。
基本原理： ◆发送节点广播的同步消息不含有时间戳，接收节点记录接收消 息的时间并进行相互比较(多次通信)，估计相对的时间偏差并进行 同步。 ◆对于RF信号，可忽略传播时间带来的误差；对于声信号，则传 播时间必须考虑在内。
时间同步协议
RBS协议
多跳同步机制： ◆A发送信标分组后，完成与节点1、 2、3、4的时间同步 ◆B发送信标分组后，完成与节点4、 5、6、7的时间同步 ◆节点4位于两个广播域的交集内， 所以通过节点4可以同步两个广播域 内的节点
传播时延
接收时延
处理时延
时间同步技术
时间同步机制需考虑的因素
扩展性
在WSN中，由于网络规模和节点数量的不同，时 间同步机制应能适应不同的网络场景
稳定性
鲁棒性 收敛性 低能耗
网络拓扑发生变换时，同步机制应能保持连续性 和同步精度
在受到环境、信道通信质量、节点失效等干扰情 况下，保持正常工作 时间同步机制应能在较短的时间内达成节点时间 的同步 WSN能量受限，同步机制应能在保证运作机能的 前提下，尽量降低能耗
时间同步协议
TPSN协议
相邻级别节点间的同步机制
i-1 级
消息传播 时延
两节点间的 时间偏差
i级
时间同步协议
TPSN协议
相邻级别节点间的同步机制 结论——
时间同步协议
TPSN协议
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 消息的平均延迟，精度相 对较高
无线传感器网络 时间同步技术
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 时间一直的过程。
WSN为何需要进行时间同步：
◆不同节点晶体振荡不同，存在 累积误差 ◆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
时间同步技术
NTP协议
NTP协议特点 ◆NTP协议通过频繁交换消 息来校准时钟频率偏差带来 的误差，能耗较高。 ◆NTP基准服务器间的时间 同步需要基础设施的协助。
NTP协议不适合WSN ◆WSN节点能量有限，无法 满足NTP频繁通信需求
◆WSN时间同步目的实现局 部最优，而NTP实现全局同 步，属于集中式协议。
◆接收者收到后根据时间戳， 计算时延进行同步
◆互相比较记录的收到时间， 调整并达到同步
时间同步协议
时间同步协议性能参数
最大误差
指节点间最大相对误差，或者与外部标准时间的 最大误差；网络规模越大，最大误差越大
同步时间
同步范围 效率 硬件代价
节点间进行时间同步所需要的时间，也指周期进 行同步的时间间隔