第7章时间同步

1、第七章第七章 时间同步时间同步郑来波郑来波山东大学信息学院通信研究所山东大学信息学院通信研究所办公室：信息学院北楼办公室：信息学院北楼513513电话：电话：8836220888362208Email: Email: 第7章 时间同步7.1 时间同步概述时间同步概述时间同步是时间同步是WSN至关重要的一项技术。至关重要的一项技术。 如多节点协作完成一项任务。如多节点协作完成一项任务。本地时间存在偏差，及时在某一时刻同步，也会慢慢变为不同步。本地时间存在偏差，及时在某一时刻同步，也会慢慢变为不同步。必须进行节点间的时间同步。必须进行节点间的时间同步。传统的时间同步算法不适合传统的时间同步算法不适

2、合WSN。第7章 时间同步7.1 时间同步概述时间同步概述7.1.1消息传递过程分解消息传递过程分解将消息在将消息在WSN节点间传递的过程分解成不同的阶段是对时间同步问题研究的节点间传递的过程分解成不同的阶段是对时间同步问题研究的关键，一条消息在关键，一条消息在WSN节点间的传递过程可分解成以下六个部分。节点间的传递过程可分解成以下六个部分。(1)Send Time：发送节点构造一条消息所需要的时间，包括内核协议处理和：发送节点构造一条消息所需要的时间，包括内核协议处理和缓冲时间等，它取决于系统调用开销和处理器当前负载。缓冲时间等，它取决于系统调用开销和处理器当前负载。(2)Access Ti

3、me：消息等待传输信道空闲所需时间，即从等待信道空闲到消：消息等待传输信道空闲所需时间，即从等待信道空闲到消息发送开始时的延迟，它取决于网络当前负载状况。息发送开始时的延迟，它取决于网络当前负载状况。(3)Transmission Time：发送节点按位：发送节点按位(bit)发射消息需时间，该时间取决于发射消息需时间，该时间取决于消息长度和发射速率。消息长度和发射速率。(4)Propagation Time：消息在两个节点之间传输介质中的传播时间，该时：消息在两个节点之间传输介质中的传播时间，该时间主要取决于节点间的距离间主要取决于节点间的距离(电磁波在空气中的传播速率是一定的电磁波在空气中

4、的传播速率是一定的)。(5)Reception Time：接收节点按位：接收节点按位(bit)接收消息并传递给接收消息并传递给MAC层的时间，层的时间，这个过程和这个过程和(3)相对应。相对应。(6)Receive Time：接收节点重新组装消息并传递给上层应用所需的时间。：接收节点重新组装消息并传递给上层应用所需的时间。第7章 时间同步7.1.2 算法设计的影响因素算法设计的影响因素第一：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。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数据融合是这种并行操作

5、的实例，不同的节点收集的数据集合为一个有意义的结果。果。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戳(也就是说没有同步也就是说没有同步)，估计将是不准确的。，估计将是不准确的。第二：第二： 许多节能方案是利用时间同步来实现的。许多节能方案是利用时间同步来实现的。如，传感器可以在适当的时候休眠如，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

6、能模式通过关闭传感器和收发器进入节能模式)，在需，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，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。定时。调度算法需要时间通读。调度算法需要时间通读。如如TDMA，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，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。同步是信道调度的基础。第7章 时间

7、同步7.1.3 算法的性能指标算法的性能指标 WSN时间同步方案设计的目的：时间同步方案设计的目的： 为网络中节点的本地时钟提供共同的时间戳。为网络中节点的本地时钟提供共同的时间戳。评价时间同步算法性能的指标：评价时间同步算法性能的指标：网络能量效率、可扩展性、精确度、健壮性、寿命、有效范围、成本和尺寸、直接网络能量效率、可扩展性、精确度、健壮性、寿命、有效范围、成本和尺寸、直接性等。性等。(1) 能量效率。能量效率。无线传感器网络的主要特点就是节点的能量受限问题，设计的时间同步算法需以考无线传感器网络的主要特点就是节点的能量受限问题，设计的时间同步算法需以考虑传感器节点有效的能量资源作为前提

8、。虑传感器节点有效的能量资源作为前提。(2) 可扩展性。可扩展性。WSN需要部署大量的传感器节点，时间同步方案应该有效扩展网络中节点的数目需要部署大量的传感器节点，时间同步方案应该有效扩展网络中节点的数目或者密度。或者密度。(3) 精确度。精确度。精确度的需求依赖于特殊的应用和时间同步的目的而有所不同，对于某些应用，知精确度的需求依赖于特殊的应用和时间同步的目的而有所不同，对于某些应用，知道时间和消息的先后顺序就够了，然而某些其他的，则要求同步精确到微秒。道时间和消息的先后顺序就够了，然而某些其他的，则要求同步精确到微秒。第7章 时间同步(4) 健壮性。健壮性。WSN可能在敌对区域长时间无人管

9、理，一旦某些节点失效，在余下的网络可能在敌对区域长时间无人管理，一旦某些节点失效，在余下的网络中，时间同步方案应该继续保持有效并且功能健全。中，时间同步方案应该继续保持有效并且功能健全。(5) 寿命。寿命。时间同步算法提供的同步时间可以是瞬时的，也可以和网络的寿命一样长。时间同步算法提供的同步时间可以是瞬时的，也可以和网络的寿命一样长。(6) 有效范围。有效范围。时间同步方案可以给网络内所有的节点提供时间，也可以给局部区域内的时间同步方案可以给网络内所有的节点提供时间，也可以给局部区域内的部分节点提供时间。部分节点提供时间。由于可扩展性的原因，全面的时间同步是有难度的，对于大面积的传感器由于可

10、扩展性的原因，全面的时间同步是有难度的，对于大面积的传感器网络，考虑到能量和带宽的利用，也是非常昂贵的。另一方面，大量节点网络，考虑到能量和带宽的利用，也是非常昂贵的。另一方面，大量节点达到共同时间需要收集来自遥远节点的用于全面同步的数据，对于大规模达到共同时间需要收集来自遥远节点的用于全面同步的数据，对于大规模的无线传感器网络是很难实现的，而且直接影响了同步的精确度。的无线传感器网络是很难实现的，而且直接影响了同步的精确度。第7章 时间同步(7) 成本和尺寸。成本和尺寸。WSN节点非常小而且廉价。因此，在传感器网络节点上安装相对较大或者昂贵节点非常小而且廉价。因此，在传感器网络节点上安装相对

11、较大或者昂贵的硬件的硬件(例如例如GPS接收器接收器)是不合逻辑的。是不合逻辑的。WSN的时间同步方案必须考虑有限的成本和尺寸。的时间同步方案必须考虑有限的成本和尺寸。(8) 直接性。直接性。某些某些WSN的应用，比如紧急情况探测的应用，比如紧急情况探测(例如气体泄漏检测，入侵检测等例如气体泄漏检测，入侵检测等)需要将发需要将发生的事件直接发送到网关。在这种应用中，网络不容许任何的延迟。生的事件直接发送到网关。在这种应用中，网络不容许任何的延迟。但是某些协议是依赖事件发生后的额外处理而设计的，这些协议需要节点在任何但是某些协议是依赖事件发生后的额外处理而设计的，这些协议需要节点在任何时间达到预

12、先同步，这样看来，似乎和前面提到的直接性有些矛盾。时间达到预先同步，这样看来，似乎和前面提到的直接性有些矛盾。人们已经提出了很多关于人们已经提出了很多关于WSN的时间同步算法。例如的时间同步算法。例如RBS，TPSN等等，本章就等等，本章就现存的用于现存的用于WSN的各种时间同步协议进行了综述和总结。的各种时间同步协议进行了综述和总结。第7章 时间同步7.2 时间同步算法时间同步算法7.2.1经典时间同步算法经典时间同步算法1.基于参考广播的时间同步协议基于参考广播的时间同步协议(RBS)2WSN时间同步协议时间同步协议(TPSN)3Tiny-Sync算法和算法和Mini-Sync算法算法4L

13、TS算法算法第7章 时间同步1.基于参考广播的时间同步协议基于参考广播的时间同步协议(RBS)RBS(Reference Broadcast Synchronization)算法是算法是Elson等人以等人以“第三节点第三节点”实现实现同步的思想而提出的。同步的思想而提出的。该算法是一个典型的接受者该算法是一个典型的接受者接受者模式的同步算法。它是利用无线链路层广播信道接受者模式的同步算法。它是利用无线链路层广播信道特点，一个节点发送广播消息，在同一广播域的其它节点同时接收广播消息，并记录该点特点，一个节点发送广播消息，在同一广播域的其它节点同时接收广播消息，并记录该点的时间戳。之后接收节点通

14、过消息交换它们的时间戳，通过比较和计算达到时间同步。的时间戳。之后接收节点通过消息交换它们的时间戳，通过比较和计算达到时间同步。该算法中，节点发送参考消息给它的相邻节点，这个参考消息并不包含时间戳。相反的，该算法中，节点发送参考消息给它的相邻节点，这个参考消息并不包含时间戳。相反的，它的到达时间被接收节点用作参考来对比本地时钟。它的到达时间被接收节点用作参考来对比本地时钟。此算法并不是同步发送者和接收者，而是使接收者彼此同步。此算法并不是同步发送者和接收者，而是使接收者彼此同步。由于由于RBS算法将发送者的不确定性从关键路径中排除，所以获得了比传统的利用节点间算法将发送者的不确定性从关键路径中

15、排除，所以获得了比传统的利用节点间双向信息交换实现同步的方法较好的精确度。双向信息交换实现同步的方法较好的精确度。由于发送者的不确定性对由于发送者的不确定性对RBS算法的精确度没有影响，误差的来源主要是传输时间和接收算法的精确度没有影响，误差的来源主要是传输时间和接收时间的不确定性。时间的不确定性。首先假设单个广播在相同时刻到达所有接收者，因此，传输误差可以忽略。当广播范围相首先假设单个广播在相同时刻到达所有接收者，因此，传输误差可以忽略。当广播范围相对较小对较小(相对于同步精确度好几倍的光速相对于同步精确度好几倍的光速)，这种假设是正确的，而且也满足传感器网络的，这种假设是正确的，而且也满足

16、传感器网络的实际情形，所以在分析这个模型精确度的时候，只需要考虑接收时间误差。实际情形，所以在分析这个模型精确度的时候，只需要考虑接收时间误差。第7章 时间同步传统同步系统和RBS算法的比较第7章 时间同步在在RBS算法最简单的构成中，节点广播单个脉冲给两个接收者，接收者在收算法最简单的构成中，节点广播单个脉冲给两个接收者，接收者在收到脉冲的基础上再交换记录的脉冲时间，进而估计节点间相对的相位偏移。到脉冲的基础上再交换记录的脉冲时间，进而估计节点间相对的相位偏移。这种基本的这种基本的RBS算法可以扩展为两个方面：算法可以扩展为两个方面： 通过单个脉冲同步多个节点通过单个脉冲同步多个节点(2)。

17、 通过增加参考脉冲的数目提高精确度。通过增加参考脉冲的数目提高精确度。通过仿真通过仿真,在同步两个节点的时候，在同步两个节点的时候，30个参考广播个参考广播(对于时间的单同步对于时间的单同步)能够将精能够将精确度从确度从11s提高到提高到1.6s,同时可以利用这个冗余信息估计时钟偏差和时钟差异。同时可以利用这个冗余信息估计时钟偏差和时钟差异。与通过多个观测值取相位偏移的平均值不同与通过多个观测值取相位偏移的平均值不同(例如例如30个参考脉冲平均个参考脉冲平均),RBS算算法是通过最小均方线性衰落的方法取得这个数据。然后法是通过最小均方线性衰落的方法取得这个数据。然后,节点本地时钟相对于远节点本

18、地时钟相对于远端节点的频率和相位可以通过图线的斜率和截取值获得。端节点的频率和相位可以通过图线的斜率和截取值获得。第7章 时间同步2WSN时间同步协议时间同步协议(TPSN)TPSN(Timing-Sync Protocol for Sensor Networks)算法是算法是Ganeriwal等人提出等人提出的适用于的适用于WSN整个网络范围内的时间同步算法。整个网络范围内的时间同步算法。该算法分两步：分级和同步。该算法分两步：分级和同步。第一步的目的是建立分级的拓扑网络，每个节点有个级别。只有一个节点定为零第一步的目的是建立分级的拓扑网络，每个节点有个级别。只有一个节点定为零级，叫做根节点

19、。级，叫做根节点。第二步，第二步，i级节点与级节点与i-1级节点同步级节点同步,最后所有的节点都与根节点同步最后所有的节点都与根节点同步,从而达到整个从而达到整个网络的时间同步。网络的时间同步。（1）分级）分级 网络建立是运行一次。网络建立是运行一次。根节点可以安装根节点可以安装GPS。通过接收根节点的广播分级数据包，邻居节点自己定位为一级。通过接收根节点的广播分级数据包，邻居节点自己定位为一级。一级节点继续广播，确定二级节点，以此类推。一级节点继续广播，确定二级节点，以此类推。第7章 时间同步（2）同步）同步相邻节点通过双向消息交换进行同步。相邻节点通过双向消息交换进行同步。同步由根节点的同

20、步由根节点的time-sync消息引起。一级节点通过和根节点的消息交换进行同消息引起。一级节点通过和根节点的消息交换进行同步。步。二级节点通过和一级节点的消息交换实现同步，以此类推。二级节点通过和一级节点的消息交换实现同步，以此类推。第7章 时间同步 TPSN算法不仅应用在了算法不仅应用在了Berkeley的的Mica上，而且利用了在上，而且利用了在MAC层给包打时层给包打时间戳，这样可以降低发送者的不确定性。间戳，这样可以降低发送者的不确定性。 Ganeriwal等人声称等人声称TPSN算法获得的精确度两倍于算法获得的精确度两倍于RBS算法，而且声明算法，而且声明RBS算法的算法的6.5s的

21、精确度是由于使用了高级操作系统的精确度是由于使用了高级操作系统(Linux)和更加稳定的晶体，因和更加稳定的晶体，因此，此，RBS算法应用在算法应用在Mica中获得了和中获得了和TPSN算法一样优良的精确度。算法一样优良的精确度。在早些时候，在早些时候，RBS算法确实在算法确实在Berkeley Motes上测试过，获得的精确度是上测试过，获得的精确度是11s。但是，。但是，Ganeriwal等人证明说等人证明说RBS算法在算法在Mica上的实验结果是上的实验结果是29.13s，而而TPSN算法在相同的平台上是算法在相同的平台上是16.9s。本质上来说，通过在底层加时间戳使得发送端的不确定性对

22、整个同步的误差影本质上来说，通过在底层加时间戳使得发送端的不确定性对整个同步的误差影响很小，因此，在响很小，因此，在WSN中，经典的中，经典的“发送发送接收同步接收同步”比比“接收接收接收同步接收同步”更加有效。更加有效。第7章 时间同步3Tiny-Sync算法和算法和Mini-Sync算法算法Tiny-Sync算法和算法和Mini-Sync算法是由算法是由Sichitiu和和Veerarit tip han 提出的提出的两种用于两种用于WSN的时间同步算法。的时间同步算法。该算法假设每个时钟能够与固定频率的振荡器近似。就像前面讨论的一样，该算法假设每个时钟能够与固定频率的振荡器近似。就像前面

23、讨论的一样，两个时钟两个时钟C1(t),C2(t)假设线性相关假设线性相关:C1(t)=a12C2(t)+b12其中：是其中：是a12两个时钟的相对漂移，两个时钟的相对漂移，b12是两个时钟的相对偏移。是两个时钟的相对偏移。两种算法采用传统的双向消息设计来估计节点时钟间的相对漂移和相对偏两种算法采用传统的双向消息设计来估计节点时钟间的相对漂移和相对偏移。移。第7章 时间同步4LTS算法算法LTS(Lightweight Tree-Based Synchronization)算法是算法是Greunen和和Rabaey提提出的。出的。与其他算法最大的区别是该算法的目的并不是提高精确度，而是减小时间

24、同步与其他算法最大的区别是该算法的目的并不是提高精确度，而是减小时间同步的复杂度。的复杂度。该算法在具体应用所需要的时间同步精确度范围内，以最小的复杂度来满足需该算法在具体应用所需要的时间同步精确度范围内，以最小的复杂度来满足需要的精确度。要的精确度。WSN的最大时间精确度相对较低的最大时间精确度相对较低(在几分之一秒内在几分之一秒内)，所以能够利用这种相对简单，所以能够利用这种相对简单的时间同步算法。的时间同步算法。 Greunen和和Rabaey提出了两种用于多跳网络同步的提出了两种用于多跳网络同步的LTS算法算法,它们都是基于文它们都是基于文献献7的的pair-wise同步方案同步方案,

25、两个算法都需要节点与一些参考节点同步两个算法都需要节点与一些参考节点同步,例如例如WSN中中的网关节点。的网关节点。第7章 时间同步第一种：集中算法。第一种：集中算法。首先要构造树状图首先要构造树状图,然后沿着树的然后沿着树的n-1子叶边缘进行成对同步。子叶边缘进行成对同步。希望通过构造树状图使同步精度最大化希望通过构造树状图使同步精度最大化,因此因此,最小深度的树是最优的。最小深度的树是最优的。第二种：多跳第二种：多跳LTS算法。算法。通过分布式方法实现全网范围内的同步。通过分布式方法实现全网范围内的同步。每个节点决定自己同步的时间每个节点决定自己同步的时间,算法中没有利用树结构。算法中没有

26、利用树结构。第7章 时间同步7.2.2基于前同步思想的同步算法基于前同步思想的同步算法前同步是不论系统是否有触发条件前同步是不论系统是否有触发条件,都要进行时间同步。都要进行时间同步。即，系统会定期的自动进行时间同步的校正。即，系统会定期的自动进行时间同步的校正。常见方法：常见方法： 1延时测量时间同步协议延时测量时间同步协议(DMTS)2泛洪时间同步协议泛洪时间同步协议FTSP(Flooding Time Synchronization Protocol)3HRTS(Hierarchy Referencing Time Synchronization Protocl) 和和BTS4其它同步思

27、想其它同步思想第7章 时间同步1延时测量时间同步协议延时测量时间同步协议(DMTS)延时测量时间同步延时测量时间同步(Delay Measurement Time Synchronization),是在多跳网是在多跳网络中采用了层次型的分级结构来实现全网范围内的时间同步。络中采用了层次型的分级结构来实现全网范围内的时间同步。算法避免了冗余分组的传输算法避免了冗余分组的传输,只接收级别比自己高的节点广播的分组。只接收级别比自己高的节点广播的分组。该协议能更好的支持与外部时间源及多个网络的同步。该该协议能更好的支持与外部时间源及多个网络的同步。该协议是在协议是在RBS的基础上做了改进的基础上做了改

28、进,是一种基于广播时间的时间同步机制。是一种基于广播时间的时间同步机制。和和RBS相比，它为了避免往返传输时间估计相比，它为了避免往返传输时间估计,减少消息交换量减少消息交换量,同时兼顾可扩展同时兼顾可扩展性性,能量消耗和估算成本。能量消耗和估算成本。具体做法是选择一个节点作为主节点具体做法是选择一个节点作为主节点,广播含有节点时间的分组广播含有节点时间的分组,接收节点对分接收节点对分组的传输延迟进行测量组的传输延迟进行测量,并且将自己的本地时间设置为接收到的分组中包含的时并且将自己的本地时间设置为接收到的分组中包含的时间加上分组传输时延。这样所有广播范围内的节点都可以与主节点进行同步。间加上

29、分组传输时延。这样所有广播范围内的节点都可以与主节点进行同步。但是由于但是由于DMTS在能量开销和同步精度之中做了折中在能量开销和同步精度之中做了折中,所以它主要应用在对精所以它主要应用在对精度要求不是很高的无线传感网中。度要求不是很高的无线传感网中。第7章 时间同步2泛洪时间同步协议泛洪时间同步协议FTSP 2004年年Maroti M等人提出等人提出Flooding Time Synchronization Protocol (FTSP) 。算法目标：实现整个网络的时间同步并将误差控制在微秒级。算法目标：实现整个网络的时间同步并将误差控制在微秒级。算法考虑了根节点的选择，根节点和子节点的失

30、效造成的拓扑变化以及冗余算法考虑了根节点的选择，根节点和子节点的失效造成的拓扑变化以及冗余信息的处理等方面的问题，同时采用了线性回归算法使同步精度提高，适用于信息的处理等方面的问题，同时采用了线性回归算法使同步精度提高，适用于军事场合。军事场合。DMTS和和FTSP都是都是RBS的演进，它们完全不考虑发送时间和访问时间，绝对的的演进，它们完全不考虑发送时间和访问时间，绝对的路径变短，使得同步误差大大的减少。路径变短，使得同步误差大大的减少。DMTS算法传输的消息条数减少，算法的开销最小，可是精度不如算法传输的消息条数减少，算法的开销最小，可是精度不如RBS。第7章 时间同步3HRTS Dai.

31、H提出的HRTS (Hierarchy Referencing Time Synchronization Protocl) 和和BTS是在TPSN模型和RBS模型基础上演变出来的一种时间同步算法。当一个节点发时间请求的时候，所有的相关节点都收到请求，并记录接到请求的本地时间。如：O发M1进行时间同步的请求，K、P节点都接到请求，他们记录收到请求时的本地时间，其中K节点和O进行信息交互，计算出K、O节点间的时间偏差。 O节点再次发送M2(其中包含时间偏差和K接到同步请求时的本地时间)，此时K、P根据接收到的时间信息，进行时间信息的同步 。第7章 时间同步BTS和和HRTS类似，但做了如下改进：类

32、似，但做了如下改进： 用捎带技术，将用捎带技术，将M2的信息附带在下一次的的信息附带在下一次的M1中进行发送中进行发送,使同步报文个数使同步报文个数降为降为HRTS的的2/3， 各节点不直接对节点的本地时间进行修改，保证了节点本地时间的连贯性。各节点不直接对节点的本地时间进行修改，保证了节点本地时间的连贯性。用最小均方线性回归算法对误差进行分析。用最小均方线性回归算法对误差进行分析。第7章 时间同步4其它同步思想其它同步思想 2003年年J.Greunen和和J.Rabaey 提出了降低同步开销的轻量级时间同步机制提出了降低同步开销的轻量级时间同步机制LTS(Lightweight Time

33、Synchronization)。该协议侧重降低同步开销，并且具有鲁棒性和自配置的特点，同时它包含了从该协议侧重降低同步开销，并且具有鲁棒性和自配置的特点，同时它包含了从上往下的集中式和从下往上的分布式两类多跳时间同步。上往下的集中式和从下往上的分布式两类多跳时间同步。 2007年杨博，廖明宏提出了年杨博，廖明宏提出了SCPS(statistic clock protocol for sensor networks) 。算法周期对节点时钟采样算法周期对节点时钟采样,计算本地时钟和参考时钟的差值计算本地时钟和参考时钟的差值,进而修正本地时钟。进而修正本地时钟。在网络初始化过程时以及工作了一段时间

34、后在网络初始化过程时以及工作了一段时间后,协议要测量传输时的时延值协议要测量传输时的时延值,作为同作为同步计算中的修正值步计算中的修正值,然后进行簇内时间同步然后进行簇内时间同步,头节点收到同步请求后头节点收到同步请求后,连续发送多个连续发送多个同步消息同步消息,簇内节点收到后根据传输时延值计算出和头节点的时钟间的偏差值簇内节点收到后根据传输时延值计算出和头节点的时钟间的偏差值,修修正本地时钟。正本地时钟。由于网络节点设置不同的级别由于网络节点设置不同的级别,每个节点只和其上级节点保持同步从而达成了该每个节点只和其上级节点保持同步从而达成了该范围内的时钟同步。范围内的时钟同步。实验发现，采用该

35、方法能有效的降低能量的消耗和带宽消耗实验发现，采用该方法能有效的降低能量的消耗和带宽消耗,适用于由大量节点适用于由大量节点组成的传感网络中。组成的传感网络中。第7章 时间同步7.2.3 基于后同步思想的时间同步协议基于后同步思想的时间同步协议1文献文献17曾首次提出用后同步思想进行时间的同步。曾首次提出用后同步思想进行时间的同步。方法：在通常情况下节点的时间不进行同步方法：在通常情况下节点的时间不进行同步,只有检测到一个感兴趣的事件发只有检测到一个感兴趣的事件发生后生后,节点才进行时间同步。节点才进行时间同步。单脉冲同步机制单脉冲同步机制加入第三方信标节点加入第三方信标节点,在检测到感兴趣的事

36、件后在检测到感兴趣的事件后,信标节点立即广播一个同步脉信标节点立即广播一个同步脉冲冲,接收到这个脉冲的节点把这个同步脉冲作为一个即时的时间参考并且根据接收到这个脉冲的节点把这个同步脉冲作为一个即时的时间参考并且根据这个同步脉冲打上这个事件的时间戳。这个同步脉冲打上这个事件的时间戳。该同步思想在节点比较少的情况下工作性能很好。该同步思想在节点比较少的情况下工作性能很好。结合结合“后同步后同步”思想的思想的RBS时间同步机制时间同步机制它能在较大的范围内提供时间同步。它能在较大的范围内提供时间同步。但是但是RBS的评估算法需要多个同步脉冲来获得节点的时钟偏差的评估算法需要多个同步脉冲来获得节点的时

37、钟偏差,这需要一定的这需要一定的时间时间,所以可能引入新的误差。所以可能引入新的误差。第7章 时间同步基于路由结合的时间同步协议基于路由结合的时间同步协议RITS (Routing Integrated Time Synchronization)是一种被动的时间同步协议。是一种被动的时间同步协议。它并不执行明确的时间同步。在某个事件发生的时候它并不执行明确的时间同步。在某个事件发生的时候,它以汇聚节点的本地时间为基准它以汇聚节点的本地时间为基准,获得多个观测到该事件的节点的观测时间获得多个观测到该事件的节点的观测时间,当包含时间戳的数据包从一个节点传送到另当包含时间戳的数据包从一个节点传送到另

38、一个节点的时候一个节点的时候,它所带的时间戳相应的转换为对应节点的本地时间戳。它所带的时间戳相应的转换为对应节点的本地时间戳。通过实验得到通过实验得到,带有时间偏差补偿的误差率比不带时钟偏差补偿的要小的多。带有时间偏差补偿的误差率比不带时钟偏差补偿的要小的多。事件后发的同步方法事件后发的同步方法2003年年ElsonJ. E提出（提出（Post facto）。）。当激励信号到达后当激励信号到达后,各节点记录激励到达时的本地时间各节点记录激励到达时的本地时间,一个节点广播一个同步脉冲给本一个节点广播一个同步脉冲给本地网络的所有节点地网络的所有节点,各节点将本地脉冲作为瞬时的相关时间标记来标准化自

39、己的时间。各节点将本地脉冲作为瞬时的相关时间标记来标准化自己的时间。缺点是：在多事件同时发生的时候会引起系统时钟的不稳定。缺点是：在多事件同时发生的时候会引起系统时钟的不稳定。基于后同步思想的时间同步协议因为在事件发生之后才进行节点间的时间同步。所以基于后同步思想的时间同步协议因为在事件发生之后才进行节点间的时间同步。所以在能耗方面比前摄时间同步协议做的好。在能耗方面比前摄时间同步协议做的好。第7章 时间同步7.3 算法比较分析算法比较分析对于无线传感网络而言，影响时间同步精度的重要原因是时延的不确定性。对于无线传感网络而言，影响时间同步精度的重要原因是时延的不确定性。Kopetz和和Schw

40、abl曾把等待时间分解为曾把等待时间分解为6个组成部分个组成部分11，分别是：发送，分别是：发送时延，访问时延，传送时延，传播时延，接受时延，接收时延。时延，访问时延，传送时延，传播时延，接受时延，接收时延。常见时间同步方法的优缺点和适用场合总结在下页表中。常见时间同步方法的优缺点和适用场合总结在下页表中。第7章 时间同步第7章 时间同步无线传感器网络在不同的应用环境中，表现出来不同的特点，对时间同步的无线传感器网络在不同的应用环境中，表现出来不同的特点，对时间同步的要求也就存在差异，所以上述算法针对具体的应用环境也表现出不同的特点。要求也就存在差异，所以上述算法针对具体的应用环境也表现出不同

41、的特点。在分析无线传感器网络时间同步算法时，一般在网络结构、同步方式、误差、在分析无线传感器网络时间同步算法时，一般在网络结构、同步方式、误差、能耗和有效范围等方面进行比较。能耗和有效范围等方面进行比较。 时间同步算法参数比较分析时间同步算法参数比较分析第7章 时间同步RBS算法由于采用了与其他算法不同的同步方式，精确度比较好，但是由算法由于采用了与其他算法不同的同步方式，精确度比较好，但是由于节点的射频范围有限，使得算法的应用范围受限；于节点的射频范围有限，使得算法的应用范围受限；TPSN由于采用了分级的方式和传统的同步方式，使得同步效果比较好，由于采用了分级的方式和传统的同步方式，使得同步

42、效果比较好，但是增加了能耗和复杂度；但是增加了能耗和复杂度；LTS算法是针对精确度要求不高的应用环境而研究的一种简单的算法；算法是针对精确度要求不高的应用环境而研究的一种简单的算法；Mini-Sync算法的复杂度相对较低，但是对于计算和存储的要求较高。算法的复杂度相对较低，但是对于计算和存储的要求较高。总之，每种算法的应用需要考虑无线传感器网络的具体应用环境进行选择。总之，每种算法的应用需要考虑无线传感器网络的具体应用环境进行选择。第7章 时间同步目前，无线传感器网络时间同步算法的研究已经取得了很大进展。目前，无线传感器网络时间同步算法的研究已经取得了很大进展。今后研究热点：今后研究热点： 节能和超大规模、可变拓扑中的时间同步以及时间同步的安全性方面。节能和超大规模、可变拓扑中的时间同步以及时间同步的安全性方面。 这将对算法的容错性、有效范围和可扩展性提出更高的要求。这将对算法的容错性、有效范围和可扩展性提出更高的要求。 时间同步算法性能指标分析表第7章 时间同步74小结小结以上介绍的各种协议算法都在几种基本同步方法的基础上演进出来的。以上介绍的各种协议算法都在几种基本同步方法的基础上演进出来的。设计思想有不同的侧重点，有的首先