无线传感器网络概论PPT第8章

第8章时间同步技术本章目录8.1时间同步技术概述8.2时钟模型及时间传输延迟的组成8.3时间同步的基本原理8.4几种经典的时间同步算法8.5时间同步的挑战8.1时间同步技术概述8.1.1应用场合

时间同步技术是指通过一定的方法调整两个或多个时钟之间的偏移，使其小于允许误差范围，从而达到相对一致的过程。这要求网络中的每个节点彼此协作，共同维持一个全局时间以实现整个网络的时间同步。时间同步技术广泛应用于无线传感器网络中，它保证了突发高流量数据传输的实现。统一的网络时间是无线传感器网络应用的前提。时间同步技术主要应用于无线传感器网络的以下几个方面：

1.网络节点定位2.节点数据融合

3.时分多路复用8.1.2时间同步的设计

传感器网络的时间同步一般采用两种方法：第一种在每个网络节点上配备GPS模块；第二种使用网络通信。GPS设备的成本高、能耗大，很少采用。设计时间同步协议时需考虑能量问题、可扩展性、健壮性、精确度、收敛性。8.1时间同步技术概述8.1.3同步协议分类

时间同步在无线传感器网络中要依据协议实现根据同步范围可划分为大范围同步和局部同步；根据时间同步时所参考的时钟来源可分为内同步和外同步；根据时间同步寿命可分为按需同步和长期同步；根据节点间消息交互方式的不同于接收者-接收者时间同步机制、基于发送者-接收者的时间同步机制。8.1时间同步技术概述8.1.4无线传感器网络时间同步机制1.基于接收者-接收者时间同步机制（如下图）传感器节点无线数据链路层的广播信道特性应用于基于接收者-接收者的时间同步机制，利用一个第三方节点作为辅助节点，向广播域中的其它节点广播同步消息，当一组接收节点接收到同步消息后，通过比较各自接收8.1时间同步技术概述8.1时间同步技术概述8.1.4无线传感器网络时间同步机制到消息的本地时间计算出它们之间的时间偏差，最终实现接受者之间的时间同步。2.基于发送者-接收者的时间同步机制（如下图）

根据时间同步消息发送的方向，基于发送者-接收者的时间同步协议又可分为单向同步机制和双向同步机制。典型的单向同步算法是DMTS算法和FTSP同步算法，典型的双向同步算法有TPSN算法。8.1时间同步技术概述8.1.4无线传感器网络时间同步机制8.2时钟模型及时间传输延迟的组成8.2.1时钟模型

时钟模型从数学的角度分析了时间同步协议的性能。其中基于晶振计时的时钟模型有两种：硬件时钟模型和软件时钟模型。1.硬件时钟模型

在无线传感器网络中，常用晶振来计时，如下式式中是晶振的频率，k是常量，t是时间变量，是节点的本地时钟。

通常在一定条件下定义三种时钟模型：速率恒定模型、漂移有界模型和漂移变化有界模型。2.软件时钟模型

软件时钟实际上就是将硬件时钟的本地时间转化为时间函数。t时刻传感器节点i的逻辑时钟如下公式：8.2时钟模型及时间传输延迟的组成8.2.1时钟模型

选定的节点与参考节点进行同步，则两个节点相互移交消息。待同步节点与参考节点的关系如下：和参考节点完全同步，和参考节点存在时间偏移但没有时钟漂移，参考节点存在时钟漂移但没有时间偏移，参考节点具有时间偏移和时钟漂移。在一般情况下，实现两个节点的时间同步，需要同步实现时钟漂移补偿和时间偏移补偿。8.2.2时间传输延迟的组成

时间传输延时对于时间同步所能达到的精度有很大的影响，下图是时间同步消息的端到端延迟示意图。同步消息的时间传输延迟包含发送延时、访问延时、传播延时和接收延时。8.2时钟模型及时间传输延迟的组成8.3时间同步的基本原理8.3.1影响时间同步的关键因素

同步消息会受到外界信号干扰、节点自身信道质量等因素影响，在传输的过程中时间同步消息会出现时间延迟的现象，从而会导致在时间同步过程中受到各种不稳定因素影响。下图为时间同步消息的传输延迟分解示意图：8.3.2传感器节点时钟的基本原理

在无线传感器网络中，传感器节点间的本地时间不同步是由于节点自身晶振的频率误差和初始时间不同造成的。如果能够得出物理时钟与本地时钟的联系或者本地时钟之间的联系，就可以实现传感器节点的时间同步。无线传感器网络中任一节点i在物理时刻t的本地时钟为：8.3时间同步的基本原理

式中表示节点晶振的标准频率，表示节点晶振的实际频率；代表开始计时的物理时刻；代表节点在时刻的本地时钟读数，是真实时间变量。由于晶振频率在短时间内相对稳定，下式也可以表示为节点时钟8.3时间同步的基本原理8.3.2传感器节点时钟的基本原理

对于理想时钟，记即理想时钟的变化率为1，由于实际工程中，外界环境的变化会影响节点的晶振频率，例如温度，压力的影响会导致节点晶振频率的不稳定。所以，一般情况下很难构造理想时钟，通常晶振频率的不稳定值会在一定范围波动，即

网络节点的时间不同步主要是由以下三个因素引起的：（1）网络节点的初始计时时间不同。（2）每个节点的晶振频率不同可能也不同，即时钟偏差所引起的偏差误差。（3）由于时钟老化或实际环境所引起的时钟频率变化，即时钟漂移所引起的漂移误差。8.3时间同步的基本原理8.3.2传感器节点时钟的基本原理

为实现节点间的时钟同步，我们可以在本地时钟的基础上构造逻辑时钟，任一网络中的节点i在t时刻的逻辑时钟可表示为：

（8-6）

对任意两个网络节点和的同步，有两种方式构造逻辑时钟：一种方式对本地时钟与物理时钟进行变换。由式(8-6)反变换可得：

(8-7）

另一种途径是根据两个节点的本地时钟进行相应变换。由式（8-4）得节点i和j的本地时钟关系可表示为：

（8-8）8.3时间同步的基本原理8.3.2传感器节点时钟的基本原理8.4几种经典的时间同步算法8.4.1RBS同步算法

RBS算法是经典的时间同步算法，它具有实现简单，节省存储的特点，对于一些时间同步精度要求低的场合能充分满足。其同步原理是指定某节点作为时间同步参考节点，其它节点每隔一段时间接收该节点发送的同步广播消息，收到广播消息的节点在利用本地时钟记录收到消息的时间，然后将记录的时间与相邻节点进行交换，根据两节点间接收到时间的差值，其中一个节点根据这个差值修改自己的本地时间，从而达到两个接收点的时间同步。

如下图所示，接收节点能够知道彼此之间的时钟偏移量，然后计算相对其它各节点时钟偏移的平均值，并用它对本地时钟进行相应的调整。8.4几种经典的时间同步算法8.4.1RBS同步算法8.4几种经典的时间同步算法8.4.1RBS同步算法

式中：n表示待同步节点数，m表示参考广播的数量，表示第i个节点接收第k个参考广播的本地时刻。显然，由offset（i,j）形成的矩阵为对称阵，且对角元素为0。

RBS算法也可在多跳网络中使用，但随着网络跳数的提高，会导致同步误差积累，这样同步精度就会降低。当RBS时间同步机制在多跳网络使用时，节点的广播域可当做跳数的分界点。8.4几种经典的时间同步算法8.4.1RBS同步算法

节点A、B分别是不同广播域内的节点，节点C为两广播域交集处节点，它可当作消息的中转节点，能够同时接收节点A、B发送的广播消息，这样通过节点C可同时使A、B两节点时间同步。8.4.2TPSN同步算法

传感器网络时间同步算法是典型的双向成对同步算法，通过传输报文的对称性，可以大幅削减同步信息时间延迟所带来的影响。TPSN同步机制中，节点间均使用双向无线链路机制，每个节点都有只属于自己的地址。TSPN算法在同步过程中可划分为两个阶段，分别为层次建立阶段和时间同步阶段，具体过程如下。层次建立阶段的过程：根节点广播将自己的层次级别和地址打包发送给其它节点，其它节点将接收到的数据包解析，判断其层次级别然后加1作为自己的层次级别，再将此节点当作父节点，同样，它打包自己的层次级别后发送给其它节点，如此直至全网节点都拥有自己的层次级别和父节点。8.4几种经典的时间同步算法

层次结构建立以后，根节点通过广播同步消息开始进行时间同步阶段。层次级别为0的根节点开始广播数据包，以此启动全网络的时间同步，级别为1的节点在接收到数据包后延迟一段时间与根节点进行信息的交换，这些节点再按照根节点回复的时间信息确定自己的本地时钟，以达到与根节点在时间上的同步。类似上述过程，进行下层节点的时间同步，直到达到全网时间同步。8.4几种经典的时间同步算法8.4.2TPSN同步算法

TSPN同步算法的原理图如图8.7所示。A、B节点分别是网络中的两节点，A是B的父节点，节点A和节点B的本地时间分别由T2、T3和T1、T4记录。节点B在T1时刻向父节点A发送含有T1值和B的层次级别的同步消息包，A收到这个消息包时间为T2时刻，消息传输延迟为d，A与B间的时间偏差为△，则8.4几种经典的时间同步算法8.4.2TPSN同步算法

在T3时刻A节点发送应答消息包给B节点，这个消息包含了T1、T2、T3和节点A的层次级别信息。节点B在T4时刻接收到A节点发送的应答数据包。由节点B与节点A之间的时间偏差和传输延时公式计算。然后节点B可根据计算的结果调整自身的本地时间，从而A、B节点实现时间同步。8.4几种经典的时间同步算法8.4.2TPSN同步算法8.4.3DMTS同步机制

DMTS机制是将一个节点当作基准节点广播包含本地时间信息的同步消息。所有的接收节点在MAC层记录一个时间，并在接收完成时再记录一个时间，通过测量这个时间差值计算接收延迟，接收节点将接受延迟时间和同步消息中包含的本地时间相加设置为本地时间，从而实现接收节点与基准节点时间的同步。8.4几种经典的时间同步算法

FTSP同步协议与DMTS同步协议类似，都是发送者-接收者的同步方式，也有着相似的原理。下图是FTSP传播消息的示意图。8.4.4FTSP协议8.4几种经典的时间同步算法

FTSP算法的主要技术就是时间戳。发送节点发送完同步字节（SYNC）到MAC层后，发送者将一个标记的时间戳嵌入到发送信息中，这个时间戳记录了发送者的本地时间。同样，接收者在接收完同步字节后也会嵌时间戳，该时间戳记录了接收到同步字节的时间。这样，发送者和接收者之间就可以构成多个一一对应的时间戳对，接收者和发送者之间的时间偏移可以通过时间戳的差值计算出来。FTSP协议在物理层和MAC层加上时间戳来记录时间，记录接收和发送的多个时间对可以去除传输过程中一些未知因素带来的影响。8.4.4FTSP协议8.4几种经典的时间同步算法

FTSP协议设置了一个根节点在广播域内来广播含有该节点本地时间的时间同步信息，接收节点在接收到同步信息后就将该时间信息作为自己的本地时间。FTSP同步协议没有建立拓扑结构而是采用泛洪的方法对时间基准的时间进行广播，下图中显示了FTSP协议中数据包的组成。8.4.4FTSP协议8.4几种经典的时间同步算法8.4.4FTSP协议8.4几种经典的时间同步算法

多跳FTSP协议一个重要的特点就是其健壮性，整个网络的性能不会因个别节点的失效而受到影响，当基准节点失效时，其它节点在一段时间内将不会受到任何新的数据包，根据协议，某些节点会自动升为基准节点，通过竞争网络中顺序号最小的有效节点会成为新的基准节点，负责为其它节点提供基准时间。

轻量型树同步算法基于树状层次结构来实现全网同步的。该算法并不能提高精确的时间同步，它侧重于降低能耗，减化时间同步的过程。

LTS的多跳同步协议有两种方式：集中式和分布式。集中式的设计思想是是基于网络中树状层次结构的连接构造低深度的生成树，树根为根节点，其它节点为叶节点，网络的同步由根节点向叶节点逐级同步，最终实现整个网络的同步。集中式多跳同步算法常应用于完成全网络节点的时间同步。8.4.5LTS同步机制8.4几种经典的时间同步算法

LTS协议中的分布式多跳同步机制不依赖于树状结构，不同于集中式分布协议，分布式协议中任意节点都可以进行初始化，所有节点均采用节点对的方式，即只有当参考节点发送同步消息到节点，节点才进行时间同步。这种情况下，节点可以得到它与参考节点的距离并跟踪自身的