LOGO传感器网络时间同步传感器网络时间同步1.主要内容主要内容WSN时间同步的要求时间同步的要求1NTP协议协议2RBS同步机制同步机制3TPSN同步协议同步协议4DMTS同步机制同步机制5LTS同步机制同步机制6其他同步机制其他同步机制7小结小结82.1.WSN时间同步的要求时间同步的要求v物理时间物理时间：用来表示人类社会使用的绝对时：用来表示人类社会使用的绝对时间。间。v逻辑时间逻辑时间：表达事件发生的顺序关系，是一：表达事件发生的顺序关系，是一个相对概念。个相对概念。v分布式系统通常需要一个表示整个系统的分布式系统通常需要一个表示整个系统的全全局时间局时间，全局时间根据需要可以是物理时间，全局时间根据需要可以是物理时间或逻辑时间。或逻辑时间。3.1.WSN时间同步的要求时间同步的要求v传感器网络时间同步的重要约束：传感器网络时间同步的重要约束：价格体积能量v为什么要时间同步？为什么要时间同步？估计目标的运行速度和方向数据融合需要时间同步用户交互性需要4.2.NTP协议协议客户端服务器T1T2T3T4 1 2T1：客户端发送时间请求消息的时间T3：服务器发送时间应答消息的时间T2：服务器收到时间请求消息的时间T4：客户端收到时间应答消息的时间 1和2分别表示时间请求和时间应答消息网络传播时间：客户端比服务器时钟快的时间量NTP协议原理协议原理5.2.NTP协议协议NTP协议层次型树形结构协议层次型树形结构UTC时间源一级时间基准服务器二级时间基准服务器客户端一级时间基准服务器二级时间基准服务器二级时间基准服务器一级时间基准服务器二级时间基准服务器客户端6.2.NTP协议协议v消息传输延迟分为四个部分消息传输延迟分为四个部分发送时间访问时间传输时间接收时间7. 3.RBS同步机制同步机制RBS机制的基本原理机制的基本原理发送节点发送节点接收节点接收节点信标分组信标分组接收节点接收节点接收信标分组本地时间接收信标分组本地时间调整时间8. 3.RBS同步机制同步机制RBS机制应用于多跳网络机制应用于多跳网络AB1432765发生在节点1和节点7附近的两个事件，分别记为E1和E7假设节点A和节点B分别在Pa和Pb时间点发送信标分组节点1在收到节点A发送的分组后2秒观察到事件E1节点7在观察到事件E7后4秒收到节点B发送的分组其他节点从节点4知道节点A发送分组比节点B晚10秒Pa=Pb+10E1=E7+4+10+2=E7+169.3.RBS同步机制同步机制vRBS同步机制总结：同步机制总结：RBS机制利用信道的广播特性来同步接收节点时间，去除了时间同步误差中所有发送节点引入的部分。通过多次广播分组获取平均值，能够提高RBS的时间同步精度。对于单个广播域内的n个节点和m个广播消息，RBS机制的复杂度为O（mn）。用于多跳网络的RBS机制需要依赖有效的分簇方法，保证簇之间有共同节点以便进行簇间时间同步10.3.RBS同步机制同步机制v后同步思想：后同步思想：通常情况下节点的时间不用同步，只有监测到一个事件发生时，节点才首先用它的本地时间记录事件发生的时间，然后采用RBS机制，一个“第三方”节点广播信标消息给区域内的所有节点，接收节点利用这个同步消息作为一个瞬时的时间参考点，同步它们监测到的事件发生时间。后同步机制能够实现瞬时的节点间时间同步，但是受限于广播信标分组的传输范围，它不适应于长距离或长时间通信的时间同步。后同步机制能够提供精确的局部空间范围的时间同步。11.4.TPSN时间同步协议时间同步协议根节点11212122222层次发现阶段层次发现阶段（广播级别发现分组）（广播级别发现分组）根节点11212122222同步阶段同步阶段（广播时间同步分组）（广播时间同步分组）12.4.TPSN时间同步协议时间同步协议vTPSN时间同步协议总结：时间同步协议总结：类似于传统的NTP时间同步协议，目的是提供传感器网络全网范围内节点间的时间同步。如果需要长时间的全网节点时间同步，可周期性执行TPSN时间同步协议进行重同步。缺点缺点：消息开销大，需要传递的消息多。新的传感器节点加入网络时，需要初始化层次发现阶段，级别的静态特性降低了算法的鲁棒性。未考虑根节点的失效问题。13.5.DMTS同步机制同步机制v两个节点间分组传输延迟分为五个部分两个节点间分组传输延迟分为五个部分发送端的处理延迟介质访问延迟发送延迟无线传输延迟接收延迟14.5.DMTS同步机制同步机制发送者：接收者：同步消息MAC延迟发送前导码起始字符发送数据接收ACK加上时标t0接收前导码接收数据发送ACK接收处理时标t1时标t2n=发送信息位个数t=发送每比特位需要的时间前导码和起始字符的发送时间=nt接收处理延迟=t2-t1忽略无线信号的传播延迟接收节点时钟为t0+nt+（t2-t1）15.5.DMTS同步机制同步机制vDMTS机制在多跳网络中采用机制在多跳网络中采用层次型层次型分级结分级结构实现全网内所有节点的时间同步构实现全网内所有节点的时间同步vDMTS同步机制总结：同步机制总结：DMTS是一种灵活的、轻量的和能量高效的能够实现全部网络节点时间同步的机制。与RBS机制相比，DMTS机制的计算开销小，需要传输的消息条数少。能够与外部世界标准时间同步，但同步精度相对较低。DMTS在实现复杂度、能量高效与同步精度之间进行了折中，能够应用在对时间同步要求不是非常高的网络中。16.6.LTS机制机制vLTS同步算法的设计目标是适用于低成本、同步算法的设计目标是适用于低成本、低复杂度的传感器节点时间同步，侧重最小低复杂度的传感器节点时间同步，侧重最小化同步的能量开销，同时具有鲁棒性和自配化同步的能量开销，同时具有鲁棒性和自配置的特点。置的特点。vLTS时间同步模块分为三个组成部件：时间同步模块分为三个组成部件：重同步监测部件重同步监测部件远程时钟估计部件远程时钟估计部件时钟修正部件时钟修正部件17.6.LTS机制机制LTS应用于多跳网络应用于多跳网络根节点1211111122222222222集中式集中式根节点1211111122222222222分布式分布式18.7.其他同步机制其他同步机制vFTSP利用单个广播消息使得发送节点和它的邻居节点达到时间同步。采用同步时间数据的线性回归方法估计时钟漂移和偏差多跳网络中采用层次结构考虑了根节点选择、链路失败、拓扑结构变化、冗余信息等问题。v高节点密度情况下的时间同步高节点密度情况下的时间同步假设区域内的所有节点需要时间同步，并且将同步信息传递给远处的一个接收者，而单个节点没有足够资源产生高功率信号。可通过节点合作产生一个集合波形，它可被所有节点同时监测到，并包含足够信息来同步所有节点的时钟，这种集合波形能有效仿真产生高功率时间同步信号的超级节点。19.8.小结小结v传感器网络的时间同步研究集中于三种同步传感器网络的时间同步研究集中于三种同步模型：模型：第一种可能是最简单的模型，仅仅确定事件发生的正确顺序，重点是维护两个传感器节点感知事件之间的时间关联，而不是节点之间的时间同步。第二种模型相对复杂，用来维持节点间的相对时间。每个节点都维持独立的时钟，但节点时钟之间相互不同步，每个节点存储关于它与网络中其他节点时钟之间的漂移信息。第三种是最复杂的“always-on”模型，每个节点都维持一个时钟，整个网络中所有节点都同步一个参考节点，目的是维护整个网络全局唯一的时间量程。20.LOGO21.