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1、无线传感器网络时间同步技术,一、提纲,引言 时间同步技术的分类 时间同步协议 小结,9-1 引言,无线传感网络是一种基于信息监测与获取的分布式无线网络体系，是一门新兴的前沿计术。及时的开展无线传感器网络节点及其关键技术的研究，将极大推动无线传感器网络和节点技术的国产化研究，为中国提供具有自主知识产权的高科技产品。对我国社会、经济的发展具有重大的战略意义，也将对人类未来生活产生深远的影响。 时间同步是无线传感器网络的重要支撑技术之一，基于传感器网络的应用，如：目标追踪、协同休眠、定位、协同数据采集、时分多址、数据整合等都需要网络中节点的时钟保持同步。在目标追踪应用中，每个传感器节点可能只观测到目
2、标返回的信号强度，并不能得到目标的位置、速度和前进方向等信息，需要多个传感器节点将传感到的数据发送给传感器网络中的汇聚节点，汇聚节点在对不同传感器发送来的,数据进行处理后才能获得目标的移动方向、速度等信息，这就要求相关的传感器节点采集的数据在时间上是相关的。无线传感器网络中的多数节点是无人职守的，仅携带有少量有限的能量，为了延长网络的使用期限，网络中的节点大部分时间处于定时休眠状态，为了能协同完成工作任务，节点必须进行协同休眠，这也要求节点具有准确的时间同步。波束成型阵列在确定声源的位置时，需要计算多个传感器接收到的信号的相位差，这要深圳市接收到的数据是同步的。在无线传感器网络的应用中，为了减
3、少网络的通信量以降低能耗，往往将传感器节点采集到的数据进行必要的融合处理，进行这些处理的前提是网络中的节点具有相同的时间标准。 由于无线传感器网络自身的能量、体积、价格、技术等方面的约束，研究满足无线传感器网络同步精度的时间同步机制，具有很重要的理论和实践价值。,三种基本同步机制：RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN。 传统网络时间同步 时间同步问题在局域网和Intemet范围内都有所研究，像GPS和无线测距等技术已经用于提供网络的全局同步。能够保证Interact的钟协调的复杂协议如NTP也以及被提出来。但是，在传感器网络这个领域里，时间同步的要求有相当大的区别。无线传感器网络结构
4、庞大、密度高，通常包含成千上万的传感器节点。处理这样高密度的网络，需要能够适应大规模的时间同步算法。同时，由于节点电池寿命的限制，节能也是一个主要的考虑因素。,（一）、基于GPS的时间同步,可选用的传感器网络同步方法包括全球定位系统GPS01，这种方法可以为每个节点提供一个准确的全局时钟。采用基于GPS的一个户外传感器网络就是用于野生动物监视41的Zebranet。但是具有本身的缺点，也就是要求网络必须在卫星的可视范围。这样使得GPS不适用于户内的无限传感器网络。即使所用网络节点都有GPS处理能力，基于GPS的方法也能满足户外应用的要求。因为其中某些节点可能被遮盖住，比如树叶，建筑物或山峰等。
5、这样的情况仍然需要一种分布式的时间同步方法才能从其它节点那里获得精确的时钟t。,(二)、网络时间协议,为提供网络中节点一个同步局部时钟机制的时间同步算法已经有不少的研究。其中在Intemet中被广泛采用的一种是由Mills提出的网络时间协议(netortime protocol，NTP)。N11P客户端通过统计分析并计算数据包来回时间和有服务器同步，服务器通常具有微秒级的精度。而时间服务器则通过外部时间源进行同步，通常是GPS。在Intemet中NTP已经广泛的采用并证明是一种有效安全和健壮性好的协议。但是，在无线传感器网络中，由介质传输控制层引起的传输时间的不确定性可能造成每一个hop几百微
6、秒的网络延迟。因此，缺乏更好的适应性，NTP只能用于某些对精度要求低的无线传感器网络。,9-2 时间同步技术的分类,排序、相对同步与绝对同步 递进关系 排序只能区分事件发生的先后 相对同步：维持本地时钟的运行，定期获取其他节点的时钟偏 移和飘移，经过换算达到同步的目的。如RBS协议 绝对同步：本地时钟和参考时钟保持一致，修改本地时钟。如TPSN协议 外同步与内同步 参考源不同，前者参考源为网络外部，如GPS。后者参考源为网络内部某个节点的时钟 局部同步与全网同步 同步对象的范围不同,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
7、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）,9-3 时间同步协议,RBS (Reference Broadcast synchronization) RBS协议不是去同步报文的收发双方，而是去同步报文的多个接收者。 如下图所示：在由3个节点组成的单跳网络中，参考节点每发出一个参考报文，其广播域内的其他接收者节点都将接收到该报文，并各自记录下接收到该参考报文时的本地时刻。接收者相互交换它们记录的时刻并计算差值，该差值就是接收者之间的时钟偏移。,根据偏移信息可以实现发送者-接收
8、者同步，若能精确地估计出报文传输延迟，这种方法将能够取得很高的精度。然而仅根据单个报文的传输很难准确地估计出传输延迟。 左图为发送者-接收者同步机制。可以看出，发送者-接收者同步机制的同步关键路径为从发送方到接收方。关键路径过长，导致传输延迟不确定性的增加，因此同步精度不可能很高。,右图则是接收者-接收者同步机制，其关键路径大为缩短，完全排除了发送时间和访问时间的影响。,RBS中是通过广播同步信标分组实现接收节点之间的相对时间同步，信标分组本身并不需要携带任何时标，不依赖于信标的发送时间。 由于无线信道的广播特性，信标分组相对所有接收节点而言同时发送到物理信道上，这样就除去发送时间和访问时间引
9、入的时间同步误差。 对于传播时间，RBS只关心各个接收节点之间消息传播时间的差值。对于射频信号来说，传播时间差值非常小，RBS忽略了传播时间带来的时间偏差。,影响RBS机制性能的主要因素包括接收节点间的时间速率、接收节点非确定因素和接收节点的个数等。 为提高时间同步精度，RBS机制采用了统计技术，通过发送节点发送多个消息，获得接收节点之间时间差异的平均值。 对于时间速率问题，采用最小方差线性拟合，直线斜率就是两个节点的时间速率，直线上的点表示节点间的时间差异。 RBS的缺点是对网络有一定的要求，它不适合点对点通信的网络，且要求网络有物理广播信道。,扩展性不好，因为节点间本地时间戳通信需要额外的
10、消息交换开销，不能很好地应用到大规模的多跳网络中。RBS有很大的交换次数，对于具有，2个节点的单跳网络，需要O(n2)的消息交换，如果n很大时，消息交换开销是相当大的，导致节点的计算开销也非常之大。 RBS中接收节点之间进行相互同步，但并不与发送节点同步；实际上，在WSN中发送节点很可能也是一个普通的网络节点因而也需要同步，为使该节点和其它节点进行同步，需要另外一个节点作为参照广播发射节点，这导致了相当高的能耗。,TPSN (Timing-sync Protocol for Sensor Networks),图中的T1、T4用节点A的本地时间记录，T2、T3用节点B的本地时间记录。 节点A向节
11、点B发送一个同步请求报文。节点B在接收到该报文后，记录下接收到时刻T2，并立即向节点A返回一个同步应答报文，并把T2和该报文的发送时刻T3嵌入在报文中。当节点A接收到该报文时，记录下接收到时刻T4。 令为当节点A的本地时刻为T1时，节点A和B之间的时偏。报文的传输延迟均为d。,TPSN算法优点： TPSN基于双向报文交换，因此同步精度高。 对任意节点其同步误差取决于它距离根节点的跳数，而与网络中节点总数无关，使TPSN同步精度不会随节点数目增加而降级，从而使TPSN具有较好的扩展性。 TPSN算法的缺点： TPSN本质上是对同步，因此全网同步的同步能耗高。 一旦根节点失效，就要重新选择根节点并
12、重新进行分级和同步阶段的处理，增加了计算和能量开销。 另外，TPSN算法没有对时钟的频差进行估计，这使得它需要频繁同步，开销较大。,TDP协议叫是单向同步和双向成对同步相结合的时间扩散协议，它使整个网络内的传感器节点都达到一个网络平衡时间。TDP协议使用多个主节点进行扩散，使得该协议能够容忍消息丢失。扩散协议不依赖于静态的分层传输，使得它比较灵活且容错性比较好。,FTSP时间同步协议,FTSP 协议属于发送者接收者协议。 FTSP协议基于MAC层时间戳技术，发送者节点在报文中的多个位置嵌入不同的时间戳. FTSP算法对时钟漂移进行了线性回归分析。FTSP算法考虑到在特定的时间范围内节点时钟晶振
13、频率是稳定的，因此节点间时钟偏移量(时间速率)与时间成线性关系,FTSP算法通过对收发过程的分析，把时延进一步分为发送中断处理时延、编码时延、传播时延、解码时延、字节对齐时延、接收终端处理时延，进一步降低了时延的不确定性。 另外，通过发射多个信令包，使得接收节点可以利用最小方差线性拟合估算自己和发送节点的漂移和偏移差。通过良好的根节点选举机制，针对根节点失效、新节点加入以及拓扑结构变化等情况进行了优化，使得算法的健壮性很好，适合于军事等恶劣应用情况。,小结,本节对无线传感器网络时间同步技术进行了论述，根据目前时间同步算法的发展状况，有以下3个方面值得进一步研究： (1)大规模网络足无线传感器网
14、络发展的趋势，目前的同步算法大多适用于中小规模网络，同步算法在大规模网络中的应用足今后研究的方向之一。 (2)健壮性和容错性是对无线传感器网络同步算法的一个基本要求，目前的实验环境多足人为的模拟环境，如何让同步算法在真实、复杂、甚至恶劣的现场环境中工作，有待开展深入的研究。无线传感器节点大多工作于无人值守的环境下，如何在现有条件下尽可能延长节点工作时间也是不可或缺的研究方向。,(3)对节点移动性的支持，有些无线传感器网络的节点具有移动性，使得拓扑结构不断变化，如何设计适应拓扑动态变化的时间同步算法仍然需要开展进一步研究。综上所述，无线传感器网络时问同步仍然是一个较新的研究领域，因此，今后会有更多的科研工作者关注并加入到该项研究之中，使得无线传感器网络时问同步获得进一步的发展。,谢谢！,
