时间同步技术

1. 6 时间同步技术

2. 6 时间同步技术 前言 • 无线传感器网络知识架构： • 网络支持技术——路由协议、MAC协议、物理层设计、通信标准； • 服务支持技术——时间同步、节点定位、容错设计、安全设计、服务质量保证； • 应用支持技术——网络管理、操作系统、开发环境。 时间同步的现实意义 时间同步服务：其他服务必要条件、决定其它服务质量。

3. 6 时间同步技术 内容提要 基本概念和术语 传统时间同步和挑战 典型时间同步协议 新型时间同步协议

4. 基本概念和术语 内容提要 时间同步的定义 时间同步的分类 时间同步应用场合

5. 基本概念和术语 时间同步的定义 全局时钟与本地时钟； 本地时钟的失步（计时速率和运行环境） 定义：时间同步就是通过对本地时钟的某些操作，达到为分布式系统提供一个时间标度的过程； 无线传感器网络为新的分布式系统；计时信号一般由晶体振荡器提供。 协议设计要求：精度、低功耗、可扩展

6. 基本概念和术语 内容提要 时间同步的定义 时间同步的分类 时间同步应用场合

7. 基本概念和术语 时间同步的分类 按需求层次分类：排序、相对同步、绝对同步； 排序：实现对事件发生的先后顺序的判断； 相对同步：节点本地时钟独立运行，动态获取并存储它与其他节点之间的时钟偏移，实现本地时间值之间的相互转换。（并不直接修改节点本地时间，保持了本地时间的连续运行） 绝对同步：节点本地时间和参考基准时间保持时刻一致。（节点本地时间的修改来源于本地计时过程和时间同步协议）

8. 基本概念和术语 时间同步的分类 按同步时间参考源分类：外同步、内同步； 按同步节点范围分类：全网同步、局部同步； 按同步需求分类：时钟速率同步和时钟偏差同步；后 者更容易实现。 按同步时段分类：连续同步和按需同步 分类前应首先确定分类依据，然后再根据确定的分类 依据去划分类型；

9. 基本概念和术语 时间同步的分类 四种基本的同步类型：单向同步、双向成对同步、参照广播同步

10. 基本概念和术语 内容提要 时间同步的定义 时间同步的分类 时间同步应用场合

11. 基本概念和术语 时间同步的应用场合 测距定位（由波的传输时间估算距离） 低功耗MAC协议（时分多路复用策略） 多传感器数据压缩与融合（用时间戳实现重复时间的辨别） 协作传输（网络中多节点同时发送相同的信息，利用电磁波能量累加效应直接向远方节点传输信息）

12. 内容提要 6 时间同步技术 基本概念和术语 传统时间同步和挑战 典型时间同步协议 新型时间同步协议

13. 传统时间同步和挑战 内容提要 NTP(用于因特网时间同步) GPS同步方法 传统同步方法的挑战

14. 传统时间同步和挑战 NTP NTP协议是因特网上时间同步协议的标准，用于把因特网上计算机的时间同步于UTC时间。目前，UTP3.0已在网上大量使用并成为RFC-1305标准，同步精度可达毫秒级。 NTP采用层状结构拓扑： 问题：离顶级时间服务器越远，同步精度将会越差。

15. 传统时间同步和挑战 NTP NTP体系结构：闭环控制系统 PD：鉴相器，比较网络时间与本地时间，得出差值；

16. 传统时间同步和挑战 内容提要 NTP(用于因特网时间同步) GPS同步方法 传统同步方法的挑战

17. 传统时间同步和挑战 GPS GPS是美国国防部为满足军事部门对海陆空设施进行高精度导航和定位的需要而建立的。该工程耗时20年，耗资300亿美元，成为继阿波罗登月计划和航天飞行计划后的第三大庞大空间计划。 GPS系统由三部分组成，空间星座部分、地面监控部分、用户设备部分。空间部分由24颗GPS工作卫星组成，其中3颗为活动备用。 在地球上任何一点，GPS设备可连续同步观测至少4颗GPS卫星，利用其信号进行100ns级的时间同步。但是GPS信号的穿透性差，接收机功耗也较大。

18. 传统时间同步和挑战 内容提要 NTP(用于因特网时间同步) GPS同步方法 传统同步方法的挑战

19. 传统时间同步和挑战 WSN时间同步的挑战 传输延迟的不确定性 低功耗、低成本、小体积 可扩展性 健壮性

20. 传统时间同步和挑战 WSN时间同步的挑战 传输延迟的不确定性： 发送时间：用于组装并将报文转交给发送方MAC层程序的时间，取决于操作系统的系统调用时间开销和当前的处理器负载，高度不确定； 访问时间：发送方MAC层从获得报文后，到获取无线信道发送权的等待时间，取决于信道访问机制和信道当前负载，高度不确定性； 接收时间：与发送时间具有相同的特性，如数据处理中的中断等待时间不确定。

21. 传统时间同步和挑战 WSN时间同步的挑战 传输延迟的不确定性： Mica2和TinyOS软硬件平台下传输时延组成部分典型值 传输时延的不确定性严重影响了同步精度。

22. 传统时间同步和挑战 WSN时间同步的挑战 传输延迟的不确定性 低功耗、低成本、小体积 可扩展性 健壮性

23. 传统时间同步和挑战 WSN时间同步的挑战 低功耗、低成本、小体积：GPS接收机等高耗能、高成本设备不适合；增大同步操作的频率来提高同步精度不适合 可扩展性：网络规模扩大，同步误差增长并最终可能导致同步误差的越界；网络规模扩大导致协议性能变化。 健壮性：NTP协议被手工配置了多个时间服务器，而静态配置方案不能应对WSN的高度动态性。

24. 内容提要 6 时间同步技术 基本概念和术语 传统时间同步和挑战 典型时间同步协议 新型时间同步协议

25. 典型时间同步协议 内容提要 DMTS RBS TPSN HRTS FTSP GCS

26. 典型时间同步协议 DMTS DMTS: Delay Measurement Time Synchronization； 接收者时间设为 ； 没考虑传播延迟、编解码时间的影响。精度不高但简单有效，单个广播报文同步广播域中的所有节点。

27. 典型时间同步协议 DMTS 多跳DMTS算法采用分层同步的方法: 首先选取一个节点作为时间首领(leader)，并赋予其时间源层次0，能够直接收到leader时间同步消息的节点赋予时间源层次1，以此类推。能直接收到层次为n一1节点时间同步消息的节点被赋予层次n。 leader周期性地广播时间消息，时间源层次1的节点在收到同步消息后，调整自己的时钟使之与leader节点(即根节点)同步;同样地，层次n的节点与层次n一1的节点进行时间同步，最终所有节点都与根节点同步从而取得WSN的全局时间同步。

28. 典型时间同步协议 RBS RBS: Reference Broadcast Synchronization；该协议不是同步报文的发送双方，而是同步报文的接收各方，缩短了关键路径的影响，排除了发送方对同步精度的影响 参考报文的目的是激发个接收方记下各自的本地时间，以交换数据算出时间偏差。

29. 典型时间同步协议 RBS RBS同步误差与接收方是否在同一时刻记下本地时间有直接关系，应研究接收相移。有研究表明可以认为接收者在同一时刻接收到了参考报文。 实际上并不只是交换最近一次记录的时刻信息，而是交换最近记录的多个时刻信息。

30. 典型时间同步协议 多跳RBS 多跳RBS同步可以实现通过中间节点作为媒介实现两节点间本地时间的互换（如节点9、1），中间节点的路径寻找可以遵行迪杰斯特拉算法、链路状态法等路由算法：

31. 典型时间同步协议 RBS RBS的缺点： 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消息交换开销，不能很好地应用到大规模的多跳网络中。对于具有n个节点的单跳网络，需要的消息交换。 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。

32. 典型时间同步协议 TPSN TPSN: Timing-sync protocol for sensor network 该协议引入NTP协议中的双向报文交换协议.通过数学推导计算出报文传输延迟以及节点本地的时间差值。

33. 典型时间同步协议 TPSN • 对多跳TPSN，一种是采用“层发现”方法的全网周期性同步；一种是先查找路径再同步的点到点同步 • 两阶段组成:层次发现阶段(Level discovery phase)和同步阶段( Synchronization phrase) 。 • 层次发现阶段：先选取一个节点作为根节点,并赋予等级0,然后由它进行广播包含自己ID和等级号的信息包,相邻节点收到信息包后则将包中的等级号加1作为自身的等级号,然后再广播一个新的信息包,依次类推,直至所有节点都被赋予一个等级号, 就实现整个网络的分层结构。 • 同步阶段：从根节点开始,上层节点对下一层进行同步,并依次向下进行,这样就实现整个网络的同步。

34. 典型时间同步协议 TPSN • 主要优点： TPSN利用无线传感器网络Mica节点的应用层与MAC层的高度耦合, 在MAC层监听信道后标记发送时间,这就消除了MAC层访问延迟的影响,提高同步精度。通过理论分析，TPSN的同步误差是RBS的一半，在Mica节点上的实际实验也证明了这一点。该好处还得益于双向报文传输。 有研究还证明TPSN的同步精度只与网络的等级数有关,不会随节点数目的增加而降低,使其具有一定的扩展性。

35. 典型时间同步协议 TPSN 主要缺点： 建立网络等级的代价较大,特别是当网络中节点密度较大时, 会在网络同步的过程中产生过多的广播信息,造成能量的浪 费。 (LTS算法首先构造生成树，只与父节点同步，避免和 上层所有节点同步) 一旦根节点失效，就要重新选择根节点并重新进行上述两 个过程，增加了计算和能量开销。 协议要求网络构造层次结构，使得它不适合于高度移动的节点。

36. 典型时间同步协议 HRTS HRTS: Hierarchy Referencing Time Synchronization Protocol，一次同步过程完成单跳网络范围内所有节点的同步，用精度换取了功耗。 首先BS发送同步请求报文，有指定的节点做出响应，据此相应计算时间偏差。BS再将此时间偏差进行广播。对响应节点，只需将本地时间减去一个时间偏差，对其他节点，则加上下列值：

37. 典型时间同步协议 FTSP FTSP: Flooding Time Synchronization Protocol 发送者基于MAC层时间戳技术在报文中嵌入发送时刻，而接 收者也在MAC层记录下接收时刻。 FTSP是对发送的每一个字节都标以时间戳，从而获得了多 个时间对并进行线性回归分析构造最佳拟合直线。 采用泛洪的方法对时间基准节点的时间进行广播，利用报 文流水号来确定报文的有效性。

38. 典型时间同步协议 GCS GCS: Global Clock Synchronization，包括三种不同同步模式：节点遍历模式、聚类分层模式、扩散模式； 节点遍历模式假设每段游走时间花费相同，分为游走阶段和时间校对阶段。

39. 内容提要 6 时间同步技术 基本概念和术语 传统时间同步和挑战 典型时间同步协议 新型时间同步协议

40. 新型时间同步协议 内容提要 萤火虫同步算法 协作同步

41. 新型时间同步协议 萤火虫同步算法 萤火虫同步闪光现象：大量萤火虫在深夜里出现同时闪烁同时熄灭的情况，很有规律而且在时间上很准确。 研究由初始不同步状态如何 达到同步状态 个体性质相同，一旦达到同 步则永远同步 系统的同步收敛性取决于个 体在自由状态下的动力 学特征

42. 新型时间同步协议 萤火虫同步算法 • 萤火虫同步技术优点: • 同步可直接在物理层而不需要以报文的方式实现.直接用硬件实现,使得同步精度不会受到MAC 延迟、协议处理与软件实现等方面的影响,并且也不会加重处理器的负担. • 对任何同步信号的处理方式均相同,与同步信号的来源无关, 其可扩展性以及适应网络动态变化的能力很强. • 3) 同步机制非常简单,不需要存储任何时间信息.目前的萤火虫同步算法的一个限制是要求每个节点具有相似性,但这种机制在非相似节点所组成的网络下能否起到同步的作用,目前还不清楚,萤火虫同步的理论研究还远未结束.

43. 新型时间同步协议 协作同步算法 多个节点形成一个分布式传输阵列从而形成一个强信号，使远方接收机直接接收到时间基准节点的报文。 假设前提：传播延迟固定且节点密度非常高，节点的时间模型为速率恒定模型。

44. 新型时间同步协议 总结 同步算法主要包括3 类： 基于发送者的同步算法，如DMTS。优点是灵活、轻量和能量高效，能够实现全部网络节点的同步，但是实现复杂、同步精度不高； 基于发送者—接收者交互的同步算法，如TPSN。这类算法需要较大的带宽及存储空间； 基于接收者—接收者的时间同步算法，如RBS。RBS 算法是经典的时间同步算法，实现不复杂，也不需要耗费大的存储空间，能够满足大多数时间同步精度要求不太高的需求。

45. 主要参考文献 [1]李晓维,徐勇军,任丰原,等. 无线传感器网络技术. 北京: 北京理工大学出版社,2007. [2]孙利民,李建中,陈渝,等. 无线传感器网络. 北京:清华大学出版社,2005. [3]于宏毅,李欧,张效义,等. 无线传感器网络理论、技术与实现. 北京:国防工业出版社,2008. [4]MAROTI M, KUSY B, SIMON G, et al. Flooding time synchronizationin wireless sensor networks[A]. Proc of the 2nd InternationalConference on Embedded Networked Sensor Systems (Sensys’04)[C].2004.

46. 主要参考文献 [5]J.Elson，L.Girod，D.Estrin，Fine Grained Network time Synchronization using Reference Broadcasts[A]，Proceedings of the Fifth OSDI 2002[C]，Boston，MPress，2002.147一163. [6]S.Ganeriwal，R. Kumar，M. Srivastava.Timing-sync protocolfor sensor networks[A]. Proc of the 1st International Conference onEmbedded Networked Sensor Systems (Sensys’03)[C]. ACM Press，2003.138一149.

47. 谢谢！