Networks） • HRTS （Hierarchy Referencing Time
Synchronization Protocol） • FTSP （Flooding Time Synchronization Protocol
） • GCS （Global Clock Synchronization）
NTP：网络时间协议 GPS：全球定位系统
无线传感器网络
NTP（Network Time Protocol）
体系结构（网络）
无线传感器网络
NTP（Network Time Protocol ）
• 体系结构（单机）
无线传感器网络
NTP（Network Time Protocol）
• NTP不适合于WSN • 体积、计算能力和存储空间存在限制 • 传输方式不同：无线而非有线 • 目标不同：局部最优而非全局最优
Receiver
Propagation time
Reception Receive
time
time
无线传感器网络
传输延迟的进一步细化(在
Mica2上)
时间
典型值
特性
Send time & Receive time
Access time Transmission time &
Reception time Propagation time
无线传感器网络
传感器网络的挑战
• 室内、矿井、森林，有遮挡 • 低功耗、低成本和小体积 • 传输延迟的不确定性 • 可扩展性、移动性 • 健壮性、安全性 • 网络规模大、多点协作
无线传感器网络
传输延迟的不确定性
Sender
Send Access Transmission
time time
time
• 多传感器数据压缩与融合 • 低功耗MAC协议、路由协议 • 测距、定位（位置相关报务，LBS） • 分布式系统的传统要求 • 协作传输、处理的要求 • ... ...
无线传感器网络
时钟模型
• 硬件时钟模型 • 软件时钟模型
无线传感器网络
硬件时钟模型
• 基本名词
–时间、晶振、时钟（RTC） –时钟偏移（clock offset） –时钟飘移（clock drift）
• 无线传感器网络时间同步
– 典型的分布式系统 – 是无线传感器网络应用的基础
• 需要解决的问题
– 同步精度 – 功耗 – 可扩展性
无线传感器网络
时间同步技术的分类
排序、相对同步与绝对同步
递进关系 各自具有典型的协议代表
外同步与内同步
参考源不同
局部同步与全网同步
同步对象的范围不同
无线传感器网络
时间同步技术的应用场合
不确定，依赖处理器负载、操 作系统系统调用开销
不确定，依赖信道负载。
确定，依赖报文长度和发送速 率。
确定，依赖收发方物理距离和 传播媒质特性。
不确定，依赖处理器类型和处 理器负载。
确定，依赖射频芯片的种类和 设置。
确定，依赖发送速率和收发字 节偏移。
无线传感器网络
低功耗、低成本和小体积
• 软硬件都要受到该限制 • 存储与计算能力均比较小 • 加剧了电能供应的紧张（电池体积） • 网络规模大、密度高 • 通信距离近 分布式、协RBS（Reference Broadcast Synchronization）
NIC
Sender
NIC Sender
Receiver
Time
Critical Path
Receiver1
Receiver2 Critical Path
无线传感器网络
无线传感器网络
典型时间同步协议
• NTP（Network Time Protocol） • DMTS （Delay Measurement Time Synchronization
） • RBS （Reference Broadcast Synchronization） • TPSN （Timing-sync Protocol for Sensor
第七章 时间同步
无线传感器网络
内容提要
1. 基本概念 2. 传统与挑战 3. 典型时间同步协议 4. 新型同步机制 5. 小结
无线传感器网络
WSN时间同步技术背景
• 集中式系统与分布式系统
– 集中式：事件间有着明确的时间先后关系，不存在同步问题 – 分布式：同步是必需的，只是对同步的要求程度不同
无线传感器网络
GPS（Global Position System ）
• 从根本上解决了人类在地球上的导航与定 位问题。
• 每颗卫星上配备有高精度的铷、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）
无线传感器网络
发送者接收者：DMTS
DMTS（Delay Measurement Time Synchronization）
发送者
发送前导码
发送时间 访问时间 、同步字
接收 ACK
接收者
嵌入时 标t0
接收前导码、 同步字
接收 数据
时标t1
发送 接收 ACK 处理
时标t2
• 最简单直观 • 单报文同步同步精度低 • 广播方式同步能耗低
• 速率恒定模型
–最常用，但不适应环境变化剧烈的场合
• 飘移有界模型
–常用于确定同步误差上下界
• 飘移变化有界模型
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软件时钟模型
• 软件虚拟时钟 • 一般是个分段连续、严格单调的函数
无线传感器网络
传统与挑战
• 传统同步方法 • 传感器网络的挑战
无线传感器网络
传统同步：NTP与GPS
无线传感器网络
可扩展性（Scalability）
• 在大规模网络中尤为重要 • 是大规模无线传感器网络软硬件设计中非
常重要的问题 • 满足不同的网络类型、网络规模 • 满足不同的应用需求
无线传感器网络
健壮性
• 外部环境复杂，搞毁能力 • 需要应对安全性挑战 • 无线传感器网络拓扑动态性较强 • 网络规模变化、需求变化
Interrupt waiting time
Encoding time & Decoding time
Byte alignment time
0~100ms
10~500ms 10~20ms
<1μs（距离<300米）
在大多数情况下<5μs，在重 负载下，可达30μs
100~200μs，<2μs的抖动
0~400μs