《无线传感器网络》第8讲 时间同步技术
一、时间同步的必要性
- 低功耗协议运行 ：协调节点的休眠与唤醒，实现TDMA调度。
- 事件时间戳 ：为传感器采样数据提供时间次序，标记事件发生时间。
- 测距与定位 ：TOA、TDOA等测距技术的精度依赖于时间同步精度。
- 数据融合：识别重复事件，提高融合效率。
- 目标跟踪：估算目标的移动速度和方向。
二、基本概念与模型
1. 时间的分类
- 物理时间：客观流逝的时间，有起点和尺度（如秒）。标准有国际原子时间（TAI）和世界协调时间（UTC）。
- 逻辑时间 ：仅表示事件发生的先后顺序关系。
2. 计时器与本地时间
- 计时器结构：振荡器 → 计数器 → 时钟。
- 节点的本地软件时间 公式：Li(t)=S0+t−t'fiL_i(t) = S_0 + \frac{t - t'}{f_i}Li(t)=S0+fit−t'
- S0S_0S0：初始时间；t't't'：启动时间； fif_ifi：本地时钟频率。
- 时钟偏移：某一时刻，两个节点本地时间（或与参考时间）的差值。
3. 时间不精确的来源
- 节点随机启动：初始时间不同。
- 晶振频率变化 ：
- 长期：晶振老化。
- 短期：受电压、温度、湿度等环境因素影响。
- 标称频率偏差 ：实际频率与标称频率的差异，用漂移率 表示。
- PPM：百万分之一，数值越小，晶振越精确（1 PPM优于10 PPM）。
4. 同步精度的定义
- 外同步 ：所有节点与外部参考时钟 （如UTC）同步。精度定义为：∣Li(t)−t∣<δ|L_i(t) - t| < \delta∣Li(t)−t∣<δ
- 内同步 ：所有节点之间 保持同步。精度定义为：∣Li(t)−Lj(t)∣<δ|L_i(t) - L_j(t)| < \delta∣Li(t)−Lj(t)∣<δ
- 重要关系 ：若两节点都与同一外部时钟同步，且外同步精度为△，则它们之间的内同步精度可能达到2△。
5. 同步频率计算
- 为维持同步精度δ\deltaδ，需要定期重同步。
- 最大同步周期 计算公式：Tsync=δx×10−6T_{sync} = \frac{\delta}{x \times 10^{-6}}Tsync=x×10−6δ
- xxx：晶振的漂移率（PPM值）。
- 示例 ：漂移率10ppm，精度要求1ms，则需每0.001/(10×10−6)=1000.001 / (10 \times 10^{-6}) = 1000.001/(10×10−6)=100秒同步一次（同步周期）。
6. 性能评价参数
- 同步期限/周期：保持同步的时间长度。
- 能量消耗 ：由交换消息数量、计算量、同步频率决定。
- 同步范围：保持同步的区域（单跳、局部、全网）。
- 代价和体积：协议对硬件成本与体积的影响。
三、传统同步机制
- 发送者：时钟源服务器
- 接收者：未同步节点
- 模式：客户端/服务器C/S
方法一：单向信息交换
时间服务器（周期的）向客户端发送时间同步消息。
方法二：双向消息交换
客户端请求时间同步消息，服务器回应时间同步应答消息。
(1) NTP协议
NTP（Network Time Protocol） 为双向信息交换，需要同步的客户端发送请求，服务器回应包含时间的应答消息。
-
关键时间戳：
- T1T1T1：客户端发送请求的本地时间。
- T2T2T2：服务器收到请求的本地时间。
- T3T3T3：服务器发送响应的本地时间。
- T4T4T4：客户端收到响应的本地时间。
-
核心计算公式 （假设往返延迟对称δ1=δ2\delta_1=\delta_2δ1=δ2）：
- 时钟偏移 ：θ=(T1−T2)+(T4−T3)2\theta = \frac{(T1 - T2) + (T4 - T3)}{2}θ=2(T1−T2)+(T4−T3)
- 往返延迟 ：δ=(T2−T1)+(T4−T3)\delta = (T2 - T1) + (T4 - T3)δ=(T2−T1)+(T4−T3)
-
客户端调整 ：根据 θ\thetaθ 值校正本地时钟。
四、WSN时间同步协议详解
1. 消息传输延迟分解（误差来源分析）
| 延迟成分 | 特性 | 说明 |
|---|---|---|
| 发送时间 | 不确定 | 创建消息、通过协议栈到网卡的时间，受系统负载影响。 |
| 访问时间 | 不确定 | MAC层竞争信道的时间，受网络负载影响。 |
| 传播时间 | 确定 | 信号在空间传播的时间，距离<300m时可忽略。 |
| 接收时间 | 不确定 | 从网卡接收比特流到通知主机的时间。 |
- 关键结论 ：发送、访问、接收时间的不确定性是同步误差的主要来源。
2. 基于发送者-接收者的时间同步协议
(2) DMTS（延迟测量时间同步）
Delay Measurement Time Synchronization DMTS 延迟测量时间同步
- 核心思想 ：基于同步消息在传输路径上所有延迟估计。单向广播。发送节点在MAC层为同步消息打上时标，接收节点测量从检测到前导码到完整接收的确定延迟，并据此校正时钟。
- 同步公式 ：接收节点调整时钟为 t0+nt+(t2−t1)t0 + nt + (t2 - t1)t0+nt+(t2−t1)。
- 特点 ：
- 优点 ：轻量级，一次广播同步单跳内所有节点，能量效率高。
- 缺点：精度较低（包含发送和访问时间误差），误差随跳数累积（N跳误差约为单跳N倍）。
- 适用：对精度要求不高的节能网络。
(3) TPSN（传感器网络时间同步协议）
Timing-sync Protocol for Sensor Networks TPSN 传感器网络时间同步协议
-
核心思想 ：分层+双向成对同步。仿照NTP，但为WSN设计。
-
两个阶段：
- 层次发现阶段 ：根节点（0级）洪泛，形成树状层次结构。
- 同步阶段 ：子节点与父节点进行双向消息交换 ，逐级同步到根节点。
-
同步机制（与NTP公式相同）：
- 偏移θ=(T2−T1)+(T4−T3)2\text{偏移} \theta = \frac{(T2 - T1) + (T4 - T3)}{2} \quad偏移θ=2(T2−T1)+(T4−T3)
- 延迟d=(T2−T1)+(T4−T3)2\text{延迟} d = \frac{(T2 - T1) + (T4 - T3)}{2}延迟d=2(T2−T1)+(T4−T3)
- 时间戳打在MAC层，以消除部分发送/访问时间的不确定性。
-
特点：
- 优点 ：精度高于DMTS，能实现全网同步。
- 缺点 ：消息开销大（每对节点需双向交换），根节点和层次结构是单点故障源，鲁棒性较差。
-
适用：需要全网较精确同步的场景。
3. 基于接收者-接收者的同步协议
(4) RBS（参考广播同步）
Reference Broadcast Synchronization RBS 参考广播同步
- 核心思想 ：利用广播信道的空间一致性 。一个发送节点广播参考消息，多个接收节点记录各自收到该消息的本地时刻 ，通过比较这些时刻来实现彼此间的同步。
- 关键优势 ：完全消除了发送时间、访问时间和传输时间 带来的误差，仅保留传播时间和接收时间的差异，后者通过多次广播取统计平均值（如线性回归）进一步减少。
- 多跳扩展 ：通过桥节点（位于两个广播域重叠区）传递不同广播域间的时间转换关系。
- "后同步"模式 ：平时不同步，仅在需要时（如事件发生后）交换时间信息，极度节能。
- 特点 ：
- 优点 ：在单跳广播域内精度很高，特别适合局部协同处理。
- 缺点 ：全网同步效率低（需要大量广播和桥节点转换），不适用于长期连续同步。
- 适用：局部区域内对相对时间精度要求极高的应用。
五、协议对比与设计考量
1. 三类协议对比
| 特性 | DMTS | TPSN | RBS |
|---|---|---|---|
| 同步方式 | 发送者-接收者，单向广播 | 发送者-接收者，双向成对 | 接收者-接收者，参考广播 |
| 消息开销 | 极低（1广播/跳） | 高（2消息/节点对） | 中等（1广播，但需多次取平均） |
| 同步精度 | 较低 | 较高 | 单跳内精度最高 |
| 误差累积 | 线性累积（~N倍） | 线性累积 | 依赖桥节点转换 |
| 能耗 | 很低 | 高 | 中等（"后同步"模式能耗低） |
| 适用场景 | 低精度、节能网络 | 需要全网同步 | 局部高精度协同 |
2. WSN时间同步设计考量
- 能量高效：最小化消息交换与计算。
- 可扩展性：协议应能在规模、密度变化时维持性能。
- 稳定性：适应网络拓扑动态变化，保持同步连续稳定。
- 快速收敛：建立同步或重同步的时间要短。
3. 时间同步分类维度
- 参与方关系：发送者-接收者 vs. 接收者-接收者
- 同步范围：全网同步 vs. 局部同步
- 参考系：外部同步 vs. 内部同步
- 同步时机：先同步（始终维持） vs. 后同步（按需同步）
- 时钟处理：校正物理时钟 vs. 仅维护逻辑时间/偏移表
习题
- 节点A在本地时刻3150向时间服务器节点B发送时间同步请求，并且在本地时刻3250接收到来自B的同步回复消息，消息中带有节点B的时间戳3120。问：
- 在不考虑消息的处理延迟的情况下，节点A相对B的时钟偏移是多少？
- A应该如何调整时钟？
(1) θ=3250−(3120+(3250−3150)/2)=3250−3170=80\theta=3250-(3120+(3250-3150)/2)=3250-3170=80θ=3250−(3120+(3250−3150)/2)=3250−3170=80
(2) L=Ta−θL=Ta-\thetaL=Ta−θ，A时钟调慢80
- (单选题) 选择以下哪个型号的晶振能让计时更准确？（A）
A. 1PPM
B. 10PPM
C. 20PPM
D. 100PPM
标称频率偏差 ：实际频率与标称频率的差异，用漂移率表示。
- PPM：百万分之一，数值越小，晶振越精确（1 PPM优于10 PPM）。
- (单选题) 假设两个节点的外同步精度是100ms，则他们的内同步精度为__C__？
A. 100ms
B. 50ms
C. 200ms
D. 10s
同步精度的定义
- 外同步 ：所有节点与外部参考时钟 （如UTC）同步。精度定义为：∣Li(t)−t∣<δ|L_i(t) - t| < \delta∣Li(t)−t∣<δ
- 内同步 ：所有节点之间 保持同步。精度定义为：∣Li(t)−Lj(t)∣<δ|L_i(t) - L_j(t)| < \delta∣Li(t)−Lj(t)∣<δ
- 重要关系 ：若两节点都与同一外部时钟同步，且外同步精度为△，则它们之间的内同步精度可能达到2△。
- (单选题) 晶振的相对漂移率是10ppm，同步精度1毫秒，则为了满足精度的要求，两节点的最大同步周期是?
A. 100秒
B. 10秒
C. 100万秒
D. 1秒
同步频率计算
- 为维持同步精度δ\deltaδ，需要定期重同步。
- 最大同步周期 计算公式：Tsync=δx×10−6T_{sync} = \frac{\delta}{x \times 10^{-6}}Tsync=x×10−6δ
- xxx：晶振的漂移率（PPM值）。
- 示例 ：漂移率10ppm，精度要求1ms，则需每0.001/(10×10−6)=1000.001 / (10 \times 10^{-6}) = 1000.001/(10×10−6)=100秒同步一次（同步周期）。
- (单选题) 在一个TOA测距系统中，假设网络的节点时钟频率是32KHZ，设声音的速度是340m/s。问：在网络时间完全同步的情况下，测距的精度约为__D__？
A. 340米
B. 32千米
C. 1米
D. 0.01米
δ=340m/s×(132KHZ)=34032×103=0.01m\delta=340m/s\times(\frac{1}{32KHZ})=\frac{340}{32\times10^3}=0.01mδ=340m/s×(32KHZ1)=32×103340=0.01m
- (单选题) 节点A在本地时刻3150向时间服务器节点B发送时间同步请求，并且在本地时刻3250接收到来自B的同步回复消息，消息中带有节点B的时间戳3120。在不考虑消息的处理延迟的情况下，节点A相对B的时钟偏移是多少？（C）
A. 50
B. -50
C. 80
D. -80
同题1，θ=3250−(3120+(3250−3150)/2)=3250−3170=80\theta=3250-(3120+(3250-3150)/2)=3250-3170=80θ=3250−(3120+(3250−3150)/2)=3250−3170=80
- (单选题) 假设无线传感器网络的节点数量为N(>3），如果进行整网节点时间同步，则分别使用DMTS与TPSN进行同步所需要的消息数量的关系是？（不考虑层次发现阶段）（A）
A. DMTS需要的消息数量<TPSN需要的消息数量
B. DMTS需要的消息数量>TPSN需要的消息数量
C.DMTS需要的消息数量=TPSN需要的消息数量
D. 不可比较
Delay Measurement Time Synchronization DMTS 延迟测量时间同步
采用单向广播的方式。在层次化同步过程中，每个父节点仅需广播一次同步消息，即可同步其所有子节点。
Timing-sync Protocol for Sensor Networks TPSN 传感器网络时间同步协议采用双向成对同步的方式。每个非根节点都需要与父节点进行两次消息交换（Sync和Ack）。
- (单选题) 同步消息的端到端延迟包含发送延时、访问延时、接收延时和（A）
A. 传播延时
B. 路由延时
C. 周期延时
D. 双向延时
延迟成分 特性 说明 发送时间 不确定 创建消息、通过协议栈到网卡的时间，受系统负载影响。 访问时间 不确定 MAC层竞争信道的时间，受网络负载影响。 传播时间 确定 信号在空间传播的时间。 接收时间 不确定 从网卡接收比特流到通知主机的时间。
- (单选题) 以下时间同步方法中，属于接收者接收者时间同步协议的是（D）
A. NTP
B. TPSN
C. DMTS
D. RBS
NTP Network Time Protocol ：发送者-接收者传统时间同步机制
TPSN Timing-sync Protocol for Sensor Networks ：发送者-接收者：树状层次结构，父子节点双向通信，逐级同步到根节点
DMTS Delay Measurement Time Synchronization ：发送者-接收者：单向广播，一次广播同步单跳内所有节点
RBS Reference Broadcast Synchronization：接收者-接收者：接收节点比较各自接收到的广播消息信息的同步时刻