传感器网络为什么实现时间同步

1. 5、无线传感器网络的睡眠调度目的

一 无线传感器网络简介

短距离无线通信特点：通信距离短，覆盖距离一般为10~200m。无线发射器的发射功率较低，发射功率一般小于100mW。工作频率多为免付费、免申请的全球通用的工业、科学、医疗频段。
短距离无线通信技术的概念：指集信息采集、信息传输、信息处理于一体的综合型智能信息系统，并且其传输距离限制在一个较短的范围内。
低成本、低功耗和对等通信是短距离无线通信技术的三个重要特征和优势。
常见的无线通信技术有IrDA技术、蓝牙技术、WIFI技术、RFID技术、UWB技术、Zigbee技术。
以数据传输为主要功能的无线网络技术称为无线数据网络。
ALOHA协议是一种使用无线广播技术的分组交换计算机网络协议，也是最早最基本的无线数据通信协议。
ALOHA协议分为纯ALOHA和时隙ALOHA两种。
ALOHA技术的特点：原理非常简单，特别便于无线设备实现。
无线局域网是在各工作站和设备之间，不再使用通信电缆，而采用无线的通信方式连接的局域网。
无线局域网的传输媒体主要有两种：无线电波和红外线。
根据调制的方式不同，无线电波方式可分为扩展频谱方式和窄带调制方式。
扩展频谱方式是指用来传输信息的射频带宽远大于信息本身带宽的一种通信方式，它虽然牺牲了频带带宽，却提高了通信系统的抗干扰能力和安全性。
窄带调制方式是指数据基带信号的频谱不做任何扩展即被直接搬移到射频发射出去，与扩展频谱方式相比，窄带调制方式占用频带少，频带利用率高，但是通信可靠性较差。
红外线方式最大的有限是不受无线电干扰，且红外线的使用不受国家无线电管理委员会限制，但是红外线对非透明物体的透过性较差，传输距离受限。
无线个域网是一种与无线广域网、无线城域网、无线局域网并列但覆盖范围较小的无线网络，是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无线无缝的连接而提出的新兴无线通信网络技术。
无线自组织网络是一个由几十到上百个节点组成的、采用无线通信方式的、动态组的多跳的移动性对等网络。其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信息流。
无线传感器网络的主要组成部分是集成有传感器、数据处理单元和通信模块的节点，各节点通过协议自组成一个分布式网络，再将采集来的数据通过优化后经无线电波传输给信息处理中心。
传感器网络的特点：
大规模网络
自组织网络
多跳路由
动态性网络
以数据为中心的网络
兼容性应用的网络
传感器节点的限制
电源能量有限
通信能量有限
计算和存储能力有限
拓扑控制是无线传感器网络研究的核心技术之一。
传感器网络中的拓扑控制按照研究方向可分为：节点功率控制和层次型拓扑结构组织。
无线传感器网络最基本的安全机制：机密性、点到点的消息认证、完整性鉴别、新鲜性、认证广播和安全管理。
时间同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制。
三个基本的时间同步机制：RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN。
RBS机制是基于接收者-接收者的时钟同步一个节点广播时钟参考分组，广播域内的两个节点分别采用本地时钟记录参考分组的到达时间，通过交换记录时间来实现它们之间的时钟同步。
TINY/MINI-SYNC是简单的轻量级的同步机制：假设节点的时钟漂移遵循线性变化，那么两个节点之间的时间偏移也是线性的，可通过减缓时标分组来估计两个节点之间最优匹配偏移量。

2. 为什么在WSN中需要时间同步请举出至少三个例子。

因为WSN在物理上的分散性，加上其他因素的影响使得本地时钟与全局时钟存在失步。时间同步不仅是无线传感器网络各种应用正常运行的必要条件，并且还直接决定了其他服务的质量。一、在以广播的方式向很多接收者发送参考报文的时候二、在一个目标跟踪系统中,可能存在下面的潜在时 间同步要求:通过波束阵列确定声源位置进行目标监测,波束阵列需 要使用公共基准时间.如果用分布式无线传感器节点实现波 束阵列,就需要局部节点间的瞬时时间同步,允许的最大误 差为100s.通过目标相邻位置的连续检测,估计目标的运动 速率和方向.这种时间同步机制要求的时间同步长度和地理 范围都要比波束阵列大,精度相应有所降三、在战场通信、抢险救灾和公共集会等突发性、临时性场合。保持节点之间时间上的同步在无线传感器网络中非常重要，它是保证无线传感网络中其他通信协议的前提因为WSN在物理上的分散性，加上其他因素的影响使得本地时钟与全局时钟存在失步。时间同步不仅是无线传感器网络各种应用正常运行的必要条件，并且还直接决定了其他服务的质量。

3. 传感器网络中常见的时间同步机制有哪些它们有什么特点

一、传感器网络中常见的时间同步机制有：

1、传感器节点通常需要彼此协作，去完成复杂的监测和感知任务数据融合是协作操作的典型例子，不同的节点采集的数据最终融合形成了一个有意义的结果。

2、传感器网络的一些节能方案是利用时间同步来实现的。

二、特点：

1、传感节点体积小，成本低，计算能力有限。

2、传感节点数量大、易失效，具有自适应性。

3、通信半径小，带宽很低。

4、电源能量是网络寿命的关键。

5、数据管理与处理是传感器网络的核心技术。

传感器网络

综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。从而真正实现“无处不在的计算”理念。

4. 如何解决多个传感器时间同步的问题

多传感器时间同步是指它们在指定的时刻同时采样(测量)。
实现同步的较好方案，是选用带操作系统的数据采集器，比如winCE。多个传感器接入一只数据采集器，按照指定的时间表同步测量。这些传感器可以有完全不同的采样周期。

5. 有关无线传感器网络中时间同步机制有哪些方法和策略

1  时间同步技术的重要性 
传感器节点的时钟并不完美，会在时间上发生漂移，所以观察到的时间对于网络中的节点来说是不同的。但很多网络协议的应用，都需要一个共同的时间以使得网路中的节点全部或部分在瞬间是同步的。 
第一，传感器节点需要彼此之间并行操作和协作去完成复杂的传感任务。如果在收集信息过程中，传感器节点缺乏统一的时间戳（即没有同步），估计将是不准确的。 
第二，许多节能方案是利用时间同步来实现的。例如，传感器可以在适当的时候休眠（通过关闭传感器和收发器进入节能模式），在需要的时候再唤醒。在应用这种节能模式的时候，节点应该在同等的时间休眠和唤醒，也就是说当数据到来时，节点的接收器可以接收，这个需要传感器节点间精确的定时。 
2  时间同步技术所关注的主要性能参数 
时间同步技术的根本目的是为网络中节点的本地时钟提供共同的时间戳。对无线传感器
网络WSN（Wireless Sensor Networks）[1]
的时间同步应主要应考虑以下几个方面的问题： 
(1)能量效率。同步的时间越长，消耗的能量越多，效率就越低。设计WSN的时间同步算法需以考虑传感器节点有效的能量资源为前提。 
(2) 可扩展性和健壮性。时间同步机制应该支持网络中节点的数目或者密度的有效扩展，并保障一旦有节点失效时，余下网络有效且功能健全。 
(3)精确度。针对不同的应用和目的，精确度的需求有所不用。 
(4)同步期限。节点需要保持时间同步的时间长度可以是瞬时的，也可以和网络的寿命一样长。 
(5)有效同步范围。可以给网络内所有节点提供时间，也可以给局部区域的节点提供时间。 
(6)成本和尺寸。同步可能需要特定的硬件，另外，体积的大小也影响同步机制的实现。 (7)最大误差。一组传感器节点之间的最大时间差，或相对外部标准时间的最大差。 3  现有主要时间同步方法研究 
时间同步技术是研究WSN的重要问题，许多具体应用都需要传感器节点本地时钟的同步，要求各种程度的同步精度。WSN具有自组织性、多跳性、动态拓扑性和资源受限性，尤其是节点的能量资源、计算能力、通信带宽、存储容量有限等特点，使时间同步方案有其特
殊的需求，也使得传统的时间同步算法不适合于这些网络[2]
。因此越来越多的研究集中在设
计适合WSN的时间同步算法[3]
。针对WSN，目前已经从不同角度提出了许多新的时间同步算法[4]
。 
3.1  成对(pair-wise)同步的双向同步模式 
代表算法是传感器网络时间同步协议TPSN（Timing-Sync Protocol for Sensor 
Networks）[5~6]
。目的是提供WSN整个网络范围内节点间的时间同步。 
该算法分两步：分级和同步。第一步的目的是建立分级的拓扑网络，每个节点有个级别。只有一个节点与外界通信获取外界时间，将其定为零级，叫做根节点，作为整个网络系统的时间源。在第二步，每个i级节点与i-1（上一级）级节点同步，最终所有的节点都与根节点同步，从而达到整个网络的时间同步。详细的时间同步过程如图 1 所示。 
 

图1  TPSN 同步过程 
 
设R为上层节点，S为下层节点，传播时间为d，两节点的时间偏差为θ。同步过程由节点R广播开始同步信息，节点S接收到信息以后，就开始准备时间同步过程。在T1时刻，节点S发送同步信息包，包含信息(T1)，节点R在T2接收到同步信息，并记录下接收时间T2，这里满足关系：21TTd 
节点R在T3时刻发送回复信息包，包含信息(T1,T2,T3)。在T4时刻S接收到同步信息包，满足关系：43TTd 
最后，节点S利用上述2个时间表达式可计算出的值：(21)(43)2
TTTT 
TPSN由于采用了在MAC层给同步包标记时间戳的方式，降低了发送端的不确定性，消除了访问时间带来的时间同步误差，使得同步效果更加有效。并且，TPSN算法对任意节点的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算法的缺点是一旦根节点失效，就要重新选择根节点，并重新进行分级和同步阶段的处理，增加了计算和能量开销，并随着跳数的增加，同步误差呈线性增长，准确性较低。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，完成一次同步能量消耗较大。 
3.2  接收方-接收方（Receiver-Receiver）模式 
代表算法是参考广播时间同步协议RBS（Reference Broadcast Synchronization）[7]
。RBS是典型的基于接收方-接收方的同步算法，是Elson等人以“第三节点”实现同步的思想而提出的。该算法中，利用无线数据链路层的广播信道特性，基本思想为：节点(作为发
送者)通过物理层广播周期性地向其邻居节点（作为接收者）发送信标消息[10]
，邻居节点记录下广播信标达到的时间，并把这个时间作为参考点与时钟的读数相比较。为了计算时钟偏移，要交换对等邻居节点间的时间戳，确定它们之间的时间偏移量，然后其中一个根据接收
到的时间差值来修改其本地的时间，从而实现时间同步[11]
。 
假如该算法在网络中有n个接收节点m个参考广播包，则任意一个节点接收到m个参考包后，会拿这些参考包到达的时间与其它n-1个接收节点接收到的参考包到达的时间进行比较，然后进行信息交换。图2为RBS算法的关键路径示意图。 
网络接口卡
关键路径
接收者1
发送者
接收者2
 
图2  RBS算法的关键路径示意图 
 
其计算公式如下： 
,,1
1,:[,]()m
jkikkinjnoffsetijTTm
 其中n表示接收者的数量，m表示参考包的数量，,rbT表示接收节点r接收到参考包b时的时钟。 

此算法并不是同步发送者和接收者，而是使接收者彼此同步，有效避免了发送访问时间对同步的影响，将发送方延迟的不确定性从关键路径中排除，误差的来源主要是传输时间和接收时间的不确定性，从而获得了比利用节点间双向信息交换实现同步的方法更高的精确度。这种方法的最大弊端是信息的交换次数太多，发送节点和接收节点之间、接收节点彼此之间，都要经过消息交换后才能达到同步。计算复杂度较高，网络流量开销和能耗太大，不适合能量供应有限的场合。 
3.3  发送方-接收方(Sender-Receiver)模式 
基于发送方-接收方机制的时间同步算法的基本原理是：发送节点发送包含本地时间戳的时间同步消息，接收节点记录本地接收时间，并将其与同步消息中的时间戳进行比较，调整本地时钟。基于这种方法提出的时间同步算法有以下两种。 
3.3.1  FTSP 算法[8]
 
泛洪时间同步协议FTSP（Flooding Time Synchronization Protocol）由Vanderbilt大学Branislav Kusy等提出，目标是实现整个网络的时间同步且误差控制在微秒级。该算法用单个广播消息实现发送节点与接收节点之间的时间同步。 
其特点为：(1)通过对收发过程的分析，把时延细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、接收中断处理时延，进一步降低时延的不确定度；(2)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技术估算自己和发送节点的频率差和初相位差；(3)设计一套根节点选举机制，针对节点失效、新节点加入、拓扑变化
等情况进行优化，适合于恶劣环境[12]
。 
FTSP算法对时钟漂移进行了线性回归分析。此算法考虑到在特定时间范围内节点时钟晶振频率是稳定的，因此节点间时钟偏移量与时间成线性关系，通过发送节点周期性广播时间同步消息，接收节点取得多个数据对，构造最佳拟合直线，通过回归直线，在误差允许的时间间隔内，节点可直接通过它来计算某一时间节点间的时钟偏移量而不必发送时间同步消息进行计算，从而减少了消息的发送次数并降低了系统能量开销。 
FTSP结合TPSN和RBS的优点，不仅排除了发送方延迟的影响，而且对报文传输中接收方的不确定延迟（如中断处理时间、字节对齐时间、硬件编解码时间等）做了有效的估计。多跳的FTSP协议采用层次结构，根节点为同步源，可以适应大量传感器节点，对网络拓扑结构的变化和根节点的失效有健壮性，精确度较好。该算法通过采用MAC层时间戳和线性回归偏差补偿弥补相关的错误源，通过对一个数据包打多个时戳，进而取平均和滤除抖动较大的时戳，大大降低了中断和解码时间的影响。FTSP 采用洪泛的方式向远方节点传递时间基准节点的时间信息，洪泛的时间信息可由中转节点生成，因此误差累积不可避免。另外，FTSP的功耗和带宽的开销巨大。 
3.3.2  DMTS 算法[9]
 
延迟测量时间同步DMTS (delay measurement time synchronization) 算法的同步机制是基于发送方-接收方的同步机制。DMTS 算法的实现策略是牺牲部分时间同步精度换取较低的计算复杂度和能耗，是一种能量消耗轻的时间同步算法。 
DMTS算法的基本原理为：选择一个节点作为时间主节点广播同步时间，所有接收节点通过精确地测量从发送节点到接收节点的单向时间广播消息的延迟并结合发送节点时间戳，计算出时间调整值，接收节点设置它的时间为接收到消息携带的时间加上广播消息的传输延迟，调整自己的逻辑时钟值以和基准点达成同步，这样所有得到广播消息的节点都与主节点进行时间同步。发送节点和接收节点的时间延迟dt可由21()dtnttt得出。其中，nt为发送前导码和起始字符所需的时间，n为发送的信息位个数，t为发送一位所需时间；1t为接收节点在消息到达时的本地时间；2t为接收节点在调整自己的时钟之前的那一时刻记录的本地时间，21()tt是接收处理延迟。 

DMTS 算法的优点是结合链路层打时间戳和时延估计等技术，消除了发送时延和访问时延的影响，算法简单，通信开销小。但DMTS算法没有估计时钟的频率偏差，时钟保持同步的时间较短，没有对位偏移产生的时间延迟进行估计，也没有消除时钟计时精度对同步精度的影响，因此其同步精度比FTSP略有下降，不适用于定位等要求高精度同步的应用。 
基于发送方-接收方单向同步机制的算法在上述三类方法中需要发送的时间同步消息数目最少。发送节点只要发送一次同步消息，因而具有较低的网络流量开销和复杂度，减少了系统能耗。 
4  结论 
文章介绍了WSN时间同步算法的类型以及各自具有代表性的算法，分析了各算法的设计原理和优缺点。这些协议解决了WSN中时间同步所遇到的主要问题，但对于大型网络，已有的方法或多或少存在着一些问题：扩展性差、稳定性不高、收敛速度变慢、网络通信冲突、能耗增大。今后的研究热点将集中在节能和时间同步的安全性方面。这将对算法的容错性、有效范围和可扩展性提出更高的要求。 

6. 什么原因导致传感器网络时间不同步

1、传感器本身的时钟不一致，就好比两个时钟一样，但是由于硬件上面细小的差别，一段时间后也会有时间上面的差异；
2、在对传感器时钟进行同步时，由于到两个传感器的时间不一致，最后同步得到的时间也不一样。比如：北京8点，对天津和河北的两个时钟进行同步，可能同步后天津是8点，河北是8点2秒（第二点）；一个月后，天津的时钟变成了8点4秒，河北的时钟变成了8点2秒；（第一点）

7. 无线传感器网络的特点及关键技术

无线传感器网络的特点及关键技术

无线传感器网络被普遍认为是二十一世纪最重要的技术之一，是目前计算机网络、无线通信和微电子技术等领域的研究热点。下面我为大家搜索整理了关于无线传感器网络的特点及关键技术，欢迎参考阅读！

一、无线传感器网络的特点

与其他类型的无线网络相比，传感器网络有着鲜明的特征。其主要特点可以归纳如下：

（一）传感器节点能量有限。当前传感器通常由内置的电池提供能量，由于体积受限，因而其携带的能量非常有限。如何使传感器节点有限的能量得到高效的利用，延长网络生存周期，这是传感器网络面临的首要挑战。

（二）通信能力有限。无线通信消耗的能量与通信距离的关系为E=kdn。其中，参数n的取值为2≤n≤4，n的取值与许多因素有关。但是不管n具体的取值，n的取值范围一旦确定，就表明，无线通信的能耗是随着距离的增加而更加急剧地增加的。因此，在满足网络连通性的要求下，应尽量采用多跳通信，减少单跳通信的距离。通常，传感器节点的通信范围在100m内。

（三）计算、存储和有限。一方面为了满足部署的要求，传感器节点往往体积小；另一方面出于成本控制的目的`，节点的价格低廉。这些因素限制了节点的硬件资源，从而影响到它的计算、存储和通信能力。

（四）节点数量多，密度高，覆盖面积广。为了能够全面准确的监测目标，往往会将成千上万的传感器节点部署在地理面积很大的区域内，而且节点密度会比较大，甚至在一些小范围内采用密集部署的方式。这样的部署方式，可以让网络获得全面的数据，提高信息的可靠性和准确性。

（五）自组织。传感器网络部署的区域往往没有基础设施，需要依靠传感器节点协同工作，以自组织的方式进行网络的配置和管理。

（六）拓扑结构动态变化。传感器网络的拓扑结构通常是动态变化的，例如部分节点故障或电量耗尽退出网络，有新的节点被部署并加入网络，为节约能量节点在工作和休眠状态间进行切换，周围环境的改变造成了无线通信链路的变化，以及传感器节点的移动等都会导致传感器网络拓扑结构发生变化。

（七）感知数据量巨大。传感器网络节点部署范围大、数量多，且网络中的每个传感器通常都产生较大的流式数据并具有实时性，因此网络中往往存在数量巨大的实时数据流。受传感器节点计算、存储和带宽等资源的限制，需要有效的分布式数据流管理、查询、分析和挖掘方法来对这些数据流进行处理。

（八）以数据为中心。对于传感器网络的用户而言，他们感兴趣的是获取关于特定监测目标的真实可靠的数据。在使用传感器网络时，用户直接使用其关注的事件作为任务提交给网络，而不是去访问具有某个或某些地址标识的节点。传感器网络中的查询、感知、传输都是以数据为中心展开的。

（九）传感器节点容易失效。由于传感器网络应用环境的特殊性以及能量等资源受限的原因，传感器节点失效（如电池能量耗尽等）的概率远大于传统无线网络节点。因此，需要研究如何提高数据的生存能力、增强网络的健壮性和容错性以保证部分传感器节点的损坏不会影响到全局任务的完成。此外，对于部署在事故和自然灾害易发区域的无线传感器网络，还需要进一步研究当事故和灾害导致大部分传感器节点失效时如何最大限度地将网络中的数据保存下来，以提供给灾害救援和事故原因分析等使用。

二、关键技术

无线传感器网络作为当今信息领域的研究热点，设计多学科交叉的研究领域，有非常多的关键技术有待研究和发现，下面列举若干。

（一）网络拓扑控制。通过拓扑控制自动生成良好的拓扑结构，能够提高路由协议和MAC协议的效率，可为数据融合、时间同步和目标定位等多方面奠定基础，有利于节省能量，延长网络生存周期。所以拓扑控制是无线传感器网络研究的核心技术之一。目前，拓扑控制主要研究的问题是在满足网络连通度的前提下，通过功率控制或骨干网节点的选择，剔除节点之间不必要的通信链路，生成一个高效的数据转发网络拓扑结构。

（二）介质访问控制（MAC）协议。在无线传感器网络中，MAC协议决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源，用来构建传感器网络系统的底层基础结构。MAC协议处于传感器网络协议的底层部分，对传感器网络的性能有较大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。传感器网络的强大功能是由众多节点协作实现的。多点通信在局部范围需要MAC协议协调其间的无线信道分配，在整个网络范围内需要路由协议选择通信路径。

在设计MAC协议时，需要着重考虑以下几个方面：

（1）节省能量。传感器网络的节点一般是以干电池、纽扣电池等提供能量，能量有限。

（2）可扩展性。无线传感器网络的拓扑结构具有动态性。所以MAC协议也应具有可扩展性，以适应这种动态变化的拓扑结构。

（3）网络效率。网络效率包括网络的公平性、实时性、网络吞吐量以及带宽利用率等。

（三）路由协议。传感器网络路由协议的主要任务是在传感器节点和Sink节点之间建立路由以可靠地传递数据。由于传感器网络与具体应用之间存在较高的相关性，要设计一种通用的、能满足各种应用需求的路由协议是困难的，因而人们研究并提出了许多路由方案。

（四）定位技术。位置信息是传感器节点采集数据中不可或缺的一部分，没有位置信息的监测消息可能毫无意义。节点定位是确定传感器的每个节点的相对位置或绝对位置。节点定位分为集中定位方式和分布定位方式。定位机制也必须要满足自组织性，鲁棒性，能量高效和分布式计算等要求。

（五）数据融合。传感器网络为了有效的节省能量，可以在传感器节点收集数据的过程中，利用本地计算和存储能力将数据进行融合，取出冗余信息，从而达到节省能量的目的。

（六）安全技术。安全问题是无线传感器网络的重要问题。由于采用的是无线传输信道，网络存在偷听、恶意路由、消息篡改等安全问题。同时，网络的有限能量和有限处理、存储能力两个特点使安全问题的解决更加复杂化了。