無線傳感器時(shí)間同步技術(shù)——TPSN協(xié)議

1、Friday, May 27, 2022時(shí)間同步協(xié)議時(shí)間同步協(xié)議趙趙 暉暉2011.6.92011.6.9TPSNFriday, May 27, 2022TPSN時(shí)間同步協(xié)議思想TPSN （ Timing-sync Protocol for Sensor Networks ）Friday, May 27, 20221、TPSN是類似于NTP（Network Time Protocol）時(shí)間同步協(xié)議2、目的是提供傳感器網(wǎng)絡(luò)全網(wǎng)范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步3、節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)中包含一個(gè)根節(jié)點(diǎn)，它與外界通信獲取外界時(shí)間，以此作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的時(shí)鐘源4、將節(jié)點(diǎn)分級(jí)后（根節(jié)點(diǎn)是0級(jí)，累加），每個(gè)節(jié)點(diǎn)同上一級(jí)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)

2、進(jìn)行時(shí)間同步，最終與根節(jié)點(diǎn)同步5、節(jié)點(diǎn)對(duì)之間的同步采用發(fā)送者-接收者同步機(jī)制（RBS） 每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都有唯一的標(biāo)識(shí)號(hào)ID 節(jié)點(diǎn)間的無線通信鏈路是雙向的，通過雙向消息交換實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)按層次結(jié)構(gòu)管理，由TPSN協(xié)議生成和維護(hù)TPSN協(xié)議過程協(xié)議準(zhǔn)備協(xié)議準(zhǔn)備Friday, May 27, 2022目的：生成節(jié)點(diǎn)層次結(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)被賦予一個(gè)級(jí)別，根節(jié)點(diǎn)為0級(jí)，第i級(jí)的節(jié)點(diǎn)至少能夠與一個(gè)第（i-1）級(jí)得節(jié)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)部署后，由根節(jié)點(diǎn)廣播級(jí)別發(fā)現(xiàn)分組來啟動(dòng)層次發(fā)現(xiàn)階段，級(jí)別發(fā)現(xiàn)分組包含節(jié)點(diǎn)的ID和級(jí)別鄰居節(jié)點(diǎn)收到分組后，將自己的級(jí)別設(shè)置為分組中的級(jí)別加1，然后廣播新的級(jí)別發(fā)現(xiàn)分

3、組節(jié)點(diǎn)收到第i級(jí)節(jié)點(diǎn)的廣播分組后，記錄發(fā)送這個(gè)廣播分組的節(jié)點(diǎn)ID，設(shè)置自己的級(jí)別為（i+1），廣播級(jí)別為（i+1）的分組，這個(gè)過程持續(xù)到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都被賦予一個(gè)級(jí)別節(jié)點(diǎn)一旦建立自己的級(jí)別，就忽略任何其他級(jí)別發(fā)現(xiàn)分組，防止網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生洪泛擁塞TPSN協(xié)議過程第一階段第一階段 層次發(fā)現(xiàn)階段（層次發(fā)現(xiàn)階段（Level Discovery PhaseLevel Discovery Phase）Friday, May 27, 2022目的：實(shí)現(xiàn)所有樹節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步，第1級(jí)節(jié)點(diǎn)同步到根節(jié)點(diǎn)，第i級(jí)的節(jié)點(diǎn)同步到第（i-1）級(jí)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，最終所有節(jié)點(diǎn)同步到根節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步層次結(jié)構(gòu)建立以后，根節(jié)點(diǎn)通

4、過廣播時(shí)間同步分組啟動(dòng)同步階段第1級(jí)節(jié)點(diǎn)收到分組后，各自分別等待一段隨機(jī)時(shí)間，再通過與根節(jié)點(diǎn)交換消息同步到根節(jié)點(diǎn)第2級(jí)節(jié)點(diǎn)偵聽到第1級(jí)節(jié)點(diǎn)的交換消息后，等待一段隨機(jī)時(shí)間，再與它記錄的上一級(jí)別的節(jié)點(diǎn)交換消息進(jìn)行同步，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)依次與上一級(jí)節(jié)點(diǎn)同步，最終都同步到根節(jié)點(diǎn)等待一段隨機(jī)時(shí)間是為了保證該級(jí)節(jié)點(diǎn)在上一級(jí)節(jié)點(diǎn)同步完成后才啟動(dòng)消息交換TPSN協(xié)議過程第二階段第二階段 同步階段（同步階段（Synchronization PhaseSynchronization Phase）Friday, May 27, 2022TPSN協(xié)議過程相鄰級(jí)別節(jié)點(diǎn)間的同步機(jī)制相鄰級(jí)別節(jié)點(diǎn)間的同步機(jī)制Friday, Ma

5、y 27, 2022i-1級(jí)級(jí)i級(jí)級(jí)消息傳播消息傳播時(shí)延時(shí)延兩節(jié)點(diǎn)間的兩節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間偏差時(shí)間偏差TPSN協(xié)議過程相鄰級(jí)別節(jié)點(diǎn)間的同步機(jī)制相鄰級(jí)別節(jié)點(diǎn)間的同步機(jī)制結(jié)論結(jié)論Friday, May 27, 2022優(yōu)點(diǎn)減少同步誤差減少同步誤差TPSN同步協(xié)議在MAC層消息開始發(fā)送到無線信道是才給消息添加時(shí)標(biāo)，消除了訪問時(shí)間帶來的時(shí)間同步誤差提高同步精度提高同步精度考慮了傳播時(shí)間和接收時(shí)間，利用雙向消息交換計(jì)算消息的平均延遲，提高了時(shí)間同步的精度Friday, May 27, 2022缺點(diǎn)Friday, May 27, 2022 沒有考慮根節(jié)點(diǎn)失效問題 新的節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，需要初始化層次發(fā)現(xiàn)階段，級(jí)別的靜態(tài)特性減少了算法的魯棒性使用范圍Friday, May 27, 2022 TPSN能夠?qū)崿F(xiàn)全網(wǎng)范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步，同步誤差與跳數(shù)距離成正比 適合實(shí)現(xiàn)短期間的全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步，若要長(zhǎng)時(shí)間的全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步，需要周期的