無線時鍾同步

『壹』 有關無線感測器網路中時間同步機制有哪些方法和策略

1  時間同步技術的重要性 
感測器節點的時鍾並不完美，會在時間上發生漂移，所以觀察到的時間對於網路中的節點來說是不同的。但很多網路協議的應用，都需要一個共同的時間以使得網路中的節點全部或部分在瞬間是同步的。 
第一，感測器節點需要彼此之間並行操作和協作去完成復雜的感測任務。如果在收集信息過程中，感測器節點缺乏統一的時間戳（即沒有同步），估計將是不準確的。 
第二，許多節能方案是利用時間同步來實現的。例如，感測器可以在適當的時候休眠（通過關閉感測器和收發器進入節能模式），在需要的時候再喚醒。在應用這種節能模式的時候，節點應該在同等的時間休眠和喚醒，也就是說當數據到來時，節點的接收器可以接收，這個需要感測器節點間精確的定時。 
2  時間同步技術所關注的主要性能參數 
時間同步技術的根本目的是為網路中節點的本地時鍾提供共同的時間戳。對無線感測器
網路WSN（Wireless Sensor Networks）[1]
的時間同步應主要應考慮以下幾個方面的問題： 
(1)能量效率。同步的時間越長，消耗的能量越多，效率就越低。設計WSN的時間同步演算法需以考慮感測器節點有效的能量資源為前提。 
(2) 可擴展性和健壯性。時間同步機制應該支持網路中節點的數目或者密度的有效擴展，並保障一旦有節點失效時，餘下網路有效且功能健全。 
(3)精確度。針對不同的應用和目的，精確度的需求有所不用。 
(4)同步期限。節點需要保持時間同步的時間長度可以是瞬時的，也可以和網路的壽命一樣長。 
(5)有效同步范圍。可以給網路內所有節點提供時間，也可以給局部區域的節點提供時間。 
(6)成本和尺寸。同步可能需要特定的硬體，另外，體積的大小也影響同步機制的實現。 (7)最大誤差。一組感測器節點之間的最大時間差，或相對外部標准時間的最大差。 3  現有主要時間同步方法研究 
時間同步技術是研究WSN的重要問題，許多具體應用都需要感測器節點本地時鍾的同步，要求各種程度的同步精度。WSN具有自組織性、多跳性、動態拓撲性和資源受限性，尤其是節點的能量資源、計算能力、通信帶寬、存儲容量有限等特點，使時間同步方案有其特
殊的需求，也使得傳統的時間同步演算法不適合於這些網路[2]
。因此越來越多的研究集中在設
計適合WSN的時間同步演算法[3]
。針對WSN，目前已經從不同角度提出了許多新的時間同步演算法[4]
。 
3.1  成對(pair-wise)同步的雙向同步模式 
代表演算法是感測器網路時間同步協議TPSN（Timing-Sync Protocol for Sensor 
Networks）[5~6]
。目的是提供WSN整個網路范圍內節點間的時間同步。 
該演算法分兩步：分級和同步。第一步的目的是建立分級的拓撲網路，每個節點有個級別。只有一個節點與外界通信獲取外界時間，將其定為零級，叫做根節點，作為整個網路系統的時間源。在第二步，每個i級節點與i-1（上一級）級節點同步，最終所有的節點都與根節點同步，從而達到整個網路的時間同步。詳細的時間同步過程如圖 1 所示。 
 

圖1  TPSN 同步過程 
 
設R為上層節點，S為下層節點，傳播時間為d，兩節點的時間偏差為θ。同步過程由節點R廣播開始同步信息，節點S接收到信息以後，就開始准備時間同步過程。在T1時刻，節點S發送同步信息包，包含信息(T1)，節點R在T2接收到同步信息，並記錄下接收時間T2，這里滿足關系：21TTd 
節點R在T3時刻發送回復信息包，包含信息(T1,T2,T3)。在T4時刻S接收到同步信息包，滿足關系：43TTd 
最後，節點S利用上述2個時間表達式可計算出的值：(21)(43)2
TTTT 
TPSN由於採用了在MAC層給同步包標記時間戳的方式，降低了發送端的不確定性，消除了訪問時間帶來的時間同步誤差，使得同步效果更加有效。並且，TPSN演算法對任意節點的同步誤差取決於它距離根節點的跳數，而與網路中節點總數無關，使TPSN同步精度不會隨節點數目增加而降級，從而使TPSN具有較好的擴展性。TPSN演算法的缺點是一旦根節點失效，就要重新選擇根節點，並重新進行分級和同步階段的處理，增加了計算和能量開銷，並隨著跳數的增加，同步誤差呈線性增長，准確性較低。另外，TPSN演算法沒有對時鍾的頻差進行估計，這使得它需要頻繁同步，完成一次同步能量消耗較大。 
3.2  接收方-接收方（Receiver-Receiver）模式 
代表演算法是參考廣播時間同步協議RBS（Reference Broadcast Synchronization）[7]
。RBS是典型的基於接收方-接收方的同步演算法，是Elson等人以「第三節點」實現同步的思想而提出的。該演算法中，利用無線數據鏈路層的廣播信道特性，基本思想為：節點(作為發
送者)通過物理層廣播周期性地向其鄰居節點（作為接收者）發送信標消息[10]
，鄰居節點記錄下廣播信標達到的時間，並把這個時間作為參考點與時鍾的讀數相比較。為了計算時鍾偏移，要交換對等鄰居節點間的時間戳，確定它們之間的時間偏移量，然後其中一個根據接收
到的時間差值來修改其本地的時間，從而實現時間同步[11]
。 
假如該演算法在網路中有n個接收節點m個參考廣播包，則任意一個節點接收到m個參考包後，會拿這些參考包到達的時間與其它n-1個接收節點接收到的參考包到達的時間進行比較，然後進行信息交換。圖2為RBS演算法的關鍵路徑示意圖。 
網路介面卡
關鍵路徑
接收者1
發送者
接收者2
 
圖2  RBS演算法的關鍵路徑示意圖 
 
其計算公式如下： 
,,1
1,:[,]()m
jkikkinjnoffsetijTTm
 其中n表示接收者的數量，m表示參考包的數量，,rbT表示接收節點r接收到參考包b時的時鍾。 

此演算法並不是同步發送者和接收者，而是使接收者彼此同步，有效避免了發送訪問時間對同步的影響，將發送方延遲的不確定性從關鍵路徑中排除，誤差的來源主要是傳輸時間和接收時間的不確定性，從而獲得了比利用節點間雙向信息交換實現同步的方法更高的精確度。這種方法的最大弊端是信息的交換次數太多，發送節點和接收節點之間、接收節點彼此之間，都要經過消息交換後才能達到同步。計算復雜度較高，網路流量開銷和能耗太大，不適合能量供應有限的場合。 
3.3  發送方-接收方(Sender-Receiver)模式 
基於發送方-接收方機制的時間同步演算法的基本原理是：發送節點發送包含本地時間戳的時間同步消息，接收節點記錄本地接收時間，並將其與同步消息中的時間戳進行比較，調整本地時鍾。基於這種方法提出的時間同步演算法有以下兩種。 
3.3.1  FTSP 演算法[8]
 
泛洪時間同步協議FTSP（Flooding Time Synchronization Protocol）由Vanderbilt大學Branislav Kusy等提出，目標是實現整個網路的時間同步且誤差控制在微秒級。該演算法用單個廣播消息實現發送節點與接收節點之間的時間同步。 
其特點為：(1)通過對收發過程的分析，把時延細分為發送中斷處理時延、編碼時延、傳播時延、解碼時延、位元組對齊時延、接收中斷處理時延，進一步降低時延的不確定度；(2)通過發射多個信令包，使得接收節點可以利用最小方差線性擬合技術估算自己和發送節點的頻率差和初相位差；(3)設計一套根節點選舉機制，針對節點失效、新節點加入、拓撲變化
等情況進行優化，適合於惡劣環境[12]
。 
FTSP演算法對時鍾漂移進行了線性回歸分析。此演算法考慮到在特定時間范圍內節點時鍾晶振頻率是穩定的，因此節點間時鍾偏移量與時間成線性關系，通過發送節點周期性廣播時間同步消息，接收節點取得多個數據對，構造最佳擬合直線，通過回歸直線，在誤差允許的時間間隔內，節點可直接通過它來計算某一時間節點間的時鍾偏移量而不必發送時間同步消息進行計算，從而減少了消息的發送次數並降低了系統能量開銷。 
FTSP結合TPSN和RBS的優點，不僅排除了發送方延遲的影響，而且對報文傳輸中接收方的不確定延遲（如中斷處理時間、位元組對齊時間、硬體編解碼時間等）做了有效的估計。多跳的FTSP協議採用層次結構，根節點為同步源，可以適應大量感測器節點，對網路拓撲結構的變化和根節點的失效有健壯性，精確度較好。該演算法通過採用MAC層時間戳和線性回歸偏差補償彌補相關的錯誤源，通過對一個數據包打多個時戳，進而取平均和濾除抖動較大的時戳，大大降低了中斷和解碼時間的影響。FTSP 採用洪泛的方式向遠方節點傳遞時間基準節點的時間信息，洪泛的時間信息可由中轉節點生成，因此誤差累積不可避免。另外，FTSP的功耗和帶寬的開銷巨大。 
3.3.2  DMTS 演算法[9]
 
延遲測量時間同步DMTS (delay measurement time synchronization) 演算法的同步機制是基於發送方-接收方的同步機制。DMTS 演算法的實現策略是犧牲部分時間同步精度換取較低的計算復雜度和能耗，是一種能量消耗輕的時間同步演算法。 
DMTS演算法的基本原理為：選擇一個節點作為時間主節點廣播同步時間，所有接收節點通過精確地測量從發送節點到接收節點的單向時間廣播消息的延遲並結合發送節點時間戳，計算出時間調整值，接收節點設置它的時間為接收到消息攜帶的時間加上廣播消息的傳輸延遲，調整自己的邏輯時鍾值以和基準點達成同步，這樣所有得到廣播消息的節點都與主節點進行時間同步。發送節點和接收節點的時間延遲dt可由21()dtnttt得出。其中，nt為發送前導碼和起始字元所需的時間，n為發送的信息位個數，t為發送一位所需時間；1t為接收節點在消息到達時的本地時間；2t為接收節點在調整自己的時鍾之前的那一時刻記錄的本地時間，21()tt是接收處理延遲。 

DMTS 演算法的優點是結合鏈路層打時間戳和時延估計等技術，消除了發送時延和訪問時延的影響，演算法簡單，通信開銷小。但DMTS演算法沒有估計時鍾的頻率偏差，時鍾保持同步的時間較短，沒有對位偏移產生的時間延遲進行估計，也沒有消除時鍾計時精度對同步精度的影響，因此其同步精度比FTSP略有下降，不適用於定位等要求高精度同步的應用。 
基於發送方-接收方單向同步機制的演算法在上述三類方法中需要發送的時間同步消息數目最少。發送節點只要發送一次同步消息，因而具有較低的網路流量開銷和復雜度，減少了系統能耗。 
4  結論 
文章介紹了WSN時間同步演算法的類型以及各自具有代表性的演算法，分析了各演算法的設計原理和優缺點。這些協議解決了WSN中時間同步所遇到的主要問題，但對於大型網路，已有的方法或多或少存在著一些問題：擴展性差、穩定性不高、收斂速度變慢、網路通信沖突、能耗增大。今後的研究熱點將集中在節能和時間同步的安全性方面。這將對演算法的容錯性、有效范圍和可擴展性提出更高的要求。 

『貳』 為什麼在WSN中需要時間同步請舉出至少三個例子。

因為WSN在物理上的分散性，加上其他因素的影響使得本地時鍾與全局時鍾存在失步。時間同版步不僅是無線感測器權網路各種應用正常運行的必要條件，並且還直接決定了其他服務的質量。一、在以廣播的方式向很多接收者發送參考報文的時候二、在一個目標跟蹤系統中,可能存在下面的潛在時 間同步要求:通過波束陣列確定聲源位置進行目標監測,波束陣列需 要使用公共基準時間.如果用分布式無線感測器節點實現波 束陣列,就需要局部節點間的瞬時時間同步,允許的最大誤 差為100s.通過目標相鄰位置的連續檢測,估計目標的運動 速率和方向.這種時間同步機制要求的時間同步長度和地理 范圍都要比波束陣列大,精度相應有所降三、在戰場通信、搶險救災和公共集會等突發性、臨時性場合。保持節點之間時間上的同步在無線感測器網路中非常重要，它是保證無線感測網路中其他通信協議的前提因為WSN在物理上的分散性，加上其他因素的影響使得本地時鍾與全局時鍾存在失步。時間同步不僅是無線感測器網路各種應用正常運行的必要條件，並且還直接決定了其他服務的質量。

『叄』 時鍾同步的簡介

所謂系統中各時鍾的同步，並不要求各時鍾完全與統一標准時鍾對齊。只要求知道各時鍾與系統標准時鍾在比對時刻的鍾差以及比對後它相對標准鍾的漂移修正參數即可，勿須撥鍾。只有當該鍾積累鍾差較大時才作跳步或閏秒處理。因為要在比對時刻把兩鍾「鍾面時間對齊，一則需要有精密的相位微步調節器會調節時鍾用動源的相位，另外，各種驅動源的漂移規律也各不相同，即使在兩種比對時刻時鍾完全對齊，比對後也會產生誤差，仍需要觀測被比對時鍾驅動源相對標准鍾的漂移規律，故一般不這樣做。在導航系統用戶設備中。除授時型接收機在定位後需要調整1PPS信號前沿出現時刻外（它要求輸出秒信號的時刻與標推時鍾秒信號出現時刻一致），一般可用數學方法扣除鍾差。時間同步的另一種方法是用無線電波傳播時間信息。即利用無線電波來傳遞時間標准．然後由授時型接收機恢復時號與本地鍾相應時號比對，扣除它在傳播路徑上的時延及各種誤差因素的影響，實現鍾的同步。隨著對時鍾同步精度要求的不斷提高，用無線電波授時的方法，開始用短波授時（ms級精度），由於短波傳播路徑受電離層變化的影響，天波有一次和多次天波，地波傳播距離近，使授時精度僅能達到ms級。後來發展到用超長波即用奧米伽台授時，其授時精度約10μs左右，後來又用長波即用羅蘭C台鏈兼顧授時，其授時精度可達到μs，即使羅蘭C台鏈組網也難於做到全球覆蓋。後來又發展到用衛星鍾作搬鍾。用超短波傳播時號．通過用戶接收共視某顆衛星，使其授時精度優於搬鍾可達到10ns精度。看來利用衛星授時是實現全球范圍時鍾精密同步的好辦法，只有利用衛星，才可在全球范圍內用超短波傳播時號；用超短波傳播時號不僅傳遞精度高，而且可提高時鍾比對精度，通過共視方法，把衛星鍾當作搬運鍾使用，且能使授時精度高於直接搬鍾，直接搬鍾難於使兩地時鍾去共視它。共視可以消除很多系統誤差以及隨時間慢變化的誤差，快變化的隨機誤差可通過積累平滑消除。

『肆』 有沒有做的精度比較高的無線時間同步感測器網路的方案

覺得目前研究的較多，實際應用高精度的不多，參考下慧聚通信的無線同步解決方案，看介紹能到0.8us時間同步。一般無線時間同步感測器網路的組網要求較高，保持高精度時間同步更是難點。

『伍』 網路時間同步是什麼

同步你電腦上的時間，標准化

『陸』 串列同步通信「時鍾同步」怎麼理解

接收端的時鍾同步不是為了獲得和發端完全相同的絕對時間，而是為了獲得和接收到的數據對齊的時鍾信息，以便能夠從接收到的數據波形中正確恢復出數據。
現實中不存在絕對精確的時鍾，標稱值同樣是1MHz，發端和接收端的時鍾總會存在差異，如果接收端不進行時鍾同步，而是使用自己本地的時鍾，則足夠長的時間後接收到的數據總會出現不可預知的重復或丟失，導致接收錯誤。
因此發端必須將與數據速率相關的時鍾信號傳輸給接收端，時鍾信號可以走單獨的信號線，也可以用一定的方式隱含在數據信號中。接收端對此時鍾信號進行同步，從而能夠「不多也不少」地從接收的數據波形中恢復數據。
另外傳輸過程中，數據信號多少會發生一定的畸變，時鍾同步的另外一個作用是保證接收端在波形畸變最少的時刻恢復數據，減少出錯概率

『柒』 有沒有辦法讓兩個無線模塊保持時間同步誤差要小。

一般情況下，你可以使用GPS秒脈沖保持模塊的時間同步，誤差1us以內，但是得加個版GPS模塊。
也可以找下權可以對時的RF無線模塊，比如，慧聚無線同步模塊也能達到0.8us同步精度，可以了解下，無需再加GPS模塊，也省成本。

『捌』 時間同步的無線電波授時

時間同步的另一種方法是用無線電波傳播時間信息。即利用無線電波來傳遞時間標准．然後由授時型接收機恢復時號與本地鍾相應時號比對，扣除它在傳播路徑上的時延及各種誤差因素的影響，實現鍾的同步。
隨著對時鍾同步精度要求的不斷提高，用無線電波授時的方法，開始用 授時（ms級精度），由於短波傳播路徑受電離層變化的影響，天波有一次和多次天波，地波傳播距離近，使授時精度僅能達到ms級。後來發展到用超長波即用奧米伽台授時，其授時精度約10μs左右，後來又用長波即用羅蘭C台鏈兼顧授時，其授時精度可達到μs，即使羅蘭C台鏈組網也難於做到全球覆蓋。後來又發展到用衛星鍾作搬鍾。用超短波傳播時號．通過用戶接收共視某顆衛星，使其授時精度優於搬鍾可達到10ns精度。

『玖』 如何做到兩個無限模塊的時鍾同步

一般不會采樣這種方法來計算距離，除非有足夠大的距離。
兩個模塊的時回鍾一定要同答步，而且是嚴格同步，誤差是要小於某個數值的。
模塊的時鍾同步之後，發送數據的同時將本地時鍾也發過去，對方收到數據的同時記錄本地鍾，兩個時鍾之差，即是數據傳輸需要的「時間」.
這里的時間打因為還包括信號編碼->調制->解調->解碼。只有當傳輸的時間遠遠大小這個時間，才可以將這個時間忽略，所以要有足夠大的距離。
一般是不會通過這個方法來計算距離的。

『拾』 無線設備組網後，實現無線時間同步真的很難嗎

不難啊 你只要有無線控制器就好了，如果想自己設置時間進行同步的話，那麼就要有時鍾同步伺服器了