无线传感网络中的时钟差

❶ 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。 

❷ 时钟偏差和时钟抖动是如何产生的哪些因素可以造成时钟偏差，哪些可造成时钟抖动减少时钟偏差和抖动的

时钟偏差是由于布线长度及负载不同引起的，导致同一个时钟信号到达相邻两个时序单元的时间不。时间偏移无法避免，布线长度你是无法达到一致的。可以采用FPGA设计中，主要的时钟信号走全局时钟网络以避免时钟偏移现象。其中该网络采用全铜工艺和树状结构，又专用的时钟缓冲和驱动网络。减少延迟。时间抖动定义为定，一般采用两个参数描述：周期抖动一般比较确定，又外部原因造成，如干扰、电源、噪声。周期间抖动又环境因素造成，具有不确定性，满足高斯分布。措施相应减少外界的影响

❸ 现在，无线传感网络的时间同步一般能做到多少精度，微秒，毫秒

常见的低精度的一般基于zigbee之类的可以做到几十毫秒，产品也很多。做高精度的相对比较少，之前接触一家慧聚公司的syn1000高精度模块，据说可以达到1微秒内，可以去找找看。

❹ 通信如何建立同步时钟

同步通信方式要求通信双方以相同的时钟频率进行，而且准确协调，通过共享一个单个时钟或定时脉冲源保证发送方和接收方的准确同步。
时钟同步是同步无线通信网络的重要基础，是无线信号正确接收、时分多址接入、功率控制、同步跳频等功能的核心技术之一。无线通信网络中各节点拥有独立的硬件时钟，硬件时钟通过晶体振荡器和计数器来进行计时，由于制作工艺、外界环境、硬件老化等原因，各节点硬件时钟的晶体振荡器的频率之间存在差异，因此完成节点时钟之间的频率同步是网络节点之间时间同步的重要保障。[0004]现有技术中一类是依赖外部时钟源来完成无线通信网络节点间的时间同步。比如利用GPS、北斗等卫星授时系统进行无线通信网络的时间同步，在节点中集成相应的时标信号接收装置，无线通信网络中的各个节点独立的与卫星授时系统的时间进行同步，以完成整网的时间同步。
[0005]利用IEEE1588(网络测控系统精准时钟同步协议)授时进行无线通信网络的时间同步，需要在网络外接稳定的时钟源，逐级完成无线通信网络的时间同步。[0006]利用GPS、北斗等卫星授时系统进行无线通信网络的时间同步方案，需要在网络节点中集成时标信号接收设备，增加网络节点的成本，并且当卫星授时信号受到干扰或者在信号强度较弱的场景下，网络同步精度不能保证。[0007]利用IEEE1588(网络测控系统精准时钟同步协议)授时进行无线通信网络的时间同步方案，需要外接稳定的时钟源，增加无线通信网络的成本及实现难度，同时此种方案需要稳定可靠的时钟传输网络才能保证时间同步的稳定性，对于无线通信网络而言难以实现。[0008]另一类是通过在无线通信网络的节点间建立层级关系，逐级的完成时间同步。此种时间同步方案通过选择时钟跟踪源节点，当前节点只与选择的跟踪源节点进行时间同步。[0009]当无线通信网络中节点之间的频率偏差较大时，导致节点间低阶调制也无法正常通信，此时节点无法接收到时钟跟踪节点的时间同步信息，因此不能保证无线通信网络时间同步的顺利完成。并且节点之间的频率差会导致时钟计时速度的差异，影响时间同步精度。

❺ 无线传感网络求助

全新物联网安防系统
本系统通过物联网及传感网络的深入运用，实现了特定区域的安全防范以及智能控制等功能，结合人机对话以及逻辑判断技术使得系统更加灵活具有前瞻性。
系统采取独立设计，根据用户需求对系统的各项配置进行有针对性的组合，在满足用户需求的前提下，可有效避免系统的同一性（即任何2套系统之间都有较大区别），保证了系统的唯一性，并且预留用户自我修改界面，可方便用户自行对系统的各种状态进行修改。
功能说明：
安全防范部分
安防部分分为三部分1.外围周界检测及防御 2.过渡区检测及防御 3.核心区域检测及紧急防御。
1.外围周界检测及防御
此部分主要对周界进行智能分析检测，可对外围徘徊进行语音警告，并对翻越人员进行有效防御，采取智能检测可有效避免误检和漏检，通过软件智能分析可有效区分人员动物或干扰。
2.过渡区检测及防御
过渡区位于外围防御区与核心区域之间，对于住宅用户既院落部分，系统对于此部分采取跟踪定位，当外围区域被侵入后迅速定位侵入人员并启动防御措施对其进行防御，同时可结合视频设备对其进行抓拍，防御手段可根据用户要求进行有针对性的定制。
3.核心区域防御
此区域为住宅的居住部分，包括门窗的检测防御，以及会客区的紧急防御等功能，同时对房屋的主要出入口采取缓冲措施，即对出入口区域设定缓冲区，当缓冲区内存在多人的情况下系统需要多人全部身份验证后才可允许进入，可有效避免跟随以及人员内外结合进入的可能性。
紧急防御功能，此功能只在有访客到来以及核心区域被侵入的情况下才可启动，在特殊情况下保护用户的安全，同时避免了无侵入情况下的误触发的可能性。以上三个部分相互协同相互感知，彼此相互联动，大大的加强了系统的稳定性及安全性。
并且系统还具备完善的燃气泄露及消防报警功能系统在有燃气设备的区域设置了燃气检测及处理功能，当系统发现某一区域燃气浓度超标时，将第一时间通知用户不要进入，同时系统自动根据现场条件进行处理，例如关闭燃气总阀，打开通风设备以及切断相应区域电源等一系列措施，确保用户人身安全，当系统检测已无危险时会自动解除相应状态同时通知用户危险已经解除，火灾等突发情况处理同样。
同时我们充分考虑到各种不确定因素，为系统设置了备用电源系统确保住宅供电失常情况下，系统可保持一定时间的正常使用，通讯畅通无阻，避免有不法分子企图通过切断电源来入侵系统。

智能家居部分
传统智能家居无法摆脱大量的遥控器以及面板式的操作，而本系统无需任何额外的操作即可享受系统带来的高度智能化得家居享受。
1.灯光控制
在房屋各个功能区采取出入口控制以及区域定位技术，将采集数据反馈到处理单元，对数据统一分析处理并发送至控制单元，通过控制输出对各个功能区灯光进行调节控制，模式改变等。同时设置本地控制开关与系统并联使用，通过简单的操作可以进行灯光场景的设置，方便用户根据不同的使用要求进行不同的选择。
在客厅部分，系统通过出入口计数来判断区域人员数量，同时结合室内光线强度自动开启灯具，并调节光亮度以达到舒适的光线，系统根据门禁系统反馈信号，调用访客数据对客厅区域灯光模式进行选择，可由用户自行定制不同的会客以及休息等模式下，灯光开启方式数量强弱等。
在餐厅区域，系统根据处理单元自带系统时钟，以及光线条件以及人员移动，来自动调节控制灯光模式数量等，同样用户可根据个人喜好轻松DIY各种控制模式，彰显个人品味。
在主卧室设置光线感应器，可根据室内的光线来调节照明灯的亮度，以寻求最舒适的感受，同时结合人员定位当无人时自动延时关闭灯光，当用户起夜时系统将自动为其开启床头灯，同时根据其移动轨迹开启相应区域灯，避免影响他人休息。
同时灯光系统可与安防系统联动，当家中无人时如有不法分子妄想偷窃财务，系统将自动开启个别区域的灯光吓止其企图。
对于室外、装饰、泛光等照明方式的控制，将根据用户需求进行设计同时预留多种方案供用户自行切换。本系统还可以提供其它各种智能控制功能，尤其是该系统灵活方便，可根据用户的不同要求随时方便的更改，而不必对现场线路进行任何改动
2.门窗控制系统
本系统具有完善的门窗及窗帘控制功能，对于门的控制系统根据门禁系统反馈信号，通过控制输出单元直接控制电控锁的开关。窗及窗帘的控制系统采取多种控制方式，例如卧室窗的控制，系统可根据室内空气成分以及外部天气自动开窗通风，也可根据人员位置开关，还可以根据传感信号用户自选开关。卧室窗帘控制我们采取人性化控制，系统检测用户是否起床，外部光线条件，以及卧室区域是否有人等进行分析判断决定其开启或关闭，同时保留手动开关定时开关等功能供用户自由搭配选择使用。
3.居家电器控制
居家电器控制部分，系统实现了无操作自动服务，即所有电器设备只要与系统相连即可根据用户预先设定的工作模式，系统根据人员移动自动开启，以热水器为例，当用户设定好其工作模式后（水温，水量等），当用户回家或到预定时间后将自动运行至所需条件，同时也可远程设定各种参数，当用户使用时一切都已准备就绪，所有电器设备的控制我们根据用户喜好进行设计，同时预留多种模式搭配供用户自行切换使用

人机界面部分
人机界面系统是本系统实现，用户与系统沟通的窗口。我们在设计时充分征求用户意见及喜好，为其量身定做适合其个人品味的人机窗口，方便用户在系统使用过程中随时根据自己的喜好及需求对系统进行修改，轻松便捷轻松点击鼠标即可完成各种功能的搭配。

❻ 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。

❼ 新买的wifi对时电子钟比手机时间快二秒是何原因

网络时间和实际时间不一样
WIFI电子钟授时网络是由以太网授时服务器或本地授时服务器、交换机、WIFI AP和WIFI电子钟组成。以太网授时服务器或本地授时服务器时间源为GPS、北斗或CDMA网络，以NTP协议向外提供授时工作，授时服务器时间走时精度高，偏差小
WIFI网络时钟具有精度高、功能强、稳定性好、无积累误差、不受气候地域等环境条件限制、性价比高、操作简单、免维护等特点，全自动智能化运行，适合无人值守。

❽ 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。

❾ 计算机网络中的时钟问题

计算机的时钟，有两层意思：1.时间基准；2.实际的时间。时间基准，一般都是以1秒为时钟基准。别小看这一秒钟。所谓基准，就是对这一秒钟有非常苛刻的要求。当然主要是误差量的要求，中国计量科学研究院研制的NIM5铯原子喷泉钟，2000万年不差一秒，成为国际计量局认可的基准钟之一。假如能取这种原子钟作为计算机的时钟标准，那么计算机的计算过程中，就决不会出错。而实际的应用计算机时钟，是计算机本身自己产生的，由晶体震荡电路组成的，具体指的就是计算机中的CPU时钟芯片部分。一个CPU主频可以是几百兆上千兆，现在用的都是G级，比如2.4G、2.8G、3.2G等等，就是计算机的时钟基准（时间基准）。因为：f=1/T 。实际时间，是指实时的时间，比如现在的实际时间是2018年12月2日19：36:16秒。网络中的时钟，既有时间基准要求，更多的是实际时间的同步。时间基准要求是网络正常运行的基本保证，时间基准误差太大，就会造成网络链接混乱，通信混乱。而实际时间不能同步，网络就会失去控制和管理的功能。