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传感网是感知万物的关键触手，是微机电系统、计算机、通信、自动控制、人工智能等多学科交叉的综合性技术。传感网将自组网技术与传感器技术相结合，实现协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息并发送给用户。传感网的核心技术包括RFID、网络协议（MAC协议、路由协议等）、定位和时间同步等，下面将分别进行简要介绍。
自组织网络（Ad Hoc Network），简称自组网，是一种自治多跳无中心网络。用户终端可以随意地自主进入和离开网络，任一节点出现故障并不会影响整个网络的正常运行，具备很强的抗毁性，为军事通信、临时通信和灾区救援等场景提供有效的基础支撑。随着移动通信技术的飞速发展和普及，自组网将成为移动通信的核心技术之一，被广泛地应用于军事、民用和工业等各个领域。
1. 基本概念
自组网是由一组带有无线转发装置的移动节点组成的无中心网络，其不依赖于预设的基础设施，网络节点基于自身的无线转发装置自由组网以实现通信。当交互节点不在彼此的通信范围内时，须借助其他中间节点转发数据分组实现多跳通信。自组织网络起源于1968年美国夏威夷大学建立的ALOHA网络，随后于1973美国又提出了PR（Packet Radio）网络。IEEE在开发802.11标准时，提出将PR网络改名为Ad Hoc网络，即今天我们常说的自组网。
自组网具备以下特点：
（1）无中心对等网络。常规网络中存在路由器、服务器、基站等控制设备，用户终端通过这些控制设备实现通信，因此终端与这些设备的地位是不对等的。自组网没有严格的控制设备，网络节点兼备终端和路由功能，所有节点地位平等。
（2）网络拓扑动态变化。网络节点随机移动、节点自主关机/开机、无线信道干扰等因素，导致节点间通过无线链路形成的网络拓扑结构频繁变化。
（3）多跳通信方式。节点的发射功率受限，节点通信范围有限。当网络节点与其通信范围之外的节点进行通信时，须借助中间节点中继转发数据分组才能实现。
（4）传输带宽受限。由于自组网采用无线传输技术，无线信道自身的物理特性决定了所能提供的带宽比有线信道要小。此外，共享信道竞争产生的碰撞、干扰、信号衰减等因素，使得每个节点使用的实际带宽远小于理论上的物理带宽。
（5）有限的节点能量。网络节点的能量大多由电池供应，电池的能量是有限的，这限制了节点的能量使用。
（6）安全问题。自组网比固定的有线网络容易遭受链路层的攻击、被窃听和破坏。
2. 应用领域
自组网因具备自组织、自管理、大规模和抗毁性强等特点，受到军民等领域的广泛关注。随着自组网及其相关技术的快速发展，自组网将会在以下场景中得到更广泛的应用。
（1）军事领域。在战争环境中，基站等通信设备经常会遭到对方的攻击，由于自组网不依赖于预设的基础设施，这为作战通信带来了巨大的帮助和支撑。依赖于自组网，无人机集群网络应运而生，并被广泛应用于军事作战场景中，如紧急救援、侦察与监控。
（2）车联网。随着智能驾驶技术的发展和普及，车辆间的信息传输也变得频繁，基于自组网搭建的车联通信系统也得到了广泛的应用，称为车联网。每辆车被看作网络中的一个节点，能够感知周围的车流量和事故信息，并将所感知的信息发送给其他车辆或后端数据库，以改善行车效率，减少交通事故等事件的发生。
（3）无线传感网络。传感器作为收集特定信息的设备已被广泛应用于生活中的各个领域，大量的数据信息需要在网络中传输。然而在很多环境下，传感器难以通过固定的设备进行信息传输，这需要依靠自组网来解决。
（4）个人域网络。也称为体域网，仅包含与个体相关的设备，这些设备无法与广域网连接。蓝牙技术是一种典型的个人域网络技术，但其只能用于室内近距离通信。因此，自组网为建立PAN与PAN之间的多跳互联提供了可能。一个典型的应用是个体健康监测，基于自组网，将个体监测设备、医护人员终端设备及后端医疗分析设备相连，以随时随地对患者健康状况进行监测和评估。
（5）紧急救灾。在紧急突发情况下，由于自然灾害（如地震、海啸等）或其他各种原因导致网络基础设备被破坏，此时可借助自组网技术快速搭建临时网络，以提供可靠通信，从而减少营救时间和灾难带来的危害。
1. 基本概念
RFID是一种无线通信技术，可以通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无须识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。射频识别最重要的优点是非接触识别，它能穿透雪、雾、冰、涂料、尘垢和条形码无法使用的恶劣环境阅读标签，并且阅读速度极快，大多数情况下不到100ms。
RFID技术的优势不在于监测设备及环境状态，而在于“识别”。即通过主动识别进入磁场识别范围内的物体来做相应的处理。RFID不是传感器，它主要通过标签对应的唯一ID号识别标志物。而传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息按一定规律变换为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
2. RFID系统组成
射频识别系统主要由三部分组成：电子标签、天线、阅读器。此外，还需要专门的应用系统对阅读器识别做相应处理，如图1-5所示。
图1-5 射频识别系统的组成结构
1）电子标签
电子标签也称射频标签、应答器，由芯片及内置天线组成。芯片内保存有一定格式的电子数据，作为待识别物品的标识性信息，是射频识别系统的数据载体。内置天线用于和射频天线间进行通信。
2）阅读器
阅读器是读取或读/写电子标签信息的设备，主要任务是控制射频模块向标签发射读取信号，并接收标签的应答，对标签的对象标识信息进行解码，将对象标识信息连带标签上其他相关信息传输到主机以供处理。
3）天线
天线是标签与阅读器之间传输数据的发射/接收装置。
3. 基本工作原理
RFID电子标签技术是物联网的核心技术，是能够让物品自我介绍的一种技术。它采集物品的信息，并给它贴上特定的标签，通过无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息系统，实现物品（商品）的识别，进而通过开放性的计算机网络实现信息交换和共享，实现对物品的“透明”管理。
RFID技术的基本工作原理是：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签）；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。
一套完整的RFID系统由阅读器（Reader）与电子标签（Tag）也就是所谓的应答器（Transponder）及应用软件系统三部分组成，其工作原理是Reader向Transponder发射一特定频率的无线电波能量，用以驱动Transponder电路将内部的数据送出，此时Reader就依序接收解读数据，送给应用程序做相应的处理。
RFID卡片阅读器及电子标签之间的通信及能量感应方式大致可以分成：感应耦合（Inductive Coupling）及后向散射耦合（Backscatter Coupling）两种，一般低频的RFID大都采用第一种方式，而较高频的RFID大多采用第二种方式。
（1）感应耦合：依据电磁感应定律，通过空间高频交变磁场实现耦合。感应耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离RFID系统。
（2）后向散射耦合：依据电磁波的空间传播规律，发射出去的电磁波碰到目标后发生反射，从而携带回相应的目标信息。后向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离RFID系统。
通俗的理解，感应耦合这种方式主要应用在低频（LF）、高频（HF）波段，由于低频RFID系统的波长更长，能量相对较弱，因此主要依赖近距离的感应来读取信息。后向散射耦合主要应用在高频、超高频（UHF）波段，由于高频率RFID系统的波长较短，能量较高。因此，阅读器天线可以向标签辐射电磁波，部分电磁波经标签调制后反射回阅读器天线，经解码以后发送到中央信息系统接收处理。
阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是RFID系统信息控制和处理中心。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。在实际应用中，可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。应答器是RFID系统的信息载体，目前应答器大多是由耦合元件（线圈、微带天线等）和微芯片组成的无源单元。
4. RFID系统分类
目前，按照RFID系统使用的频率范围，可将RFID系统划分为四个应用频段：低频、高频、超高频和微波，如表1-1所示。其中，LF和HF频段RFID电子标签一般采用电磁耦合原理（电磁感应），而UHF及微波频段的RFID一般采用电磁发射（电磁传播）原理。
表1-1 RFID系统分类
1）低频射频标签
低频射频标签简称为低频标签，其工作频率范围为30～300kHz。典型工作频率有125kHz和133kHz。低频标签一般为无源标签，其工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。低频标签与阅读器之间传送数据时，低频标签需要位于阅读器天线辐射的近场区内。低频标签的阅读距离一般情况下小于1m。
典型应用：动物识别、容器识别、工具识别、电子闭锁防盗（带有内置应答器的汽车钥匙）等。
2）高频射频标签
高频射频标签的工作频率一般为3～30MHz。典型工作频率为13.56MHz。该频段的射频标签，因其工作原理与低频标签完全相同，即采用电感耦合方式工作，所以宜将其归为低频标签类中。但另外，根据无线电频率的一般划分，其工作频段又称为高频，所以也常将其称为高频标签。
高频标签一般也采用无源为主，其工作能量同低频标签一样，也通过电感（磁）耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。标签与阅读器进行数据交换时，标签必须位于阅读器天线辐射的近场区内。中频标签的阅读距离一般情况下也小于1m。
典型应用：电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗（电子遥控门锁控制器）、小区物业管理、大厦门禁系统等。
3）超高频、微波射频标签
超高频与微波频段的射频标签简称为微波射频标签，其典型工作频率有433.92MHz、862（902）～928MHz、2.45GHz、5.8GHz。
微波射频标签可分为有源标签与无源标签两类。工作时，射频标签位于阅读器天线辐射场的远场区内，标签与阅读器之间的耦合方式为电磁耦合方式。阅读器天线辐射场为无源标签提供射频能量，将有源标签唤醒。相应的射频识别系统阅读距离一般大于1m，典型情况为4～6m，最大可达10m以上。阅读器天线一般均为定向天线，只有在阅读器天线定向波束范围内的射频标签可被读/写。由于阅读距离的增加，应用中有可能在阅读区域中同时出现多个射频标签的情况，从而提出了多标签同时读取的需求。
典型应用：铁路车辆自动识别、集装箱识别，还可用于公路车辆识别与自动收费系统。
5. 应用实例
1）交通管控
ETC系统，即通常所说的不停车收费系统，它是以现代通信技术、电子技术、自动控制技术、计算机和网络技术等高新技术为主导，实现车辆不停车自动收费的智能交通电子系统。
当装有RFID标签的车辆在0～10m范围内接近ETC读写器时，ETC读写器受控发出微波查询信号，安装在受查车辆固定位置的电子标签收到读写器的查询信号后，将此信号与电子标签自身的数据信息（如高速里程）反射回读卡器。这种技术可以减少人为的乱收费现象，同时提高通关速度、防止堵车。
ETC系统要求RFID能够实现至少10m的远距离识别。由于技术要求和实际情况的不同，所采用的读卡器的型号也不同。日本、美国、中国等大多数国家的标准定在5.8～5.9GHz频段。在我国选用5.8GHz频段，具有如下优点：首先，我国通信系统标准体系靠近欧洲体系，无线电频率资源的分配大致相同；其次，5.8GHz频段背景噪声小，而且解决该频段的干扰和抗干扰问题要比解决915MHz、2.45 GHz频段时容易。
2）监狱司法
监狱智能管理系统可以安全可靠地区分、识别劳动教育人员、管理人员，将管理系统中每个人的信息和现实中的每个人一一对应，从真正意义上实现劳教所管理信息化。其应用是服刑人员佩带腕式标签，在监狱的主要出入口装上阅读器和定位器，当服刑人员到达定位器的有效感应区域的时候，定位器就把自身的位置信息发送给腕式标签，腕式标签再将接收到的位置信号和自身的ID信息传递给阅读器，由阅读器将信息传递给计算机系统，并统一分析腕式标签的ID信息和地址信息是否正常、腕式标签的活动状态是否异常。如果发现异常，则发出警报，通知监狱管理人员。
感应式电子巡更通过采用RFID技术，将巡逻人员在巡更巡检工作中的时间、地点及情况自动准确记录下来。感应式电子巡更和标签无须接触，即可通过相互之间的电波对射达到读卡效果，避免接触带来的磨损。这种腕带能够实时监控服刑人员的个人信息和活动信息。但是，这种腕带是可摘除的，这对防止服刑人员逃逸似乎没什么作用。
3）流通领域
RFID技术使合理的产品库存控制和智能物流技术成为可能。它在物流行业的应用流程是：每个产品出厂时都被附上电子标签，然后通过读写器写入唯一的识别代码，并将物品的信息录入到数据库中。此后装箱销售、出口验证、到港分发、零售上架等各环节都可以通过读写器反复读写标签。标签就是物品的“身份证”。借助电子标签，可以实现对原料、半成品、成品、运输、仓储、配送、上架、最终销售，甚至退货处理等环节进行实时监控。RFID技术提高了物品分拣的自动化程度，降低了差错率，使整个供应链管理显得透明而高效。
4）防伪领域
目前，国际防伪领域逐渐兴起的RFID技术，其优势已经引起了广泛的关注：非接触、多物体、移动识别；企业加入防伪功能简单易行；防伪过程几乎不用人工干预；防伪过程中标签数据不可见、无机械磨损、防污损；支持数据的双向读写；与信息加密技术结合，使标签不易伪造；易于与其他防伪技术结合使用。
工作频率在UHF（860～960MHz）的RFID技术读写距离达到10m，而且无源被动式射频标签成本低，因此在供应链管理领域受到了广泛的关注。它利用无线射频方式进行非接触双向通信，以达到识别目的并交换数据。与其他防伪技术如激光防伪、数字防伪等技术相比，无线射频识别技术防伪的优点在于：每个标签都有一个全球唯一的ID号码——UID，UID是在制作芯片时放在ROM中的，无法修改，无法仿造；无机械磨损，防污损；读写器具有不直接对最终用户开放的物理接口，保证其自身的安全性；数据安全方面除标签的密码保护外，数据部分可用一些算法实现安全管理。
国际上，在护照防伪、电子钱包等方面已可以在标准护照封面或证件内嵌RFID标签，其芯片同时提供安全功能并支持硬件加密，符合ISO 14443的国际标准。国内在此领域也已经形成了相当规模的应用，二代身份证的推广应用就是此方面的典型代表。相信这一技术很快会在其他的重要证件发放管理中得到广泛应用。非法企业生产假冒伪劣产品、以次充好、牟取暴利，不法人员伪造证件等违法犯罪行为给社会造成了极大的危害，严重影响了社会秩序，影响了国家的经济建设。RFID防伪技术的广泛应用不仅将为企业带来直接的经济效益，还将为国家相关管理部门正确、及时、动态、有效地监管特殊物品生产经营单位的生产状况，打击和取缔非法生产活动，堵塞管理漏洞，消除安全隐患，保障国家和人民的生命财产安全，为国民经济持续发展提供有力的技术保障。
1. 基本概念
MAC（Medium Access Control）即介质访问控制。在无线网络中，MAC协议用于制定网络节点接入无线信道的规则，能够使数据报文的传输冲突减少并缩短等待接入信道的时间，以提升网络性能。
2. 主要体现方面
1）能量效率
能量效率表示网络节点传输单位数据所需要消耗的能量。有的无线网络节点部署在难以提供持续电源的环境中，此时能量效率对于降低能耗、提升网络寿命起着至关重要的作用。
2）可拓展性
可拓展性表示网络在面对环境变化时的适应能力。无线网络因其成本低廉、部署灵活的优势，常常应用于陌生或恶劣的环境中，因此需要网络对无线信道性能、数据流量、拓扑结构的变化具有足够的适应力。
3）网络效率
网络效率综合表示网络的各类性能，与有线网络相似，无线网络效率包括时延、吞吐率、公平性、可靠性等。
4）算法复杂度
算法复杂度包括时间复杂度和空间复杂度。由于无线网络节点通常结构简单，电量供应也比较受限，在无线网络节点上运行的算法也需要尽量减少其占用的存储空间和运算力。
3. 面临的问题
无线网络MAC协议运行包括感知、通信、计算三个主要模块。
（1）感知：无线节点在传输数据前可通过侦听信道确定信道是否空闲，但也存在隐藏端和暴露端问题。无线节点还可通过休眠来节省能量，休眠过程中也需要定期或不定期地侦听信道，确定是否有报文需要收发。
（2）通信：无线节点需要合理规划数据收发时机及信道选择，尽量减少无线信号的冲突，提升能量效率和网络性能。
（3）计算：无线节点的计算能力和供电通常比较受限，过于复杂的计算会严重影响网络的性能与寿命。
4. MAC协议分类
（1）根据信道分配策略的不同，MAC协议可分为竞争型MAC协议、非竞争型MAC协议和混合型MAC协议。
（2）根据流量产生模式不同，MAC协议可分为时间触发型MAC协议、事件触发型MAC协议和混合触发型MAC协议。
（3）根据MAC协议使用的信道数目不同，MAC协议可分为单信道MAC协议和多信道MAC协议。
（4）根据协议的部署方式不同，MAC协议可分为集中式MAC协议和分布式MAC协议。
以第二种分类为例，简要介绍三种协议。
时间触发型MAC协议：各发送节点依一定的频率传输数据报文，其特点是数据流量稳定，易于预测。时分复用等MAC协议可以保证稳定的低时延，得到广泛使用，功率域信道复用技术的发展也有助于提升该类型MAC协议的性能。
事件触发型MAC协议：各发送节点在随机时间传输数据报文，其特点是数据流量随机，难以预测，不利于预先安排各节点接入信道的时间，而随机接入信道的MAC协议可以灵活安排有需求的节点传输报文 [14] 。
混合触发型MAC协议：介于上述两者之间，数据流量分批产生，各批次流量随机生成，同批次流量内数据定期传输，因此其数据可以在一定程度上预测。混合触发型MAC协议需要合理利用混合型流量场景中流量的规律性 [15] 。
1. 基本概念
在自组网中，数据需要通过多跳通信方式传输，因此路径选择算法是网络层设计的一个主要任务。路由协议是自组网的关键技术之一，主要负责寻找一条从源节点到目的节点的最优路径以满足不同服务质量。数据分组将沿该路径进行转发和传输。
2. 主要分类
当前自组网路由协议主要分为基于网络拓扑路由协议、基于地理位置信息路由协议和基于机器学习路由协议。
（1）基于网络拓扑路由协议
基于网络拓扑路由又可分为静态路由、主动路由、按需路由和混合式路由四类。
静态路由基于固定的路由表路由，仅适用于网络拓扑不变的业务环境，对网络拓扑变化的业务环境是不适用的。常见的静态路由包括负载携带和传递路由（Load Carry and Deliver Routing，LCAD） [16] 与数据中心路由（Data Centric Routing，DCR）。LCAD是自组网发展初期使用的静态路由算法，其优点是可同时增强网络安全和提高网络吞吐量；缺点是平均端对端时延随网络成员之间通信视距的扩大而迅速上升。DCR可满足小规模自组网中多对一的分组传递要求，但不适用于大规模组网。
主动路由可定期更新路由表，因网络中的每个节点都有现成的路由表可供即时选择路径，平均端对端时延会很低；缺点是网络收敛所需时间长、控制开销大。典型的主动路由协议有目标序列距离矢量路由协议（Destination-Sequenced Distance-Vector，DSDV） [17] ，该协议把路由的序列号作为第一属性、跳数作为第二属性进行优先选择，但是当网络拓扑高速变化时，无论节点是否发送数据都必须进行周期性更新，网络控制开销会增大；此外，各个节点都必须保留到达全部节点的路由，严重占用内存。
按需路由协议在传输数据前才查询传输路径，优点是能够降低控制开销，缺点是没有现成的路由表供即时传输路径选择，导致端对端时延高。常用于自组网的按需路由协议有基于时隙请求的按需距离矢量路由（Ad hoc On-demand Distance Vector，AODV） [18] ，AODV为每个网络成员单独分配转发时隙，可有效提高数据转发的成功率，但控制开销较大。
混合路由是由主动路由和按需路由融合而成的路由，集合了主动路由低时延和按需路由网络控制开销低的优点，主要适用于网络拓扑结构稳定的网络。区域路由（Zone Routing，ZR） [19] 是这类路由的典型代表；ZR在小尺度范围采用主动路由，在大尺度范围采用按需路由，以提升网络的扩展能力。
由于自组网具有动态变化的网络拓扑结构特征，基于网络拓扑路由协议会带来较大的路由开销，因而基于地理位置信息的路由成为提升路由性能的主要选项。
（2）基于地理位置信息路由协议
GPSR [20] 是由Harvard University的著名学者Brad Karp领导的研究小组提出的以地理信息为基础的路由协议，近年来被广泛地用于自组网领域。该协议以网络节点的地理信息为依据来制定数据包传送策略和传输路径。Shirani R. 等人通过仿真实验验证了GPSR协议在节点密度较大的自组网中具有良好的性能。然而由于在GPSR中路由转发采用右手定则绕过空洞区域，当传递路径上高频率遇到空洞时，其决策的下一跳存在随机性，导致跳数增加。近年来，有很多学者对GPSR进行改进，如引入多点定向传送数据包的GPSR-EZ路由协议 [21] 。
（3）基于机器学习方法的路由协议
近年来，已开展基于机器学习算法的路由协议的研究工作。这类路由协议利用机器学习算法的学习能力，基于对网络拓扑、信道状态、用户行为、流量移动性等更准确的感知来进行最优路由路径选择。这些算法桥接物联网和人工智能两个研究领域，以实现智联网。以下是一些典型的基于机器学习方法的路由协议。
Boyan等人 [22] 首次将强化学习引入静态网络的路由问题中，提出了一种自适应算法Q-routing。随后，一些研究者基于Q-routing提出了适用于自组网的基于强化学习路由协议。Jung等人 [23] 提出基于Q-learning的地理临时路由协议（QGeo）。这是一种基于强化学习的地理路由方案，用于减少高移动性场景中的网络开销。Liu等人 [24] 改进了QGeo路由协议，并提出了一种基于Q-learning的多目标优化路由协议（QMR）。与QGeo相比，QMR具有更低的端到端时延、更低的能耗和更高的数据包到达率。
为了改善路由协议对网络拓扑变化的自适应能力，一些学者将深度学习与强化学习结合，提出了基于深度强化学习的路由协议。Liu等人 [25] 提出一种基于深度强化学习的自适应和可靠路由协议（ARdeep）。这是一种基于深度强化学习的自适应和可靠路由协议，它使用马尔可夫决策过程模型制定路由决策，以适应网络环境的变化。它在路由决策中综合考虑链路状态、包的错误率、链路的预期连接时间、节点剩余能量、节点到目的地的距离等，来精确推断网络环境，做出更合适的转发决策。仿真结果表明，ARdeep优于现有QGeo路由协议。
近年来，网络编码技术被引入路由协议设计中，以改善数据传输速率和可靠性。随机线性网络编码（RLNC） [26] 是一种经典的网络编码方法，其中所有网络节点将到目前为止收到的所有数据包保存在其缓冲区中，并使用来自某个无限域的随机系数转发这些数据包的线性组合。由于其随机选择线性组合系数的特性，RLNC不能根据网络环境的变化（如变化的链路质量和变化的中间节点数量）来自适应地调整编码系数。Wang等人 [27] 提出了一种基于深度强化学习的智能网络编码算法，可用于路由协议设计，优化端到端时延和能耗。该方法将编码系数优化问题表示为一个马尔可夫决策过程，并采用深度强化学习算法来优化编码系数。不同于RLNC算法随机选择编码系数，该方法根据当前网络状况自学习和动态调整源节点和每个中继节点的编码系数。实验结果表明，该方法具有良好的泛化能力，能够很好地适应链路质量快速变化的动态场景。
1. 基本概念 [28]
在大部分传感网应用场合里，必须知道节点的具体位置才是有意义的。通过人工测量或配置来获取节点的精确坐标的方法往往是不可行的，这时传感网能够通过网络内部节点之间的相互测距和信息交换，形成一套全网节点坐标，进行精确位置数据输出。
网络中传感器节点自身位置信息的获取是大多数应用的基础。首先，传感器节点必须明确自身位置才能详细说明“在什么位置发生了什么事件”，从而实现对外部目标的定位和跟踪；其次，了解传感器节点的位置分布状况可以对提高网络的路由效率提供帮助，从而实现网络的负载均衡及网络拓扑的自动配置，改善整个网络的覆盖质量。因此，必须采取一定的机制或算法来实现无线传感网中各节点的定位。
2. 定位方法的性能评价标准
传感网定位性能的评价标准主要分为七种，下面分别进行介绍。
1）定位精度
定位技术首要的评价指标就是定位精度，其又分为绝对精度和相对精度。绝对精度是测量的坐标与真实坐标的偏差，一般用长度计量单位表示。相对误差一般用误差值与节点无线射程的比例表示。定位误差越小，定位精度越高。
2）规模
不同的定位系统或算法也许可以在一栋楼房、一层建筑物或仅仅是一个房间内实现定位。另外，给定一定数量的基础设施或一段时间，一种技术可以定位多少目标也是重要的评价指标。
3）锚节点密度
锚节点定位通常依赖人工部署或使用GPS实现。人工部署锚节点的方式不仅受网络部署环境的限制，还严重制约了网络和应用的可扩展性。而使用GPS定位，锚节点的费用会比普通节点高两个数量级，这意味着即使仅有10%的节点是锚节点，整个网络的价格也将提高10倍。另外，定位精度随锚节点密度的增加而提高的范围有限，当到达一定程度后不会再提高。因此，锚节点密度也是评价定位系统和算法性能的重要指标之一。
4）节点密度
节点密度通常用网络的平均连通度来表示，许多定位算法的精度受节点密度的影响。在无线传感网中，节点密度增大不仅意味着网络部署费用的增加，而且会因为节点间的通信冲突问题带来有限带宽的阻塞。
5）容错性和自适应性
定位系统和算法都需要比较理想的无线通信环境和可靠的网络节点设备。而真实环境往往比较复杂，且会出现节点失效或节点硬件受精度限制而造成距离或角度测量误差过大等问题，此时，物理地维护或替换节点或使用其他高精度的测量手段常常是困难或不可行的。因此，定位系统和算法必须有很强的容错性和自适应性，能够通过自动调整或重构纠正错误，对无线传感网进行故障管理，减小各种误差的影响。
6）功耗
功耗是对无线传感网的设计和实现影响最大的因素之一。由于传感器节点的电池能量有限，因此在保证定位精度的前提下，与功耗密切相关的定位所需的计算量、通信开销、存储开销、时间复杂性是一组关键性指标。
7）代价
定位系统或算法的代价可从不同的方面来评价。时间代价包括一个系统的安装时间、配置时间、定位所需时间；空间代价包括一个定位系统或算法所需的基础设施和网络节点的数量、硬件尺寸等；资金代价则包括实现一种定位系统或算法的基础设施、节点设备的总费用。
3. 主要定位方法
传感网的定位方法较多，可以根据数据采集和数据处理方式的不同来进行分类。在数据采集方式上，不同的算法需要采集的信息有所侧重，如距离、角度、时间或周围锚节点的信息，其目的都是采集与定位相关的数据，并使其成为定位计算的基础。在信息处理方式上，无论是自身处理还是上传至其他处理器处理，其目的都是将数据转换为坐标，完成定位功能。目前比较普遍的分类方法有三种：
（1）依据距离测量与否可划分为：测距算法和非测距算法。其中测距算法是对距离进行直接测量，非测距算法依靠网络连通度实现定位，测距算法的精度一般高于非测距算法，但测距算法对节点本身硬件要求较高，在某些特定场合，如在一个规模较大且锚节点稀疏的网络中，待定位节点无法与足够多的锚节点进行直接通信测距，普通测距方法很难进行定位，此时需要考虑用非测距的方式来估计节点之间的距离，两种算法均有其自身的局限性。
（2）依据节点连通度和拓扑分类可划分为：单跳算法和多跳算法。单跳算法较多跳算法来说更加简便易行，但是存在着可测量范围过小的问题，多跳算法的应用更为广泛，当测量范围较广，导致两个节点无法直接通信的情况较多时，需要利用多跳通信来解决。
（3）依据信息处理的实现方式可划分为：分布式算法和集中式算法。以监测和控制为目的的算法因为其数据要在数据中心汇总和处理，大多使用集中式算法，其精度较高，但通信量较大。分布式算法是传感器节点在采集周围节点的信息后，在其自身的后台执行定位算法，该方法可以减少网络通信量，但目前节点的能量、计算能力及存储能力有限，复杂的算法难以在实际平台中实现。
其中，基于测距的算法中，距离的测量方法主要有以下三种：第一种是基于时间的方法，包括基于信号传输时间的方法（Time Of Arrival，TOA）和基于信号传输时间差的方法（Time Difference Of Arrival，TDOA）；第二种是基于信号角度的方法（Angle Of Arrival，AOA）；第三种是基于接收信号强度的方法（Received Signal Strength Indicator，RSSI）。
4. 新型定位算法
除了传统的定位算法，新型的无线传感网定位算法也逐渐出现，如基于移动锚节点的定位算法、三维定位算法及智能定位算法等，下面分别介绍：
1）基于移动锚节点的定位算法
利用移动锚节点定位可以避免网络中多跳和远距离传输产生的定位误差累计，并且可以减少锚节点的数量，进而降低网络成本。例如MBAL（Mobile Beacon Assisted Localization）定位算法，锚节点在移动过程中随时更新自身的坐标，并广播位置信息。未知节点测量与移动节点处于不同位置时的距离，当得到三个或三个以上的位置信息时，就可以利用三边测量法确定自己的位置，进而升级为锚节点。此外，移动锚节点用于定位所有未知节点时所移动的路径越长则功耗越大，因此对移动锚节点的活动路径进行合理规划可以减小功耗。
2）三维定位算法
目前的三维定位算法之一是基于划分空间为球壳并取球壳交集定位的思想，提出的对传感器节点进行三维定位的非距离定位算法APIS（Approximate Point In Sphere）。在此基础上，针对目前三维定位算法的不足，提出了基于球面坐标的动态定位机制，该机制将定位问题抽象为多元线性方程组求解问题，最终利用克莱姆法则解决多解、无解问题。三维定位算法可扩展传感网的应用场合，目前三维定位算法在许多方面还有待完善，如获取更准确的锚节点需要寻求更精确的广播周期和消息生存周期，缩减定位时间需要改进锚节点的选择和过滤机制等。
3）智能定位算法
随着电子技术的发展和芯片计算能力的提高，传感网节点本身的性能也有提升，复杂算法也可以在网络中实现。因此，智能定位算法也纷纷被提出。
对于无线传感网的户外三维定位，将锚节点固定在直升机上，通过GPS实时感知自身位置，采用基于RSSI的测距方法，利用粒子滤波定位技术实现定位，该方法不需要任何关于未知节点的先验知识，非常适合应用于户外定位。
对于解决无线传感网的定位问题，神经网络是一个切实可行的办法，将三种神经网络：多层感知神经网络、径向基函数神经网络和递归神经网络与卡尔曼滤波的两个变形进行比较，可以根据不同情况下的定位需求灵活选择定位方法。使用神经网络和网格传感器训练的灵活的模型，可以提高定位精度，且不需要额外的硬件支持。网络训练每隔一段时间进行一次更新以最小化误差，并且通过增加网格节点密度来提高定位精度。
对于节点定位中的非视距问题，常规的办法是采用机器学习中的支持向量回归（Support Vector Regression，SVR）方法进行定位以减小误差，但其定位精度仍然受到一定的非视距误差影响，为了减小这种影响，有人提出了基于直推式回归的定位算法。利用锚节点的坐标和TOA信息并借用核函数直接推导出未知节点的位置，进一步提高定位精度。
5. 常见的定位技术及其优缺点
1）射频识别室内定位技术
利用射频方式，固定天线将无线电信号调成电磁场，附着于物品的标签经过磁场后生成感应电流，把数据传送出去，以多对双向通信交换数据，从而达到识别和三角定位的目的。
射频识别室内定位技术作用距离很近，但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息，且由于电磁场非视距等优点，传输范围很大，而且标识的体积比较小，造价比较低。但其不具有通信能力，抗干扰能力较差，不便于整合到其他系统之中，且用户的安全隐私保障和国际标准化都不够完善。射频识别室内定位已经被仓库、工厂、商场广泛使用在货物、商品流转定位上。
2）Wi-Fi室内定位技术
Wi-Fi定位技术有两种：一种是利用移动设备和三个无线网络接入点的无线信号强度，通过差分算法，来比较精准地对人和车辆进行三角定位；另一种是事先记录巨量的确定位置点的信号强度，通过用新加入的设备的信号强度对比拥有巨量数据的数据库，来确定位置。
Wi-Fi定位可以在广泛的应用领域内实现复杂的大范围定位、监测和追踪任务，总精度比较高，但是用于室内定位的精度只能达到2m左右，无法做到精准定位。Wi-Fi路由器和移动终端的普及，使定位系统可以与其他客户共享网络，硬件成本很低，而且Wi-Fi的定位系统可以降低射频（RF）干扰的可能性。Wi-Fi定位适用于对人或车的定位导航，可以用于医疗机构、主题公园、工厂、商场等各种需要定位导航的场合。
3）超宽带（UWB）室内定位技术
超宽带技术是近年来新兴的一项全新的、与传统通信技术有极大差异的无线通信技术。它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或微秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有3.1～10.6GHz量级的带宽。目前，包括美国、日本、加拿大等在内的国家都在研究这项技术，在无线室内定位领域具有良好的应用前景。
UWB技术是一种传输速率高、发射功率较低、穿透能力较强并且是基于极窄脉冲的无线技术，无载波。正是这些优点，使它在室内定位领域得到了较为精确的结果。超宽带室内定位技术常采用TDOA演示测距定位算法，利用信号到达的时间差，通过双曲线交叉来定位。超宽带定位系统，包括产生、发射、接收、处理极窄脉冲信号的无线电系统。而超宽带室内定位系统则包括UWB接收器、UWB参考标签和主动UWB标签。定位过程中由UWB接收器接收标签发射的UWB信号，通过过滤电磁波传输过程中夹杂的各种噪声干扰，得到含有效信息的信号，再通过中央处理单元进行测距定位计算分析。
超宽带室内定位技术可用于室内精确定位，如战场士兵的位置发现、机器人运动跟踪等。超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗干扰效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位等优点。因此，超宽带室内定位技术可以应用于室内静止或移动物体及人的定位跟踪与导航领域，且能提供十分精确的定位。根据不同公司使用的技术手段或算法不同，精度可保持在0.1～0.5m。
4）地磁定位技术
地球可视为一个磁偶极，其中一极位于地理北极附近，另一极位于地理南极附近。地磁场包括基本磁场和变化磁场两个部分，基本磁场是地磁场的主要部分，起源于地球内部，比较稳定，属于静磁场部分。变化磁场包括地磁场的各种短期变化，主要起源于地球内部，相对比较微弱。
现代建筑的钢筋混凝土结构会在局部范围内对地磁产生扰乱，指南针可能也会因此受到影响。原则上来说，非均匀的磁场环境会因其路径不同产生不同的磁场观测结果。被称为IndoorAtlas的定位技术，正是利用地磁在室内的这种变化进行室内导航，并且导航精度已经可以达到0.1～2m。不过使用这种技术进行导航的过程还是稍显麻烦，需要先将室内楼层平面图上传到IndoorAtlas提供的地图云中，然后使用其移动客户端实地记录目标地点不同方位的地磁。记录的地磁数据都会被客户端上传至云端，这样其他人才能利用已记录过的地磁进行精确室内导航。百度于2014年战略投资了地磁定位技术开发商IndoorAtlas，并于2015年6月宣布在自己的地图应用中使用其地磁定位技术，将该技术与Wi-Fi热点地图、惯性导航技术联合使用。精度高，可以达到米级定位标准，但磁信号容易受到环境中不断变化的电、磁信号源干扰，定位结果不稳定，精度会受影响。
5）超声波定位技术
超声波定位技术通过在室内安装多个超声波扬声器，发出能被终端麦克风检测到的超声信号，通过不同声波的到达时间差，推测出终端的位置。
由于声波的传送速度远低于电磁波，其系统实现难度非常低，可以非常简单地实现系统的无线同步，然后用超声波发送器发送，接收端采用麦克风接收，自己运算位置即可。由于声波的速率比较低，传送相同的内容需要的时间比较长，只有通过类似TDOA的方式才能获得较大的系统容量。
6）ZigBee室内定位技术
该项技术中，通过若干个待定位的盲节点和一个已知位置的参考节点与网关之间形成组网，每个微小的盲节点之间相互协调通信以实现全部定位。
ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个节点传到另一个节点，作为一个低功耗和低成本的通信系统。ZigBee的工作效率非常高，但ZigBee的信号传输受多径效应和移动的影响都很大，而且定位精度取决于信道物理品质、信号源密度、环境和算法的准确性，造成定位软件的成本较高，提高空间还很大。ZigBee室内定位技术已经被很多大型工厂和车间的人员在岗管理系统所采用。
7）红外线室内定位技术
红外线是一种波长介于无线电波和可见光波之间的电磁波。红外线室内定位技术定位的原理是，红外线标识发射调制的红外线，通过安装在室内的光学传感器接收进行定位。虽然红外线具有较高的室内定位精度，但是由于红外线不能穿过障碍物，使红外线仅能视距传播。直线视距和传输距离较短这两大主要缺点使其室内定位的效果很差。当标识放在口袋里或者有墙壁及其他遮挡时就不能正常工作，需要在每个房间、走廊安装接收天线，造价较高。因此，红外线只适合短距离传播，而且容易被室内的灯光干扰，在精确定位上有局限性。
典型的红外线室内定位系统Activebadges使待测物体附上一个电子标，该标识通过红外发射机向室内固定放置的红外接收机周期性地发送该待测物唯一ID，接收机再通过有线网络将数据传输给数据库。这个定位技术功耗较大且常常会受到室内墙体或物体的阻隔，实用性较低。如果将红外线与超声波技术相结合，就可方便地实现定位功能。用红外线触发定位信号，使参考点的超声波发射器向待测点发射超声波，应用TOA基本算法，通过计时器测距定位。一方面降低了功耗，另一方面避免了超声波定位技术传输距离短的缺陷，使红外线技术与超声波技术优势互补。
8）蓝牙定位技术
蓝牙定位技术通过测量信号强度进行定位。这是一种短距离、低功耗的无线传输技术，在室内安装适当的蓝牙局域网接入点，把网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微微网（Piconet）的主设备，就可以获得用户的位置信息。蓝牙定位技术主要应用于小范围定位，如单层大厅或仓库。
蓝牙室内定位技术最大的优点是设备体积小、易于集成在PDA、PC及手机中，因此很容易推广普及。理论上，对于持有集成了蓝牙功能移动终端设备的用户，只要设备的蓝牙功能开启，蓝牙室内定位系统就能够对其进行位置判断。采用该技术进行室内短距离定位时容易发现设备且信号传输不受视距的影响。根据使用的技术手段或算法不同，精度可保持在3～15m。
9）北斗卫星等定位技术
北斗卫星定位系统是中国自主研发的，利用地球同步卫星为用户提供全天候、区域性的卫星定位系统。它能快速确定目标或用户所处地理位置，向用户及主管部门提供导航信息。
北斗卫星定位系统在2008年的汶川地震抗震救灾中发挥了重要作用。在当地通信设施严重受损的情况下，通过北斗卫星定位系统实现各点位、各部门之间的联络，精确判定各路救灾部队的位置，以便根据灾情及时下达新的救援任务。现阶段北斗卫星应用于民事的比较少，而市面上也可以看到有北斗手机和北斗汽车导航。
10）基站定位技术
基站定位一般应用于手机用户，手机基站定位服务又称为移动位置服务（Location Based Service，LBS），它是通过电信移动运营商的网络（如GSM网）获取移动终端用户的位置信息（经纬度坐标），在电子地图平台的支持下，为用户提供相应服务的一种增值业务，如目前中国移动动感地带提供的动感位置查询服务等。
由于GPS定位比较费电，所以基站定位是GPS设备的常见功能。但是基站定位精度较低，误差一般在500～2000m。
1. 基本概念 [29]
时间同步是无线传感网的一项重要的底层支撑技术，其目的是为网络中节点的本地时间提供共同的时间戳，无线传感器节点间的时间同步是实现节点的协同感知、通信、能量管理等网络功能的前提条件。作为无线传感网技术中的一项关键技术，时间同步技术不仅需要提高时间同步精度来实现系统运行的可靠性，还需要减少时间同步开销，延长网络寿命，实现系统运行的可持续性。
因为在无线传感网中，各节点相互独立并且以无线的方式进行通信，各节点都采用各自的本地时钟模块进行计时，而这种计时模块功能主要是由晶体振荡器提供的，晶振频率的误差及初始计时时刻的不同会导致节点时钟时间和本地时钟无法同步，这就会造成传感网应用无法正常运行，也会大大降低其他的服务质量。
2. 设计原则 [30]
在过去的几十年里，对有线网络时间同步协议的研究已非常成熟，目前广泛用于时间同步的协议有NTP和GPS，但由于无线传感网本身的特性，这些协议不适用于无线传感环境中，无线传感网时间同步协议的设计主要考虑以下几个方面：
1）可扩展性
由于传感器的廉价和微型化，使无线传感网通常包含数千个传感器节点，并且能够被广泛地部署在检测区域内，因此要求协议在大规模网络中不仅能正常工作，而且能保持较好的性能。
2）鲁棒性
无线传感网通常部署在人们无法接近、危险的环境中，外部环境的变化和传感器故障都会导致网络的高度动态性，这就要求协议能够对这些情况进行处理，保证系统的鲁棒性。
3）节点能量有限
因为传感器是由电池供电的，能量非常有限，所以时间同步协议的设计要充分考虑节点能量的消耗。
4）传输延迟
无线传感网传输延迟的不确定性严重影响了时间同步的精度，因此时间同步协议的设计要考虑传输延迟所带来的问题。
3. 技术难点
节点间时钟差异主要来源于节点晶振的差异。节点的上电时间不同带来节点不同的时间相位偏移，晶振因制作工艺和环境的影响会产生频率偏差和频率漂移，并进一步导致节点时钟的输出时间产生偏差和漂移。无论是估计同一时刻不同节点的时间差值，还是通过对节点的晶振建立时间模型来实现时间同步，在节点进行报文交互的过程中都必然面临报文时延的不精确性。
1）发送时间（Send Time）
即发送端用于消息组装和向MAC层发出发送请求的时间，该时间取决于系统开销和当前处理器的负载。发送时间是不确定的，有时可以高达几百毫秒。
2）介质访问时间（Access Time）
即在信息传输开始前，等待访问传输信道的时间。介质访问时间是无线传感网消息传输延迟中最不确定的一部分，根据当前信道空闲度和网络负载状况，从几毫秒到几秒不等。
3）传输时间（Transmission Time）
即发送端发送信息所需的时间，该时间取决于信息的长度和发送端的发送速度，一般在几十毫秒左右。
4）传播时间（Propagation Time）
即从消息离开发送方开始，传播到接收方所需要的时间。传播时间在无线传感网消息传输延迟中最具确定性，仅仅取决于发送端和接收端的距离，该时间一般少于1μm（300m范围内）。
5）接收时间（Reception Time）
接收端接收消息的时间与发送端的传输时间是一样的。
6）接收处理时间（Receive Time）
即接收端处理接收到的消息并通知接收方应用层的时间，该时间的特点与发送时间相似。
除上述随机性较大的发送时间、介质访问时间、接收处理时间外，传输过程中存在的噪声经常会在同步报文的时延中引入部分符合高斯或指数分布的小时延。
4. 经典时间同步协议
根据节点同步过程中同步报文的传输方向和交互方式的差异，经典时间同步协议可以归纳为三类：基于接收—接收的同步机制、基于发送—接收的双向同步机制和基于发送—接收的单向同步机制。
1）基于接收—接收的同步机制
在基于接收—接收的同步机制中，由参考节点向其广播范围内的节点广播不携带任何时间信息的参考同步报文。收到参考同步报文的一个节点会向另一个节点发送接收到该参考同步报文的本地时间。此时另一个节点可以根据收到的接收时间和自身记录的接收时间得到参考同步报文到达不同节点的时间差值，即两个节点的时间差值。
接收—接收模式下的同步协议以同一参考同步报文到达不同节点应当在同一个时刻为出发点，通过节点间交换接收时间得到节点间的时间差值，通过补偿该时间差值来实现节点间的时间同步。
基于接收—接收的同步机制的代表时间同步协议为RBS（Reference Broadcast Synchronisation）。该机制下的同步协议虽然能够实现较高的同步精度，但是需要大量的参考同步报文和节点间交互报文，同步开销较大。尤其是在多跳网络中，所需的报文数量和同步计算的复杂度均将成倍增加。另外，节点间报文交互是接收—接收的同步机制下实现网络时间同步的前提条件，所以基于接收—接收的同步机制不适用于跳数较多和节点分布较为稀疏的网络环境。
2）基于发送—接收的双向同步机制
在基于发送—接收的双向同步机制中，待同步节点向基准节点发送同步请求报文，基准节点收到请求报文之后，向待同步节点发送包含自身当前时间的同步应答报文。待同步节点收到此应答报文之后通过自身的本地时间估算出节点间的时间偏差和传输时延，并据此校准自己的时钟。
双向同步机制在较短时间间隔内，认为节点间的时间偏差不变且报文传输时延一致，通过两次同步报文交互获得节点间的时间信息。基于发送—接收的双向同步机制的时间同步协议主要包括TPSN（Time-sync Protocol for Sensor Networks）和TS/MS（Tiny Time Synchronisation Protocol /Mini Time Synchronisation Protocol）。
采用双向同步机制的TPSN具有较高的同步可靠性，同步性能也比较好。但是因为没有考虑节点的时钟模型和晶振存在的频率偏移，在利用TPSN协议同步之后，节点仍会产生新的时间偏差，因此TPSN必须较为频繁地进行同步操作。TS/MS同步协议在TPSN的基础上采用线性节点时钟模型，通过对少量的时间点进行拟合处理便可得到节点的时间偏差和时钟漂移。TS/MS时间同步协议采用较少的时间点得到比TPSN更高的同步精度，属于轻量级时间同步算法，适用于能量受限制的无线传感网。
基于发送—接收的双向同步机制的时间同步协议在具有较高同步可靠性的同时产生相对较大的同步开销。另外，双向同步协议对网络拓扑的扩展的兼容性较差，无法适用于动态拓扑网络。
3）基于发送—接收的单向同步机制
在基于发送—接收的单向同步机制的时间同步协议中，主要由基准节点向网络中单向广播包含报文发送时间的同步报文。子节点接收到同步报文之后，根据估计报文时延和记录本地报文的接收时间，对自身时间进行同步调整。
基于发送—接收的单向同步机制的时间同步方法主要包括DMTS（Delay Measurement Time Synchronisation）、FTSP（Flooding Time Synchronisation Protocol）等方法。DMTS同步方法通过估计同步报文的传输时延，将同步报文中携带的发送时间与同步报文传输时延之和作为子节点的全局时间，对子节点进行时间同步。FTSP忽略同步报文的传输时延，认为待同步节点接收同步报文和基准节点发送报文为同一时刻，即节点记录的接收时间和准节点的发送时间为两节点间的偏差。通过对时间点进行拟合，利用线性时钟模型得到待同步节点于基准节点的时钟偏移和相位偏移。
基于发送—接收的同步机制采用单向信息交互，同步精度较高，能适应网络拓扑动态变化。和双向同步机制相比，它能够有效地减少网络中的同步开销，减小网络能耗。但由于基于发送—接收的单向同步机制采用泛洪广播机制，当网络规模较大时，产生的同步报文偏多。另外，FTSP协议中节点的多径效应使节点的同步精度不能得到保证。
总的来说，经典的时间同步协议主要通过得到节点间的时间差异，更新待同步节点的时钟来实现节点间的时间同步。在以上三种同步机制中，基于发送—接收的双向同步机制和基于发送—接收的单向同步机制均没有考虑同步报文的传输时延；基于接收—接收的同步机制以接收节点间的时间对比为基础，无须考虑参考报文传输时的发送时延、信道访问时延和传播时延，时间同步精度不受发送方影响。基于发送—接收的双向同步机制因为采用双向报文传输，所以更适用于对可靠性要求较高的应用。基于发送—接收的同步机制采用时钟模型，利用得到的时钟参数对节点的时钟偏移进行修正补偿，同步精度较高；和双向同步机制相比，单向的同步方式更适用于动态变化的网络拓扑结构。
5. 新型时间同步协议
经典的时间同步协议主要解决节点间的时间同步精度问题。新型时间同步协议在进一步提高精度的同时着手降低网络中的同步能耗，并研究应用于特定环境下的时间同步协议。
1）基于物理脉冲耦合的同步协议
经典的时间同步协议无法完全消除传输过程中时延对同步精度的影响，所以难以做到对节点间同步精度的进一步提升。在基于物理脉冲耦合的同步协议中，传感器节点被看作完全相同的耦合振荡器，通过物理方式来消除报文传输过程中的时延，实现节点间的高精度同步。
基于物理脉冲耦合的同步机制以萤火虫同步算法为主。1988年，Buck对萤火虫同步闪烁的现象进行了总结，并对此现象进行了基于phase-advance和phase-delay两种模式下的时间同步建模。1990年，Mirollo和Strogatz提出M＆S脉冲耦合振荡模型，在假定脉冲时延为零的情况下，耦合振荡系统可以达到同步。1998年，Ernst在前人的基础上对脉冲时延情况下的耦合振荡系统的同步状况进行了研究。当一个振荡器状态激发时，会和临近的振荡器产生电耦合，使临近的振荡器产生一个耦合强度的状态增量。Ernst通过理论证明，在脉冲时延不为零的情况下，正的耦合强度无法使振荡器之间产生同步现象，只有在负的耦合强度情况下，振荡器之间才能取得同步。
2）基于调度的时间同步协议
基于调度的时间同步协议有TSMP（Time Synchronised Mesh Protocol）、TSCH（Time Synchronised Channel Hopping）。基于调度的同步机制是在网络初期将所有节点间的工作时隙、工作信道、网络结构均进行分配，并通过广播报文的形式告知网络中所有节点，节点在各自分配的时隙和分配好的邻居节点之间进行报文交互。父节点在固定的同步周期向网络广播时间同步报文，子节点在安全时间内接收到同步报文，然后根据发送时间和接收时间调整自身的时钟。如果安全时间内没有收到时间同步报文，则认为子节点与网络失去同步。
基于调度的同步机制能够达到较高的时间同步精度，但是该机制需要网络层、MAC层及物理层进行整体协作，不再是单纯的时间同步机制。而且一般需要多信道甚至多频段的复用，整体上较为复杂。
3）分布式同步协议
经典的同步协议中，基于发送—接收的双向同步算法无法解决无线传感网中节点加入、失效和移动引起的网络拓扑动态变化问题，也无法较好地减小网络中的累积同步误差。为了解决这个问题，分布式同步协议应运而生。
分布式同步协议主要通过节点周期性地广播本地时间来实现网络内节点的时间同步。分布式同步协议主要包括：实现邻居节点高精度同步的梯度时间同步协议GTSP（Gradient Time Synchronization Protocol）、分开校正频偏和相偏以实现更可靠时间同步的平均时间同步协议ATS（Average Time Synch）、节点广播时间到网络虚拟时钟的分布时间同步协议等。
分布式同步协议不要求网络拓扑为层次拓扑，这使分布式同步协议的鲁棒性较强，能更好地适应拓扑动态变化的无线传感网。由于分布式同步协议主要基于全局节点进行时间扩散和不停地同步迭代，分布式同步协议的收敛速度相对于经典的同步协议来说比较慢；并且分布式同步协议中需要的同步报文数量较多，网络开销较大，不利于减小网络同步能耗。
4）混合时间同步协议
除提高时间同步精度，延长同步周期进而减少网络同步能耗之外，部分时间同步协议采用主动同步和被动同步相结合的混合时间同步机制。
混合时间同步机制中，代表节点之间采用双向的时间同步机制。在同步报文交互过程中，代表节点广播半径中的邻居节点能够监听到双向同步报文，得到同步报文中的时间信息。通过分析报文中包含的两个节点的时间信息，监听节点实现被动的时间同步。混合时间同步机制只需要代表节点之间进行报文交互，多数节点只需要对周围环境中的报文进行监听，无须发送报文，较大程度地减少了网络中的时间同步报文数量。混合时间同步机制通过主动时间同步来保证网络同步精度，通过被动时间同步来节省网络同步开销，从而实现了保证同步精度和节约能耗的双重目标。但是由于被动时间同步主要通过节点监听周围环境中的报文来实现自身的时间同步，所以混合时间同步协议中节点的分布密度不能过小，适用的网络规模不宜过大。
5）特殊用途时间同步协议
传统的时间同步协议无法适用于报文时延较长、节点移动较为频繁的水下应用，近年来针对水下传感网的特殊用途的无线同步协议逐渐发展起来。水下应用的时间同步协议主要从估计报文时延方面来实现节点同步。例如，利用邻居节点间的相对速度和多普勒频移来计算节点的真实移动速度，得到精确的报文时延，并进一步通过双向时间同步机制和基于权重的最小二乘法来求得节点相对于参考节点的相对时钟参数。
除了上述同步协议，新型的时间同步协议还包括利用外部时间源的外部梯度时间同步协议、针对移动网络拓扑的时间同步协议、利用卡尔曼滤波实现高精度时间同步的卡尔曼一致滤波时间同步协议和基于最大似然估计的时间同步协议等。
总的来说，新型时间同步协议主要基于非层次网络结构，更少地受到网络中心节点的制约，能够更好地适用于网络拓扑结构动态变化的无线传感网。无论是通过物理方式还是主动、被动同步方式结合，新型时间同步协议和经典时间同步协议相比，能够较大地减少网络同步能耗。另外，新型时间同步协议在提高同步精度和降低网络开销的同时，开始对特殊应用条件下的时间同步进行探索。虽然新型时间同步协议和经典时间同步协议相比有较多的优点，但是新型时间同步协议的复杂程度一般较高，对节点有较高的性能要求；而且新型时间同步协议大多数仍旧处于理论研究阶段，并没有在实际环境中大量应用。