無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)課件.ppt

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù) WSN時(shí)間同步概述 概念 各個(gè)節(jié)點(diǎn)定期或不定期與其他節(jié)點(diǎn)交換本地時(shí)鐘信息 并在協(xié)議或算法控制下調(diào)整本地時(shí)鐘 實(shí)現(xiàn)全局時(shí)間一直的過(guò)程 WSN為何需要進(jìn)行時(shí)間同步 不同節(jié)點(diǎn)晶體振蕩不同 存在累積誤差受能量 存儲(chǔ) 帶寬限制分布式系統(tǒng) 要求節(jié)點(diǎn)必須實(shí)現(xiàn)同步 不同系統(tǒng)要求程度不同 時(shí)間同步要解決的問(wèn)題 保證同步的精度盡量小的功耗保證網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性 時(shí)間同步的誤差來(lái)源 WSN時(shí)間同步概述 晶體震蕩 不同節(jié)點(diǎn)的晶體振蕩器間存在誤差 并且也會(huì)受到環(huán)境影響 這一誤差會(huì)隨時(shí)間累積 成本 資源 由于WSN資源受限 通信信道質(zhì)量不佳時(shí) 節(jié)點(diǎn)密度大時(shí) 易造成延遲和出錯(cuò) 導(dǎo)致時(shí)間誤差 同步協(xié)議 須在性能和開(kāi)銷間取得平衡 即用較小的通信代價(jià)取得較好的同步效果 協(xié)議執(zhí)行 信道出錯(cuò) 導(dǎo)致部分節(jié)點(diǎn)不能被同步 影響網(wǎng)絡(luò)的整體時(shí)間同步情況 時(shí)間同步技術(shù) NTP協(xié)議 NTP協(xié)議即網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議 是一個(gè)集中式協(xié)議 同步精度達(dá)毫秒級(jí) NTP基于節(jié)點(diǎn)間的雙向握手來(lái)預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)間時(shí)延并計(jì)算相對(duì)的時(shí)間偏差 需同步的終端發(fā)送時(shí)間請(qǐng)求 服務(wù)器回應(yīng)包含時(shí)間信息的應(yīng)答消息 協(xié)議假定兩個(gè)主機(jī)的傳播時(shí)延是一致的 時(shí)間同步技術(shù) NTP協(xié)議 NTP協(xié)議特點(diǎn)NTP協(xié)議通過(guò)頻繁交換消息來(lái)校準(zhǔn)時(shí)鐘頻率偏差帶來(lái)的誤差 能耗較高 NTP基準(zhǔn)服務(wù)器間的時(shí)間同步需要基礎(chǔ)設(shè)施的協(xié)助 NTP協(xié)議不適合WSNWSN節(jié)點(diǎn)能量有限 無(wú)法滿足NTP頻繁通信需求WSN時(shí)間同步目的實(shí)現(xiàn)局部最優(yōu) 而NTP實(shí)現(xiàn)全局同步 屬于集中式協(xié)議 時(shí)間同步技術(shù) GPS時(shí)間同步 GPS時(shí)間同步原理GPS衛(wèi)星上配備有高精度的銣 銫原子鐘 以原子半衰期計(jì)時(shí) 衛(wèi)星不間斷發(fā)射的偽碼中包含有時(shí)間信息 優(yōu)點(diǎn) 精度高 操作簡(jiǎn)單缺點(diǎn) 環(huán)境影響 通信功耗 安全性適合少數(shù)攜帶GPS模塊的傳感器節(jié)點(diǎn)使用 時(shí)間同步技術(shù) 無(wú)線傳輸?shù)臅r(shí)延 發(fā)送時(shí)延 接入時(shí)延 傳輸時(shí)延 傳播時(shí)延 接收時(shí)延 處理時(shí)延 時(shí)間同步機(jī)制需考慮的因素 時(shí)間同步技術(shù) 擴(kuò)展性 在WSN中 由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和節(jié)點(diǎn)數(shù)量的不同 時(shí)間同步機(jī)制應(yīng)能適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景 穩(wěn)定性 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變換時(shí) 同步機(jī)制應(yīng)能保持連續(xù)性和同步精度 魯棒性 在受到環(huán)境 信道通信質(zhì)量 節(jié)點(diǎn)失效等干擾情況下 保持正常工作 收斂性 時(shí)間同步機(jī)制應(yīng)能在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)成節(jié)點(diǎn)時(shí)間的同步 低能耗 WSN能量受限 同步機(jī)制應(yīng)能在保證運(yùn)作機(jī)能的前提下 盡量降低能耗 時(shí)間同步協(xié)議的類型 時(shí)間同步協(xié)議 分層與平面模式 分層模式下層節(jié)點(diǎn)根據(jù)上層節(jié)點(diǎn)的時(shí)間進(jìn)行同步各簇之間時(shí)間可不同步分布式的同步協(xié)議 平面模式除時(shí)間參考節(jié)點(diǎn) 其他節(jié)點(diǎn)的地位是相同的通過(guò)多跳傳輸?shù)确绞桨l(fā)送時(shí)間同步消息 時(shí)間同步協(xié)議的類型 時(shí)間同步協(xié)議 絕對(duì)時(shí)間與相對(duì)時(shí)間模式 絕對(duì)時(shí)間模式網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)絕對(duì)時(shí)間源所有節(jié)點(diǎn)都與絕對(duì)時(shí)間進(jìn)行同步如UTC GPS等同步機(jī)制 相對(duì)時(shí)間模式不必獲取絕對(duì)時(shí)間基準(zhǔn)同步的目的是盡量減小各節(jié)點(diǎn)硬件時(shí)鐘的最大偏差 時(shí)間同步協(xié)議的類型 時(shí)間同步協(xié)議 發(fā)送者 接收者與接收者 接收者模式 發(fā)送者 接收者模式發(fā)送者周期性發(fā)送自己的時(shí)間信息接收者收到后根據(jù)時(shí)間戳 計(jì)算時(shí)延進(jìn)行同步 接收者 接收者模式兩個(gè)接收者都受到時(shí)間信標(biāo)互相比較記錄的收到時(shí)間 調(diào)整并達(dá)到同步 時(shí)間同步協(xié)議性能參數(shù) 時(shí)間同步協(xié)議 最大誤差 指節(jié)點(diǎn)間最大相對(duì)誤差 或者與外部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的最大誤差 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大 最大誤差越大 同步時(shí)間 節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行時(shí)間同步所需要的時(shí)間 也指周期進(jìn)行同步的時(shí)間間隔 同步范圍 時(shí)間同步過(guò)程所包含的節(jié)點(diǎn)數(shù)量或區(qū)域范圍 全網(wǎng)范圍或部分區(qū)域 效率 達(dá)到同步精度與所耗費(fèi)的代價(jià)的比值 代價(jià)一般指時(shí)間和能量 硬件代價(jià) 指為了完成某些協(xié)議的同步操作所需要的特殊硬件 會(huì)增加節(jié)點(diǎn)的成本和復(fù)雜性 2020 1 29 13 可編輯 2020 1 29 14 可編輯 TPSN協(xié)議 時(shí)間同步協(xié)議 協(xié)議采用分層結(jié)構(gòu) 基于發(fā)送者 接收者模式 可提供WSN全網(wǎng)范圍內(nèi)的時(shí)間同步 同步過(guò)程 層次發(fā)現(xiàn) 建立樹(shù)形結(jié)構(gòu) 根節(jié)點(diǎn)廣播層次發(fā)現(xiàn)消息 直接接收者屬于層次1 收到層次1節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)消息的節(jié)點(diǎn)屬于層次2 以此類推 直至所有節(jié)點(diǎn)均納入層次 時(shí)間同步 根節(jié)點(diǎn)與層次1節(jié)點(diǎn)通過(guò)雙向握手進(jìn)行同步 期間執(zhí)行隨機(jī)退避機(jī)制 層次1節(jié)點(diǎn)同步完成后 與層次2節(jié)點(diǎn)通過(guò)雙向握手進(jìn)行同步 以此類推 直至全網(wǎng)完成同步 TPSN協(xié)議 時(shí)間同步協(xié)議 相鄰級(jí)別節(jié)點(diǎn)間的同步機(jī)制 1 2 i 1級(jí) i級(jí) 消息傳播時(shí)延 兩節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間偏差 1 2 TPSN協(xié)議 時(shí)間同步協(xié)議 相鄰級(jí)別節(jié)點(diǎn)間的同步機(jī)制結(jié)論 3 1 2 TPSN協(xié)議 優(yōu)點(diǎn)在MAC層消息開(kāi)始發(fā)送到無(wú)線信道時(shí)才添加時(shí)間信標(biāo) 消除了訪問(wèn)時(shí)間帶來(lái)的誤差利用雙向交換信息計(jì)算消息的平均延遲 精度相對(duì)較高 缺點(diǎn)節(jié)點(diǎn)失效 尤其是靠近根節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)失效 會(huì)導(dǎo)致同步錯(cuò)誤 并在網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散新節(jié)點(diǎn)加入時(shí) 需初始化層次發(fā)現(xiàn)步驟 擴(kuò)展性差不適合移動(dòng)節(jié)點(diǎn)或多跳同步等情況 時(shí)間同步協(xié)議 RBS協(xié)議 時(shí)間同步協(xié)議 協(xié)議采用平面結(jié)構(gòu) 基于接收者 接收者模式 可提供局部節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步 基本原理 發(fā)送節(jié)點(diǎn)廣播的同步消息不含有時(shí)間戳 接收節(jié)點(diǎn)記錄接收消息的時(shí)間并進(jìn)行相互比較 多次通信 估計(jì)相對(duì)的時(shí)間偏差并進(jìn)行同步 對(duì)于RF信號(hào) 可忽略傳播時(shí)間帶來(lái)的誤差 對(duì)于聲信號(hào) 則傳播時(shí)間必須考慮在內(nèi) 同步過(guò)程 發(fā)送者發(fā)出 信標(biāo)分組 數(shù)據(jù)包 廣播域內(nèi)節(jié)點(diǎn) 同時(shí) 接收 接收節(jié)點(diǎn)分別記錄接收時(shí)間接收節(jié)點(diǎn)交換各自記錄的接收時(shí)間 計(jì)算出差值存在差值的節(jié)點(diǎn)根據(jù)差值更改本地時(shí)間 實(shí)現(xiàn)接收節(jié)點(diǎn)之間的同步 RBS協(xié)議 時(shí)間同步協(xié)議 RBS協(xié)議 時(shí)間同步協(xié)議 特點(diǎn) 相對(duì)傳統(tǒng)同步方式 縮短了關(guān)鍵路徑 減小了同步偏差 提高了精度同步過(guò)程中的不確定性只來(lái)自數(shù)據(jù)包被接收和打上時(shí)間戳的步驟硬件偏差也可預(yù)先估計(jì) RBS協(xié)議 時(shí)間同步協(xié)議 多跳同步機(jī)制 A發(fā)送信標(biāo)分組后 完成與節(jié)點(diǎn)1 2 3 4的時(shí)間同步B發(fā)送信標(biāo)分組后 完成與節(jié)點(diǎn)4 5 6 7的時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)4位于兩個(gè)廣播域的交集內(nèi) 所以通過(guò)節(jié)點(diǎn)4可以同步兩個(gè)廣播域內(nèi)的節(jié)點(diǎn) RBS協(xié)議 時(shí)間同步協(xié)議 多跳同步機(jī)制 節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)7監(jiān)測(cè)到附近發(fā)生事件節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)7分別記錄事件發(fā)生的時(shí)間節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)7可以通過(guò)翻譯節(jié)點(diǎn)4實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步 RBS協(xié)議 優(yōu)點(diǎn)消除了時(shí)間同步關(guān)鍵路徑上來(lái)自發(fā)送端的不確定性 減少了同步錯(cuò)誤 提高了效率輕量級(jí) 自適應(yīng)精度較傳統(tǒng)同步方式高 缺點(diǎn)同步精度受 接收端接收時(shí)間差 節(jié)點(diǎn)間存在硬件和軟件差異 影響較大節(jié)點(diǎn)間通信量較大 增加了能量消耗傳輸碰撞概率增大 時(shí)間同步協(xié)議 LTS協(xié)議 時(shí)間同步協(xié)議 協(xié)議采用樹(shù)形分層結(jié)構(gòu) 基于發(fā)送者 接收者模式 可提