傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步

1、LOGO傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步1/20主要內(nèi)容主要內(nèi)容WSN時(shí)間同步的要求時(shí)間同步的要求1NTP協(xié)議協(xié)議2RBS同步機(jī)制同步機(jī)制3TPSN同步協(xié)議同步協(xié)議4DMTS同步機(jī)制同步機(jī)制5LTS同步機(jī)制同步機(jī)制6其他同步機(jī)制其他同步機(jī)制7小結(jié)小結(jié)82/201.WSN時(shí)間同步的要求時(shí)間同步的要求v物理時(shí)間物理時(shí)間：用來(lái)表示人類社會(huì)使用的絕對(duì)時(shí)：用來(lái)表示人類社會(huì)使用的絕對(duì)時(shí)間。間。v邏輯時(shí)間邏輯時(shí)間：表達(dá)事件發(fā)生的順序關(guān)系，是一：表達(dá)事件發(fā)生的順序關(guān)系，是一個(gè)相對(duì)概念。個(gè)相對(duì)概念。v分布式系統(tǒng)通常需要一個(gè)表示整個(gè)系統(tǒng)的分布式系統(tǒng)通常需要一個(gè)表示整個(gè)系統(tǒng)的全全局時(shí)間局時(shí)間，全局時(shí)間根據(jù)需要可

2、以是物理時(shí)間，全局時(shí)間根據(jù)需要可以是物理時(shí)間或邏輯時(shí)間?；蜻壿嫊r(shí)間。3/201.WSN時(shí)間同步的要求時(shí)間同步的要求v傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的重要約束：傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的重要約束：價(jià)格體積能量v為什么要時(shí)間同步？為什么要時(shí)間同步？估計(jì)目標(biāo)的運(yùn)行速度和方向數(shù)據(jù)融合需要時(shí)間同步用戶交互性需要4/202.NTP協(xié)議協(xié)議客戶端服務(wù)器T1T2T3T4 1 2T1：客戶端發(fā)送時(shí)間請(qǐng)求消息的時(shí)間T3：服務(wù)器發(fā)送時(shí)間應(yīng)答消息的時(shí)間T2：服務(wù)器收到時(shí)間請(qǐng)求消息的時(shí)間T4：客戶端收到時(shí)間應(yīng)答消息的時(shí)間 1和2分別表示時(shí)間請(qǐng)求和時(shí)間應(yīng)答消息網(wǎng)絡(luò)傳播時(shí)間：客戶端比服務(wù)器時(shí)鐘快的時(shí)間量NTP協(xié)議原理協(xié)議原理5/202.NT

3、P協(xié)議協(xié)議NTP協(xié)議層次型樹(shù)形結(jié)構(gòu)協(xié)議層次型樹(shù)形結(jié)構(gòu)UTC時(shí)間源一級(jí)時(shí)間基準(zhǔn)服務(wù)器二級(jí)時(shí)間基準(zhǔn)服務(wù)器客戶端一級(jí)時(shí)間基準(zhǔn)服務(wù)器二級(jí)時(shí)間基準(zhǔn)服務(wù)器二級(jí)時(shí)間基準(zhǔn)服務(wù)器一級(jí)時(shí)間基準(zhǔn)服務(wù)器二級(jí)時(shí)間基準(zhǔn)服務(wù)器客戶端6/202.NTP協(xié)議協(xié)議v消息傳輸延遲分為四個(gè)部分消息傳輸延遲分為四個(gè)部分發(fā)送時(shí)間訪問(wèn)時(shí)間傳輸時(shí)間接收時(shí)間7/20 3.RBS同步機(jī)制同步機(jī)制RBS機(jī)制的基本原理機(jī)制的基本原理發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收節(jié)點(diǎn)接收節(jié)點(diǎn)信標(biāo)分組信標(biāo)分組接收節(jié)點(diǎn)接收節(jié)點(diǎn)接收信標(biāo)分組本地時(shí)間接收信標(biāo)分組本地時(shí)間調(diào)整時(shí)間8/20 3.RBS同步機(jī)制同步機(jī)制RBS機(jī)制應(yīng)用于多跳網(wǎng)絡(luò)機(jī)制應(yīng)用于多跳網(wǎng)絡(luò)AB1432765發(fā)生在節(jié)點(diǎn)1

4、和節(jié)點(diǎn)7附近的兩個(gè)事件，分別記為E1和E7假設(shè)節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B分別在Pa和Pb時(shí)間點(diǎn)發(fā)送信標(biāo)分組節(jié)點(diǎn)1在收到節(jié)點(diǎn)A發(fā)送的分組后2秒觀察到事件E1節(jié)點(diǎn)7在觀察到事件E7后4秒收到節(jié)點(diǎn)B發(fā)送的分組其他節(jié)點(diǎn)從節(jié)點(diǎn)4知道節(jié)點(diǎn)A發(fā)送分組比節(jié)點(diǎn)B晚10秒Pa=Pb+10E1=E7+4+10+2=E7+169/203.RBS同步機(jī)制同步機(jī)制vRBS同步機(jī)制總結(jié)：同步機(jī)制總結(jié)： RBS機(jī)制利用信道的廣播特性來(lái)同步接收節(jié)點(diǎn)時(shí)間，去除了時(shí)間同步誤差中所有發(fā)送節(jié)點(diǎn)引入的部分。 通過(guò)多次廣播分組獲取平均值，能夠提高RBS的時(shí)間同步精度。 對(duì)于單個(gè)廣播域內(nèi)的n個(gè)節(jié)點(diǎn)和m個(gè)廣播消息，RBS機(jī)制的復(fù)雜度為O（mn）。 用于多

5、跳網(wǎng)絡(luò)的RBS機(jī)制需要依賴有效的分簇方法，保證簇之間有共同節(jié)點(diǎn)以便進(jìn)行簇間時(shí)間同步10/203.RBS同步機(jī)制同步機(jī)制v后同步思想：后同步思想： 通常情況下節(jié)點(diǎn)的時(shí)間不用同步，只有監(jiān)測(cè)到一個(gè)事件發(fā)生時(shí)，節(jié)點(diǎn)才首先用它的本地時(shí)間記錄事件發(fā)生的時(shí)間，然后采用RBS機(jī)制，一個(gè)“第三方”節(jié)點(diǎn)廣播信標(biāo)消息給區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)，接收節(jié)點(diǎn)利用這個(gè)同步消息作為一個(gè)瞬時(shí)的時(shí)間參考點(diǎn)，同步它們監(jiān)測(cè)到的事件發(fā)生時(shí)間。 后同步機(jī)制能夠?qū)崿F(xiàn)瞬時(shí)的節(jié)點(diǎn)間時(shí)間同步，但是受限于廣播信標(biāo)分組的傳輸范圍，它不適應(yīng)于長(zhǎng)距離或長(zhǎng)時(shí)間通信的時(shí)間同步。 后同步機(jī)制能夠提供精確的局部空間范圍的時(shí)間同步。11/204.TPSN時(shí)間同步協(xié)議時(shí)間

6、同步協(xié)議根節(jié)點(diǎn)11212122222層次發(fā)現(xiàn)階段層次發(fā)現(xiàn)階段（廣播級(jí)別發(fā)現(xiàn)分組）（廣播級(jí)別發(fā)現(xiàn)分組）根節(jié)點(diǎn)11212122222同步階段同步階段（廣播時(shí)間同步分組）（廣播時(shí)間同步分組）12/204.TPSN時(shí)間同步協(xié)議時(shí)間同步協(xié)議vTPSN時(shí)間同步協(xié)議總結(jié)：時(shí)間同步協(xié)議總結(jié)： 類似于傳統(tǒng)的NTP時(shí)間同步協(xié)議，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。 如果需要長(zhǎng)時(shí)間的全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步，可周期性執(zhí)行TPSN時(shí)間同步協(xié)議進(jìn)行重同步。缺點(diǎn)缺點(diǎn)： 消息開(kāi)銷大，需要傳遞的消息多。 新的傳感器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，需要初始化層次發(fā)現(xiàn)階段，級(jí)別的靜態(tài)特性降低了算法的魯棒性。 未考慮根節(jié)點(diǎn)的失效問(wèn)題。13/2

7、05.DMTS同步機(jī)制同步機(jī)制v兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間分組傳輸延遲分為五個(gè)部分兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間分組傳輸延遲分為五個(gè)部分發(fā)送端的處理延遲介質(zhì)訪問(wèn)延遲發(fā)送延遲無(wú)線傳輸延遲接收延遲14/205.DMTS同步機(jī)制同步機(jī)制發(fā)送者：接收者：同步消息MAC延遲發(fā)送前導(dǎo)碼起始字符發(fā)送數(shù)據(jù)接收ACK加上時(shí)標(biāo)t0接收前導(dǎo)碼接收數(shù)據(jù)發(fā)送ACK接收處理時(shí)標(biāo)t1時(shí)標(biāo)t2n=發(fā)送信息位個(gè)數(shù)t=發(fā)送每比特位需要的時(shí)間前導(dǎo)碼和起始字符的發(fā)送時(shí)間=nt接收處理延遲=t2-t1忽略無(wú)線信號(hào)的傳播延遲接收節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘為t0+nt+（t2-t1）15/205.DMTS同步機(jī)制同步機(jī)制vDMTS機(jī)制在多跳網(wǎng)絡(luò)中采用機(jī)制在多跳網(wǎng)絡(luò)中采用層次型層次型分級(jí)結(jié)分級(jí)

8、結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步構(gòu)實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步vDMTS同步機(jī)制總結(jié)：同步機(jī)制總結(jié)： DMTS是一種靈活的、輕量的和能量高效的能夠?qū)崿F(xiàn)全部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步的機(jī)制。 與RBS機(jī)制相比，DMTS機(jī)制的計(jì)算開(kāi)銷小，需要傳輸?shù)南l數(shù)少。 能夠與外部世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間同步，但同步精度相對(duì)較低。 DMTS在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度、能量高效與同步精度之間進(jìn)行了折中，能夠應(yīng)用在對(duì)時(shí)間同步要求不是非常高的網(wǎng)絡(luò)中。16/206.LTS機(jī)制機(jī)制vLTS同步算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)是適用于低成本、同步算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)是適用于低成本、低復(fù)雜度的傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步，側(cè)重最小低復(fù)雜度的傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步，側(cè)重最小化同步的能量開(kāi)銷，同時(shí)

9、具有魯棒性和自配化同步的能量開(kāi)銷，同時(shí)具有魯棒性和自配置的特點(diǎn)。置的特點(diǎn)。vLTS時(shí)間同步模塊分為三個(gè)組成部件：時(shí)間同步模塊分為三個(gè)組成部件： 重同步監(jiān)測(cè)部件重同步監(jiān)測(cè)部件 遠(yuǎn)程時(shí)鐘估計(jì)部件遠(yuǎn)程時(shí)鐘估計(jì)部件 時(shí)鐘修正部件時(shí)鐘修正部件17/206.LTS機(jī)制機(jī)制LTS應(yīng)用于多跳網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于多跳網(wǎng)絡(luò)根節(jié)點(diǎn)1211111122222222222集中式集中式根節(jié)點(diǎn)1211111122222222222分布式分布式18/207.其他同步機(jī)制其他同步機(jī)制vFTSP 利用單個(gè)廣播消息使得發(fā)送節(jié)點(diǎn)和它的鄰居節(jié)點(diǎn)達(dá)到時(shí)間同步。 采用同步時(shí)間數(shù)據(jù)的線性回歸方法估計(jì)時(shí)鐘漂移和偏差 多跳網(wǎng)絡(luò)中采用層次結(jié)構(gòu) 考慮了根節(jié)點(diǎn)選擇、鏈路失敗、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化、冗余信息等問(wèn)題。v高節(jié)點(diǎn)密度情況下的時(shí)間同步高節(jié)點(diǎn)密度情況下的時(shí)間同步 假設(shè)區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)需要時(shí)間同步，并且將同步信息傳遞給遠(yuǎn)處的一個(gè)接收者，而單個(gè)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有足夠資源產(chǎn)生高功率信號(hào)?？赏ㄟ^(guò)節(jié)點(diǎn)合作產(chǎn)生一個(gè)集合波形，它可被所有節(jié)點(diǎn)同時(shí)監(jiān)測(cè)到，并包含足夠信息來(lái)同步所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘，這種集合波形能有效仿真產(chǎn)生高功率時(shí)間同步信號(hào)的超級(jí)節(jié)點(diǎn)。19/208.小結(jié)小結(jié)v傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步研究集中于三種同步傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步研究集中于三種同步模型：模型： 第一種可能是最簡(jiǎn)單的模型，僅僅確定事件發(fā)生的正確順序，重點(diǎn)是維護(hù)兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)感知事件之間的時(shí)間關(guān)聯(lián)，而不是節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間