時(shí)間同步技術(shù)詳解演示文稿

時(shí)間同步技術(shù)詳解演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有51頁\編輯于星期三（優(yōu)選）時(shí)間同步技術(shù)現(xiàn)在是2頁\一共有51頁\編輯于星期三內(nèi)容提要基本概念傳統(tǒng)與挑戰(zhàn)典型時(shí)間同步協(xié)議新型同步機(jī)制總結(jié)現(xiàn)在是3頁\一共有51頁\編輯于星期三內(nèi)容提要基本概念傳統(tǒng)與挑戰(zhàn)典型時(shí)間同步協(xié)議新型同步機(jī)制總結(jié)現(xiàn)在是4頁\一共有51頁\編輯于星期三基本概念WSN時(shí)間同步技術(shù)背景時(shí)間同步技術(shù)的分類時(shí)間同步技術(shù)的應(yīng)用場合關(guān)鍵點(diǎn)：時(shí)鐘模型現(xiàn)在是5頁\一共有51頁\編輯于星期三WSN時(shí)間同步技術(shù)背景集中式系統(tǒng)與分布式系統(tǒng)不同節(jié)點(diǎn)晶振不同，時(shí)間長了存在偏差受電池能量，存儲(chǔ)空間，帶寬限制集中式：事件間有著明確的時(shí)間先后關(guān)系，不存在同步問題分布式：同步是必需的，只是對(duì)同步的要求程度不同無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步典型的分布式系統(tǒng)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的基礎(chǔ)需要解決的問題同步精度功耗可擴(kuò)展性現(xiàn)在是6頁\一共有51頁\編輯于星期三時(shí)間同步技術(shù)的分類排序、相對(duì)同步與絕對(duì)同步遞進(jìn)關(guān)系各自具有典型的協(xié)議代表外同步與內(nèi)同步參考源不同局部同步與全網(wǎng)同步同步對(duì)象的范圍不同現(xiàn)在是7頁\一共有51頁\編輯于星期三時(shí)間同步技術(shù)的應(yīng)用場合多傳感器數(shù)據(jù)壓縮與融合低功耗MAC協(xié)議、路由協(xié)議測距、定位（位置相關(guān)報(bào)務(wù)，LBS）分布式系統(tǒng)的傳統(tǒng)要求協(xié)作傳輸、處理的要求......現(xiàn)在是8頁\一共有51頁\編輯于星期三時(shí)鐘模型硬件時(shí)鐘模型軟件時(shí)鐘模型現(xiàn)在是9頁\一共有51頁\編輯于星期三硬件時(shí)鐘模型基本名詞時(shí)間、晶振、時(shí)鐘（RTC）時(shí)鐘偏移（clockoffset）時(shí)鐘飄移（clockdrift）速率恒定模型最常用，但不適應(yīng)環(huán)境變化劇烈的場合飄移有界模型常用于確定同步誤差上下界飄移變化有界模型現(xiàn)在是10頁\一共有51頁\編輯于星期三軟件時(shí)鐘模型軟件虛擬時(shí)鐘一般是個(gè)分段連續(xù)、嚴(yán)格單調(diào)的函數(shù)現(xiàn)在是11頁\一共有51頁\編輯于星期三內(nèi)容提要基本概念傳統(tǒng)與挑戰(zhàn)典型時(shí)間同步協(xié)議新型同步機(jī)制總結(jié)現(xiàn)在是12頁\一共有51頁\編輯于星期三傳統(tǒng)與挑戰(zhàn)傳統(tǒng)同步方法傳感器網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)現(xiàn)在是13頁\一共有51頁\編輯于星期三傳統(tǒng)同步：NTP與GPSNTP：網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議GPS：全球定位系統(tǒng)現(xiàn)在是14頁\一共有51頁\編輯于星期三NTP（NetworkTimeProtocol）體系結(jié)構(gòu)（網(wǎng)絡(luò)）現(xiàn)在是15頁\一共有51頁\編輯于星期三NTP（NetworkTimeProtocol）體系結(jié)構(gòu)（單機(jī)）現(xiàn)在是16頁\一共有51頁\編輯于星期三NTP（NetworkTimeProtocol）NTP不適合于WSN體積、計(jì)算能力和存儲(chǔ)空間存在限制傳輸方式不同：無線而非有線目標(biāo)不同：局部最優(yōu)而非全局最優(yōu)現(xiàn)在是17頁\一共有51頁\編輯于星期三GPS（GlobalPositionSystem）從根本上解決了人類在地球上的導(dǎo)航與定位問題。每顆衛(wèi)星上配備有高精度的銣、銫原子鐘，并不斷發(fā)射其時(shí)間信息地面接收裝置同時(shí)接收4顆衛(wèi)星的時(shí)間信息，采用偽距測量定位方法可計(jì)算出時(shí)間和位置信息缺點(diǎn)（室內(nèi)、功耗、安全性、分布式）現(xiàn)在是18頁\一共有51頁\編輯于星期三傳感器網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)室內(nèi)、礦井、森林，有遮擋低功耗、低成本和小體積傳輸延遲的不確定性可擴(kuò)展性、移動(dòng)性健壯性、安全性網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、多點(diǎn)協(xié)作現(xiàn)在是19頁\一共有51頁\編輯于星期三傳輸延遲的不確定性SendtimeAccesstimeTransmissiontimeReceptiontimeReceivetimePropagationtimeSenderReceiver現(xiàn)在是20頁\一共有51頁\編輯于星期三傳輸延遲的進(jìn)一步細(xì)化(在Mica2上)時(shí)間典型值特性Sendtime&Receivetime0~100ms不確定，依賴處理器負(fù)載、操作系統(tǒng)系統(tǒng)調(diào)用開銷Accesstime10~500ms不確定，依賴信道負(fù)載。Transmissiontime&Receptiontime10~20ms確定，依賴報(bào)文長度和發(fā)送速率。Propagationtime<1μs（距離<300米）確定，依賴收發(fā)方物理距離和傳播媒質(zhì)特性。Interruptwaitingtime在大多數(shù)情況下<5μs，在重負(fù)載下，可達(dá)30μs不確定，依賴處理器類型和處理器負(fù)載。Encodingtime&Decodingtime100~200μs，<2μs的抖動(dòng)確定，依賴射頻芯片的種類和設(shè)置。Bytealignmenttime0~400μs確定，依賴發(fā)送速率和收發(fā)字節(jié)偏移。現(xiàn)在是21頁\一共有51頁\編輯于星期三低功耗、低成本和小體積軟硬件都要受到該限制存儲(chǔ)與計(jì)算能力均比較小加劇了電能供應(yīng)的緊張（電池體積）網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、密度高通信距離近分布式、協(xié)作現(xiàn)在是22頁\一共有51頁\編輯于星期三可擴(kuò)展性（Scalability）在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中尤為重要是大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件設(shè)計(jì)中非常重要的問題滿足不同的網(wǎng)絡(luò)類型、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模滿足不同的應(yīng)用需求現(xiàn)在是23頁\一共有51頁\編輯于星期三健壯性外部環(huán)境復(fù)雜，搞毀能力需要應(yīng)對(duì)安全性挑戰(zhàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)性較強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變化、需求變化影響：數(shù)據(jù)融合和休眠喚醒方式節(jié)能現(xiàn)在是24頁\一共有51頁\編輯于星期三內(nèi)容提要基本概念傳統(tǒng)與挑戰(zhàn)典型時(shí)間同步協(xié)議新型同步機(jī)制總結(jié)現(xiàn)在是25頁\一共有51頁\編輯于星期三典型時(shí)間同步協(xié)議NTP（NetworkTimeProtocol）DMTS

（DelayMeasurementTimeSynchronization）RBS

（ReferenceBroadcastSynchronization）TPSN

（Timing-syncProtocolforSensorNetworks）HRTS

（HierarchyReferencingTimeSynchronizationProtocol）FTSP

（FloodingTimeSynchronizationProtocol）GCS

（GlobalClockSynchronization）現(xiàn)在是26頁\一共有51頁\編輯于星期三發(fā)送者接收者：DMTS

最簡單直觀單報(bào)文同步同步精度低廣播方式同步能耗低發(fā)送者接收者發(fā)送前導(dǎo)碼、同步字嵌入時(shí)標(biāo)t0接收前導(dǎo)碼、同步字接收ACK接收數(shù)據(jù)發(fā)送ACK接收處理時(shí)標(biāo)t1時(shí)標(biāo)t2發(fā)送時(shí)間訪問時(shí)間DMTS（DelayMeasurementTimeSynchronization）現(xiàn)在是27頁\一共有51頁\編輯于星期三接收者接收者：RBSReceiverNICSenderCriticalPathTimeNICSenderReceiver1CriticalPathReceiver2RBS（ReferenceBroadcastSynchronization）現(xiàn)在是28頁\一共有51頁\編輯于星期三RBS（ReferenceBroadcastSynchronization）接收者接收者同步的基本依據(jù)：接收者時(shí)間相移均值為0現(xiàn)在是29頁\一共有51頁\編輯于星期三單跳RBS用最小二乘法估計(jì)clockskew提高同步精度現(xiàn)在是30頁\一共有51頁\編輯于星期三多跳RBS時(shí)間路由技術(shù)：基于最短路徑查找現(xiàn)在是31頁\一共有51頁\編輯于星期三TPSN（Timing-syncProtocolforSensorNetworks）否定：DMTSRBS否定之否定：RBSTPSNTPSN：雙報(bào)文交換的發(fā)送者接收者同步現(xiàn)在是32頁\一共有51頁\編輯于星期三節(jié)點(diǎn)A節(jié)點(diǎn)BT1T4T2T3RequestReply同步點(diǎn)TPSN（Timing-syncProtocolforSensorNetworks）現(xiàn)在是33頁\一共有51頁\編輯于星期三對(duì)同步誤差的分析很重要，是一種基本的分析方法理論分析和實(shí)驗(yàn)證明：TPSN同步誤差是RBS的一半結(jié)合對(duì)clockskew的估計(jì)，可以提高TPSN的精度TPSN（Timing-syncProtocolforSensorNetworks）現(xiàn)在是34頁\一共有51頁\編輯于星期三多跳TPSN全網(wǎng)周期性同步“層發(fā)現(xiàn)”把網(wǎng)絡(luò)組織成最短生成樹逐層在相鄰兩層節(jié)點(diǎn)間同步網(wǎng)絡(luò)內(nèi)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的同步“后同步”查找兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的路徑在路徑的相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行TPSN同步現(xiàn)在是35頁\一共有51頁\編輯于星期三HRTS（HierarchyReferencingTimeSynchronizationProtocol）TPSN基于雙向報(bào)文交換，因此同步精度高TPSN本質(zhì)上是對(duì)同步，因此全網(wǎng)同步的同步能耗高由DMTS發(fā)現(xiàn)，廣播能降低全網(wǎng)同步能耗結(jié)合廣播和節(jié)點(diǎn)間的雙向報(bào)文交換同步HRTS協(xié)議現(xiàn)在是36頁\一共有51頁\編輯于星期三

BS

n1

n2

n3

(a)

BS

n1

n2

n3

(b)

BS

n1

n2

n3

(c)

n4

BS

n1

n2

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(d)

n4

HRTS（HierarchyReferencingTimeSynchronizationProtocol）現(xiàn)在是37頁\一共有51頁\編輯于星期三根節(jié)點(diǎn)和應(yīng)答者節(jié)點(diǎn)本質(zhì)上是采用TPSN同步根節(jié)點(diǎn)和非應(yīng)答者節(jié)點(diǎn)本質(zhì)上是雙向報(bào)文交換同步（但非TPSN）應(yīng)答者節(jié)點(diǎn)和非應(yīng)答者節(jié)點(diǎn)本質(zhì)上是接收者--接收者同步HRTS（HierarchyReferencingTimeSynchronizationProtocol）現(xiàn)在是38頁\一共有51頁\編輯于星期三FTSP（FloodingTimeSynchronizationProtocol）同步精度高工程實(shí)用性強(qiáng)強(qiáng)調(diào)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)現(xiàn)在是39頁\一共有51頁\編輯于星期三MAC層時(shí)間戳技術(shù)和平臺(tái)直接相關(guān)，書中給出了在Mica2平臺(tái)下的實(shí)現(xiàn)基本同步原理發(fā)送者--接收者同步單個(gè)報(bào)文中包括多個(gè)時(shí)間戳（在報(bào)文的不同位置）根據(jù)單個(gè)報(bào)文中的多個(gè)時(shí)間戳，可對(duì)中斷等待時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償對(duì)clockskew的補(bǔ)償仍采用最小二乘法FTSP（FloodingTimeSynchronizationProtocol）現(xiàn)在是40頁\一共有51頁\編輯于星期三多跳FTSP洪泛方式廣播時(shí)間基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間協(xié)議健壯實(shí)際做了工程化的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)在是41頁\一共有51頁\編輯于星期三內(nèi)容提要基本概念傳統(tǒng)與挑戰(zhàn)典型時(shí)間同步協(xié)議新型同步機(jī)制總結(jié)現(xiàn)在是42頁\一共有51頁\編輯于星期三新型同步機(jī)制基于報(bào)文交換的同步機(jī)制面臨著挑戰(zhàn)同步精度問題可擴(kuò)展性問題新型同步機(jī)制螢火蟲同步協(xié)作同步兩個(gè)概念同時(shí)性與同步性現(xiàn)在是43頁\一共有51頁\編輯于星期三螢火蟲同步1935年，Science1975年,Peskin的RC模型1989年，M&S模型（無延遲）1998年，Ernst（有延遲）結(jié)論2005年，真實(shí)地實(shí)現(xiàn)簡單，高效，可擴(kuò)展性強(qiáng)現(xiàn)在是44頁\一共有51頁\編輯于星期三M&S模型研究由初始不同步狀態(tài)如何達(dá)到同步狀態(tài)個(gè)體性質(zhì)相同,因此一旦達(dá)到同步則永遠(yuǎn)同步螢火蟲之間的交互被建模成電量耦合耦合延遲規(guī)定為0最終結(jié)論為:系統(tǒng)的同步收斂性取決于個(gè)體在自由狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)特性同步的實(shí)質(zhì)：不同步產(chǎn)生了耦合，耦合改變了狀態(tài)量，而狀態(tài)量又改變了相位量,相位差通過同步過程不斷縮小，最終達(dá)到完全相同,即同步狀態(tài)現(xiàn)在是45頁\一共有51頁\編輯于星期三M&S模型證明了全耦合系統(tǒng)的同步收斂性沒有證明多跳網(wǎng)絡(luò)的同步收斂性現(xiàn)在是46頁\一共有51頁\編輯于星期三Ernst的研究M&S模型沒有考慮耦合延遲，Ernst研究了耦合延遲固定時(shí)的情況M&S模型只研究了正耦合的情況，Ernst還研究了負(fù)耦合的情況現(xiàn)在是47頁\一共有51頁\編輯于星期三Ernst--正耦合（2個(gè)節(jié)點(diǎn)）存在兩種情況不可能達(dá)到完全同步其實(shí)是M&S模型的擴(kuò)展現(xiàn)在是48頁\一共有51頁\編輯于星期三Ernst--負(fù)耦合（2個(gè)節(jié)點(diǎn)）存在三種情況和Peskin的結(jié)論一致結(jié)論：考慮固定耦合延遲的情況下，只有負(fù)耦