時間同步技術

時間同步技術內容提要基本概念傳統(tǒng)與挑戰(zhàn)典型時間同步協(xié)議新型同步機制總結內容提要基本概念傳統(tǒng)與挑戰(zhàn)典型時間同步協(xié)議新型同步機制總結基本概念WSN時間同步技術背景時間同步技術的分類時間同步技術的應用場合關鍵點：時鐘模型WSN時間同步技術背景集中式系統(tǒng)與分布式系統(tǒng)集中式：事件間有著明確的時間先后關系，不存在同步問題分布式：同步是必需的，只是對同步的要求程度不同無線傳感器網絡時間同步典型的分布式系統(tǒng)是無線傳感器網絡應用的基礎需要解決的問題同步精度功耗可擴展性WSN時間同步機制的主要性能參數最大誤差：一組傳感器節(jié)點之間的最大時間差或相對外部標準時間的最大差值。同步期限：節(jié)點保持時間同步的時間長度。同步范圍：節(jié)點保持時間同步的區(qū)域范圍?？捎眯裕悍秶采w的完整性。效率：達到同步精度所經歷的時間以及消耗的能量。代價和體積：需要考慮節(jié)點的價格和體積。時間同步技術的分類排序、相對同步與絕對同步遞進關系各自具有典型的協(xié)議代表外同步與內同步參考源不同局部同步與全網同步同步對象的范圍不同時間同步技術的應用場合多傳感器數據壓縮與融合低功耗MAC協(xié)議、路由協(xié)議測距、定位（位置相關報務，LBS）分布式系統(tǒng)的傳統(tǒng)要求協(xié)作傳輸、處理的要求......時鐘模型硬件時鐘模型軟件時鐘模型軟件時鐘模型軟件虛擬時鐘一般是個分段連續(xù)、嚴格單調的函數相關術語信標節(jié)點和未知節(jié)點鄰居節(jié)點跳數、跳段距離基礎設施到達時間、到達時間差接收信號強度指示到達角度視線關系、非視線關系內容提要基本概念傳統(tǒng)與挑戰(zhàn)典型時間同步協(xié)議新型同步機制總結傳統(tǒng)與挑戰(zhàn)傳統(tǒng)同步方法傳感器網絡的挑戰(zhàn)傳統(tǒng)同步：NTP與GPSNTP：網絡時間協(xié)議GPS：全球定位系統(tǒng)NTP（NetworkTimeProtocol）體系結構（網絡）NTP（NetworkTimeProtocol）體系結構（單機）NTP（NetworkTimeProtocol）NTP不適合于WSN體積、計算能力和存儲空間存在限制傳輸方式不同：無線而非有線目標不同：局部最優(yōu)而非全局最優(yōu)GPS（GlobalPositionSystem）從根本上解決了人類在地球上的導航與定位問題。每顆衛(wèi)星上配備有高精度的銣、銫原子鐘，并不斷發(fā)射其時間信息地面接收裝置同時接收4顆衛(wèi)星的時間信息，采用偽距測量定位方法可計算出時間和位置信息缺點（室內、功耗、安全性、分布式）傳感器網絡的挑戰(zhàn)室內、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展性、移動性健壯性、安全性網絡規(guī)模大、多點協(xié)作傳輸延遲的不確定性SendtimeAccesstimeTransmissiontimeReceptiontimeReceivetimePropagationtimeSenderReceiver發(fā)送時間：發(fā)送節(jié)點構造和發(fā)送時間同步消息所用時間。e.g.,系統(tǒng)調用時間；內核調度時間；消息從主機發(fā)送到網絡接口時間。訪問時間：發(fā)送節(jié)點等待訪問網絡傳輸信道的時間。傳播延遲：發(fā)送節(jié)點傳輸到接收節(jié)點所經歷的時間。接收時間：從接收節(jié)點的網絡接口接收到消息到通知主機消息達到事件所經歷的時間間隔。傳輸延遲的進一步細化(在Mica2上)時間典型值特性Sendtime&Receivetime0~100ms不確定，依賴處理器負載、操作系統(tǒng)系統(tǒng)調用開銷Accesstime10~500ms不確定，依賴信道負載。Transmissiontime&Receptiontime10~20ms確定，依賴報文長度和發(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特性。Interruptwaitingtime在大多數情況下<5μs，在重負載下，可達30μs不確定，依賴處理器類型和處理器負載。Encodingtime&Decodingtime100~200μs，<2μs的抖動確定，依賴射頻芯片的種類和設置。Bytealignmenttime0~400μs確定，依賴發(fā)送速率和收發(fā)字節(jié)偏移。低功耗、低成本和小體積軟硬件都要受到該限制存儲與計算能力均比較小加劇了電能供應的緊張（電池體積）網絡規(guī)模大、密度高通信距離近

分布式、協(xié)作可擴展性（Scalability）在大規(guī)模網絡中尤為重要是大規(guī)模無線傳感器網絡軟硬件設計中非常重要的問題滿足不同的網絡類型、網絡規(guī)模滿足不同的應用需求健壯性外部環(huán)境復雜，搞毀能力需要應對安全性挑戰(zhàn)無線傳感器網絡拓撲動態(tài)性較強網絡規(guī)模變化、需求變化內容提要基本概念傳統(tǒng)與挑戰(zhàn)典型時間同步協(xié)議新型同步機制總結典型時間同步協(xié)議NTP（NetworkTimeProtocol）DMTS（DelayMeasurementTimeSynchronization）RBS（ReferenceBroadcastSynchronization）TPSN（Timing-syncProtocolforSensorNetworks）HRTS（HierarchyReferencingTimeSynchronizationProtocol）FTSP（FloodingTimeSynchronizationProtocol）GCS（GlobalClockSynchronization）發(fā)送者

接收者：DMTS最簡單直觀單報文同步

同步精度低t0+nt+(t2-t1)

廣播方式

同步能耗低發(fā)送者接收者發(fā)送前導碼、同步字（nt）嵌入時標t0：發(fā)送端的處理延遲和MAC層的訪問延遲接收前導碼、同步字接收ACK接收數據發(fā)送ACK接收處理時標t1時標t2發(fā)送時間訪問時間DMTS（DelayMeasurementTimeSynchronization）基于同步消息在傳輸路徑上所有延遲的估計，實現(xiàn)節(jié)點間的時間同步接收者

接收者：RBS（ReferenceBroadcastSynchronizationReceiverNICSenderCriticalPathTimeNICSenderReceiver1CriticalPathReceiver2通過廣播同步指示分組實現(xiàn)接收點間的相對時間同步RF信號的傳播時間差值非常小可以消除接收節(jié)點的接收協(xié)議處理、上下文切換、網絡接口向主機傳送影響RBS機制性能的因素：時鐘偏差、接收點飛確定性因素以及接收點的個數RBS（ReferenceBroadcastSynchronization）接收者

接收者同步的基本依據：接收者時間相移均值為0單跳RBS用最小二乘法估計clockskew提高同步精度多跳RBS時間路由技術：基于最短路徑查找TPSN（Timing-syncProtocolforSensorNetworks）否定：DMTSRBS否定之否定：RBSTPSNTPSN：雙報文交換的發(fā)送者接收者同步節(jié)點A節(jié)點BT1T4T2T3RequestReply同步點TPSN（Timing-syncProtocolforSensorNetworks）對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驗證明：TPSN同步誤差是RBS的一半結合對clockskew的估計，可以提高TPSN的精度TPSN（Timing-syncProtocolforSensorNetworks）多跳TPSN全網周期性同步“層發(fā)現(xiàn)”把網絡組織成最短生成樹逐層在相鄰兩層節(jié)點間同步網絡內兩個節(jié)點的同步“后同步”查找兩個節(jié)點間的路徑在路徑的相鄰兩個節(jié)點間進行TPSN同步HRTS（HierarchyReferencingTimeSynchronizationProtocol）TPSN基于雙向報文交換，因此同步精度高TPSN本質上是對同步，因此全網同步的同步能耗高由DMTS發(fā)現(xiàn)，廣播能降低全網同步能耗結合廣播和節(jié)點間的雙向報文交換同步HRTS協(xié)議

BS

n1

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(a)

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(b)

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HRTS（HierarchyReferencingTimeSynchronizationProtocol）根節(jié)點和應答者節(jié)點本質上是采用TPSN同步根節(jié)點和非應答者節(jié)點本質上是雙向報文交換同步（但非TPSN）應答者節(jié)點和非應答者節(jié)點本質上是接收者--接收者同步HRTS（HierarchyReferencingTimeSynchronizationProtocol）FTSP（FloodingTimeSynchronizationProtocol）同步精度高工程實用性強強調實現(xiàn)細節(jié)MAC層