無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN 第7章 時(shí)間同步

第七章時(shí)間同步內(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)制小結(jié)WSN時(shí)間同步技術(shù)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(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)象的范圍不同時(shí)間同步技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)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(cè)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......時(shí)鐘模型硬件時(shí)鐘模型軟件時(shí)鐘模型硬件時(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(chǎng)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)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)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)NTP（NetworkTimeProtocol）體系結(jié)構(gòu)（網(wǎng)絡(luò)）NTP（NetworkTimeProtocol）體系結(jié)構(gòu)（單機(jī)）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)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(cè)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）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)作傳輸延遲的不確定性SendtimeAccesstimeTransmissiontimeReceptiontimeReceivetimePropagationtimeSenderReceiver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(zhǎng)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。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）發(fā)送者

接收者：DMTS

最簡(jiǎn)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）接收者

接收者：RBSReceiverNICSenderCriticalPathTimeNICSenderReceiver1CriticalPathReceiver2RBS（ReferenceBroadcastSynchronization）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單跳RBS用最小二乘法估計(jì)clockskew提高同步精度多跳RBS時(shí)間路由技術(shù)：基于最短路徑查找TPSN（Timing-syncProtocolforSensorNetworks）否定：DMTSRBS否定之否定：RBSTPSNTPSN：雙報(bào)文交換的發(fā)送者接收者同步節(jié)點(diǎn)A節(jié)點(diǎn)BT1T4T2T3RequestReply同步點(diǎn)TPSN（Timing-syncProtocolforSensorNetworks）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）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

BS

n1

n2

n3

(a)

BS

n1

n2

n3

(b)

BS

n1

n2

n3

(c)

n4

BS

n1

n2

n3

(d)

n4

HRTS（HierarchyReferencingTimeSynchro