時(shí)間同步技術(shù)

時(shí)間同步技術(shù)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)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)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WSN時(shí)間同步機(jī)制的主要性能參數(shù)最大誤差：一組傳感器節(jié)點(diǎn)之間的最大時(shí)間差或相對(duì)外部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的最大差值。同步期限：節(jié)點(diǎn)保持時(shí)間同步的時(shí)間長度。同步范圍：節(jié)點(diǎn)保持時(shí)間同步的區(qū)域范圍。可用性：范圍覆蓋的完整性。效率：達(dá)到同步精度所經(jīng)歷的時(shí)間以及消耗的能量。代價(jià)和體積：需要考慮節(jié)點(diǎn)的價(jià)格和體積。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......時(shí)鐘模型硬件時(shí)鐘模型軟件時(shí)鐘模型軟件時(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)相關(guān)術(shù)語信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)鄰居節(jié)點(diǎn)跳數(shù)、跳段距離基礎(chǔ)設(shè)施到達(dá)時(shí)間、到達(dá)時(shí)間差接收信號(hào)強(qiáng)度指示到達(dá)角度視線關(guān)系、非視線關(guān)系內(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)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發(fā)送時(shí)間：發(fā)送節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和發(fā)送時(shí)間同步消息所用時(shí)間。e.g.,系統(tǒng)調(diào)用時(shí)間；內(nèi)核調(diào)度時(shí)間；消息從主機(jī)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)接口時(shí)間。訪問時(shí)間：發(fā)送節(jié)點(diǎn)等待訪問網(wǎng)絡(luò)傳輸信道的時(shí)間。傳播延遲：發(fā)送節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)浇邮展?jié)點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間。接收時(shí)間：從接收節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)接口接收到消息到通知主機(jī)消息達(dá)到事件所經(jīng)歷的時(shí)間間隔。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。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)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最簡單直觀單報(bào)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(dǎo)碼、同步字（nt）嵌入時(shí)標(biāo)t0：發(fā)送端的處理延遲和MAC層的訪問延遲接收前導(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）基于同步消息在傳輸路徑上所有延遲的估計(jì)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步接收者

接收者：RBS（ReferenceBroadcastSynchronizationReceiverNICSenderCriticalPathTimeNICSenderReceiver1CriticalPathReceiver2通過廣播同步指示分組實(shí)現(xiàn)接收點(diǎn)間的相對(duì)時(shí)間同步RF信號(hào)的傳播時(shí)間差值非常小可以消除接收節(jié)點(diǎn)的接收協(xié)議處理、上下文切換、網(wǎng)絡(luò)接口向主機(jī)傳送影響RBS機(jī)制性能的因素：時(shí)鐘偏差、接收點(diǎn)飛確定性因素以及接收點(diǎn)的個(gè)數(shù)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（HierarchyReferencingTimeSynchronizationProtocol）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）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)MAC層