無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)

1、 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 時(shí)間同步技術(shù)WSN時(shí)間同步概述概念：概念：各個(gè)節(jié)點(diǎn)定期或不定期與其他節(jié)點(diǎn)交換本地時(shí)鐘信息，并在協(xié)議或算法控制下調(diào)整本地時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)全局時(shí)間一直的過(guò)程。WSN為何需要進(jìn)行時(shí)間同步：為何需要進(jìn)行時(shí)間同步：不同節(jié)點(diǎn)晶體振蕩不同，存在累積誤差受能量、存儲(chǔ)、帶寬限制分布式系統(tǒng)，要求節(jié)點(diǎn)必須實(shí)現(xiàn)同步，不同系統(tǒng)要求程度不同時(shí)間同步要解決的問(wèn)題：時(shí)間同步要解決的問(wèn)題：保證同步的精度盡量小的功耗保證網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性時(shí)間同步的誤差來(lái)源WSN時(shí)間同步概述晶體震蕩晶體震蕩不同節(jié)點(diǎn)的晶體振蕩器間存在誤差，并且也會(huì)受到環(huán)境影響，這一誤差會(huì)隨時(shí)間累積。成本、資源成本、資源由于WSN資源受限，通信信道質(zhì)量不佳時(shí)

2、；節(jié)點(diǎn)密度大時(shí)，易造成延遲和出錯(cuò)，導(dǎo)致時(shí)間誤差。同步協(xié)議同步協(xié)議須在性能和開(kāi)銷間取得平衡，即用較小的通信代價(jià)取得較好的同步效果。協(xié)議執(zhí)行協(xié)議執(zhí)行信道出錯(cuò)，導(dǎo)致部分節(jié)點(diǎn)不能被同步，影響網(wǎng)絡(luò)的整體時(shí)間同步情況。時(shí)間同步技術(shù)NTP協(xié)議NTP協(xié)議即網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議，是一個(gè)集中式協(xié)議，同步精度達(dá)毫秒級(jí)。NTP基于節(jié)點(diǎn)間的雙向握手來(lái)預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)間時(shí)延并計(jì)算相對(duì)的時(shí)間偏差：需同步的終端發(fā)送時(shí)間請(qǐng)求，服務(wù)器回應(yīng)包含時(shí)間信息的應(yīng)答消息。協(xié)議假定兩個(gè)主機(jī)的傳播時(shí)延是一致的。時(shí)間同步技術(shù)NTP協(xié)議NTP協(xié)議特點(diǎn)NTP協(xié)議通過(guò)頻繁交換消息來(lái)校準(zhǔn)時(shí)鐘頻率偏差帶來(lái)的誤差，能耗較高。NTP基準(zhǔn)服務(wù)器間的時(shí)間同步需要基礎(chǔ)設(shè)施的協(xié)助。

3、NTP協(xié)議不適合WSNWSN節(jié)點(diǎn)能量有限，無(wú)法滿足NTP頻繁通信需求WSN時(shí)間同步目的實(shí)現(xiàn)局部最優(yōu)，而NTP實(shí)現(xiàn)全局同步，屬于集中式協(xié)議。時(shí)間同步技術(shù)GPS時(shí)間同步GPS時(shí)間同步原理GPS衛(wèi)星上配備有高精度的銣、銫原子鐘(以原子半衰期計(jì)時(shí))。衛(wèi)星不間斷發(fā)射的偽碼中包含有時(shí)間信息。優(yōu)點(diǎn)：精度高、操作簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：環(huán)境影響、通信功耗、安全性適合少數(shù)攜帶GPS模塊的傳感器節(jié)點(diǎn)使用。時(shí)間同步技術(shù)無(wú)線傳輸?shù)臅r(shí)延發(fā)送時(shí)延發(fā)送時(shí)延接入時(shí)延接入時(shí)延傳輸時(shí)延傳輸時(shí)延傳播時(shí)延傳播時(shí)延接收時(shí)延接收時(shí)延處理時(shí)延處理時(shí)延時(shí)間同步機(jī)制需考慮的因素時(shí)間同步技術(shù)擴(kuò)展性擴(kuò)展性在WSN中，由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和節(jié)點(diǎn)數(shù)量的不同，時(shí)間同步機(jī)制應(yīng)

4、能適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景穩(wěn)定性穩(wěn)定性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變換時(shí)，同步機(jī)制應(yīng)能保持連續(xù)性和同步精度魯棒性魯棒性在受到環(huán)境、信道通信質(zhì)量、節(jié)點(diǎn)失效等干擾情況下，保持正常工作收斂性收斂性時(shí)間同步機(jī)制應(yīng)能在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)成節(jié)點(diǎn)時(shí)間的同步低能耗低能耗WSN能量受限，同步機(jī)制應(yīng)能在保證運(yùn)作機(jī)能的前提下，盡量降低能耗時(shí)間同步協(xié)議的類型時(shí)間同步協(xié)議分層與平面模式分層與平面模式分層模式分層模式下層節(jié)點(diǎn)根據(jù)上層節(jié)點(diǎn)的時(shí)間進(jìn)行同步各簇之間時(shí)間可不同步分布式的同步協(xié)議平面模式平面模式除時(shí)間參考節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)的地位是相同的通過(guò)多跳傳輸?shù)确绞桨l(fā)送時(shí)間同步消息時(shí)間同步協(xié)議的類型時(shí)間同步協(xié)議絕對(duì)時(shí)間與相對(duì)時(shí)間模式絕對(duì)時(shí)間與相對(duì)時(shí)間模式絕

5、對(duì)時(shí)間模式絕對(duì)時(shí)間模式網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)絕對(duì)時(shí)間源所有節(jié)點(diǎn)都與絕對(duì)時(shí)間進(jìn)行同步如UTC、GPS等同步機(jī)制相對(duì)時(shí)間模式相對(duì)時(shí)間模式不必獲取絕對(duì)時(shí)間基準(zhǔn)同步的目的是盡量減小各節(jié)點(diǎn)硬件時(shí)鐘的最大偏差時(shí)間同步協(xié)議的類型時(shí)間同步協(xié)議發(fā)送者發(fā)送者-接收者與接收者接收者與接收者-接收者模式接收者模式發(fā)送者發(fā)送者-接收者模式接收者模式發(fā)送者周期性發(fā)送自己的時(shí)間信息接收者收到后根據(jù)時(shí)間戳，計(jì)算時(shí)延進(jìn)行同步接收者接收者-接收者模式接收者模式兩個(gè)接收者都受到時(shí)間信標(biāo)互相比較記錄的收到時(shí)間，調(diào)整并達(dá)到同步時(shí)間同步協(xié)議性能參數(shù)時(shí)間同步協(xié)議最大誤差最大誤差指節(jié)點(diǎn)間最大相對(duì)誤差，或者與外部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的最大誤差；網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大，最大誤差

6、越大同步時(shí)間同步時(shí)間節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行時(shí)間同步所需要的時(shí)間，也指周期進(jìn)行同步的時(shí)間間隔同步范圍同步范圍時(shí)間同步過(guò)程所包含的節(jié)點(diǎn)數(shù)量或區(qū)域范圍，全網(wǎng)范圍或部分區(qū)域效率效率達(dá)到同步精度與所耗費(fèi)的代價(jià)的比值，代價(jià)一般指時(shí)間和能量硬件代價(jià)硬件代價(jià)指為了完成某些協(xié)議的同步操作所需要的特殊硬件，會(huì)增加節(jié)點(diǎn)的成本和復(fù)雜性TPSN協(xié)議時(shí)間同步協(xié)議協(xié)議采用分層結(jié)構(gòu)，基于發(fā)送者-接收者模式?？商峁￤SN全網(wǎng)范圍內(nèi)的時(shí)間同步。同步過(guò)程：層次發(fā)現(xiàn)：建立樹(shù)形結(jié)構(gòu)，根節(jié)點(diǎn)廣播層次發(fā)現(xiàn)消息，直接接收者屬于層次1，收到層次1節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)消息的節(jié)點(diǎn)屬于層次2，以此類推，直至所有節(jié)點(diǎn)均納入層次。時(shí)間同步：根節(jié)點(diǎn)與層次1節(jié)點(diǎn)通過(guò)雙向握手進(jìn)行同

7、步，期間執(zhí)行隨機(jī)退避機(jī)制；層次1節(jié)點(diǎn)同步完成后，與層次2節(jié)點(diǎn)通過(guò)雙向握手進(jìn)行同步；以此類推，直至全網(wǎng)完成同步。TPSN協(xié)議時(shí)間同步協(xié)議相鄰級(jí)別節(jié)點(diǎn)間的同步機(jī)制相鄰級(jí)別節(jié)點(diǎn)間的同步機(jī)制i-1級(jí)級(jí)i級(jí)級(jí)消息傳播消息傳播時(shí)延時(shí)延兩節(jié)點(diǎn)間的兩節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間偏差時(shí)間偏差TPSN協(xié)議時(shí)間同步協(xié)議相鄰級(jí)別節(jié)點(diǎn)間的同步機(jī)制相鄰級(jí)別節(jié)點(diǎn)間的同步機(jī)制結(jié)論結(jié)論TPSN協(xié)議協(xié)議優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)在MAC層消息開(kāi)始發(fā)送到無(wú)線信道時(shí)才添加時(shí)間信標(biāo)，消除了訪問(wèn)時(shí)間帶來(lái)的誤差利用雙向交換信息計(jì)算消息的平均延遲，精度相對(duì)較高缺點(diǎn)缺點(diǎn)節(jié)點(diǎn)失效(尤其是靠近根節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)失效)會(huì)導(dǎo)致同步錯(cuò)誤，并在網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)散新節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，需初始化層次發(fā)現(xiàn)步驟，擴(kuò)展性

8、差不適合移動(dòng)節(jié)點(diǎn)或多跳同步等情況時(shí)間同步協(xié)議RBS協(xié)議時(shí)間同步協(xié)議協(xié)議采用平面結(jié)構(gòu)，基于接收者-接收者模式?？商峁┚植抗?jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步。基本原理：發(fā)送節(jié)點(diǎn)廣播的同步消息不含有時(shí)間戳，接收節(jié)點(diǎn)記錄接收消息的時(shí)間并進(jìn)行相互比較(多次通信)，估計(jì)相對(duì)的時(shí)間偏差并進(jìn)行同步。對(duì)于RF信號(hào)，可忽略傳播時(shí)間帶來(lái)的誤差；對(duì)于聲信號(hào)，則傳播時(shí)間必須考慮在內(nèi)。同步過(guò)程：發(fā)送者發(fā)出“信標(biāo)分組”數(shù)據(jù)包，廣播域內(nèi)節(jié)點(diǎn)“同時(shí)”接收。接收節(jié)點(diǎn)分別記錄接收時(shí)間接收節(jié)點(diǎn)交換各自記錄的接收時(shí)間，計(jì)算出差值存在差值的節(jié)點(diǎn)根據(jù)差值更改本地時(shí)間，實(shí)現(xiàn)接收節(jié)點(diǎn)之間的同步RBS協(xié)議時(shí)間同步協(xié)議RBS協(xié)議時(shí)間同步協(xié)議特點(diǎn)：相對(duì)傳統(tǒng)同步方式，

9、縮短了關(guān)鍵路徑，減小了同步偏差，提高了精度同步過(guò)程中的不確定性只來(lái)自數(shù)據(jù)包被接收和打上時(shí)間戳的步驟硬件偏差也可預(yù)先估計(jì)RBS協(xié)議時(shí)間同步協(xié)議多跳同步機(jī)制：A發(fā)送信標(biāo)分組后，完成與節(jié)點(diǎn)1、2、3、4的時(shí)間同步B發(fā)送信標(biāo)分組后，完成與節(jié)點(diǎn)4、5、6、7的時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)4位于兩個(gè)廣播域的交集內(nèi)，所以通過(guò)節(jié)點(diǎn)4可以同步兩個(gè)廣播域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)RBS協(xié)議時(shí)間同步協(xié)議多跳同步機(jī)制：節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)7監(jiān)測(cè)到附近發(fā)生事件節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)7分別記錄事件發(fā)生的時(shí)間節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)7可以通過(guò)翻譯節(jié)點(diǎn)4實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步RBS協(xié)議協(xié)議優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)消除了時(shí)間同步關(guān)鍵路徑上來(lái)自發(fā)送端的不確定性，減少了同步錯(cuò)誤，提高了效率輕量級(jí)，自適應(yīng)精度較傳統(tǒng)同步方式高缺點(diǎn)缺點(diǎn)同步精度受“接收端接收時(shí)間差”(節(jié)點(diǎn)間存在硬件和軟件差異)影響較大節(jié)點(diǎn)間通信量較大，增加了能量消耗傳輸碰撞概率增大時(shí)間同步協(xié)議