無線傳感器網絡時間同步技術

無線傳感器網絡時間同步技術第一頁，共23頁。WSN時間同步概述概念：各個節(jié)點定期或不定期與其他節(jié)點交換本地時鐘信息，并在協(xié)議或算法控制下調整本地時鐘，實現(xiàn)全局時間一直的過程。WSN為何需要進行時間同步：不同節(jié)點晶體振蕩不同，存在累積誤差受能量、存儲、帶寬限制分布式系統(tǒng)，要求節(jié)點必須實現(xiàn)同步，不同系統(tǒng)要求程度不同時間同步要解決的問題：保證同步的精度盡量小的功耗保證網絡的可擴展性第二頁，共23頁。時間同步的誤差來源WSN時間同步概述晶體震蕩不同節(jié)點的晶體振蕩器間存在誤差，并且也會受到環(huán)境影響，這一誤差會隨時間累積。成本、資源由于WSN資源受限，通信信道質量不佳時；節(jié)點密度大時，易造成延遲和出錯，導致時間誤差。同步協(xié)議須在性能和開銷間取得平衡，即用較小的通信代價取得較好的同步效果。協(xié)議執(zhí)行信道出錯，導致部分節(jié)點不能被同步，影響網絡的整體時間同步情況。第三頁，共23頁。時間同步技術NTP協(xié)議NTP協(xié)議即網絡時間協(xié)議，是一個集中式協(xié)議，同步精度達毫秒級。NTP基于節(jié)點間的雙向握手來預測節(jié)點間時延并計算相對的時間偏差：需同步的終端發(fā)送時間請求，服務器回應包含時間信息的應答消息。協(xié)議假定兩個主機的傳播時延是一致的。第四頁，共23頁。時間同步技術NTP協(xié)議NTP協(xié)議特點NTP協(xié)議通過頻繁交換消息來校準時鐘頻率偏差帶來的誤差，能耗較高。NTP基準服務器間的時間同步需要基礎設施的協(xié)助。NTP協(xié)議不適合WSNWSN節(jié)點能量有限，無法滿足NTP頻繁通信需求WSN時間同步目的實現(xiàn)局部最優(yōu)，而NTP實現(xiàn)全局同步，屬于集中式協(xié)議。第五頁，共23頁。時間同步技術GPS時間同步GPS時間同步原理GPS衛(wèi)星上配備有高精度的銣、銫原子鐘(以原子半衰期計時)。衛(wèi)星不間斷發(fā)射的偽碼中包含有時間信息。優(yōu)點：精度高、操作簡單缺點：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)點使用。第六頁，共23頁。時間同步技術無線傳輸?shù)臅r延發(fā)送時延接入時延傳輸時延傳播時延接收時延處理時延第七頁，共23頁。時間同步機制需考慮的因素時間同步技術擴展性在WSN中，由于網絡規(guī)模和節(jié)點數(shù)量的不同，時間同步機制應能適應不同的網絡場景穩(wěn)定性網絡拓撲發(fā)生變換時，同步機制應能保持連續(xù)性和同步精度魯棒性在受到環(huán)境、信道通信質量、節(jié)點失效等干擾情況下，保持正常工作收斂性時間同步機制應能在較短的時間內達成節(jié)點時間的同步低能耗WSN能量受限，同步機制應能在保證運作機能的前提下，盡量降低能耗第八頁，共23頁。時間同步協(xié)議的類型時間同步協(xié)議分層與平面模式分層模式下層節(jié)點根據上層節(jié)點的時間進行同步各簇之間時間可不同步分布式的同步協(xié)議平面模式除時間參考節(jié)點，其他節(jié)點的地位是相同的通過多跳傳輸?shù)确绞桨l(fā)送時間同步消息第九頁，共23頁。時間同步協(xié)議的類型時間同步協(xié)議絕對時間與相對時間模式絕對時間模式網絡有一個絕對時間源所有節(jié)點都與絕對時間進行同步如UTC、GPS等同步機制相對時間模式不必獲取絕對時間基準同步的目的是盡量減小各節(jié)點硬件時鐘的最大偏差第十頁，共23頁。時間同步協(xié)議的類型時間同步協(xié)議發(fā)送者-接收者與接收者-接收者模式發(fā)送者-接收者模式發(fā)送者周期性發(fā)送自己的時間信息接收者收到后根據時間戳，計算時延進行同步接收者-接收者模式兩個接收者都受到時間信標互相比較記錄的收到時間，調整并達到同步第十一頁，共23頁。時間同步協(xié)議性能參數(shù)時間同步協(xié)議最大誤差指節(jié)點間最大相對誤差，或者與外部標準時間的最大誤差；網絡規(guī)模越大，最大誤差越大同步時間節(jié)點間進行時間同步所需要的時間，也指周期進行同步的時間間隔同步范圍時間同步過程所包含的節(jié)點數(shù)量或區(qū)域范圍，全網范圍或部分區(qū)域效率達到同步精度與所耗費的代價的比值，代價一般指時間和能量硬件代價指為了完成某些協(xié)議的同步操作所需要的特殊硬件，會增加節(jié)點的成本和復雜性第十二頁，共23頁。TPSN協(xié)議時間同步協(xié)議協(xié)議采用分層結構，基于發(fā)送者-接收者模式。可提供WSN全網范圍內的時間同步。同步過程：層次發(fā)現(xiàn)：建立樹形結構，根節(jié)點廣播層次發(fā)現(xiàn)消息，直接接收者屬于層次1，收到層次1節(jié)點轉發(fā)消息的節(jié)點屬于層次2，以此類推，直至所有節(jié)點均納入層次。時間同步：根節(jié)點與層次1節(jié)點通過雙向握手進行同步，期間執(zhí)行隨機退避機制；層次1節(jié)點同步完成后，與層次2節(jié)點通過雙向握手進行同步；以此類推，直至全網完成同步。第十三頁，共23頁。TPSN協(xié)議時間同步協(xié)議相鄰級別節(jié)點間的同步機制12i-1級i級消息傳播時延兩節(jié)點間的時間偏差12第十四頁，共23頁。TPSN協(xié)議時間同步協(xié)議相鄰級別節(jié)點間的同步機制結論——312第十五頁，共23頁。TPSN協(xié)議優(yōu)點在MAC層消息開始發(fā)送到無線信道時才添加時間信標，消除了訪問時間帶來的誤差利用雙向交換信息計算消息的平均延遲，精度相對較高缺點節(jié)點失效(尤其是靠近根節(jié)點的節(jié)點失效)會導致同步錯誤，并在網絡擴散新節(jié)點加入時，需初始化層次發(fā)現(xiàn)步驟，擴展性差不適合移動節(jié)點或多跳同步等情況時間同步協(xié)議第十六頁，共23頁。RBS協(xié)議時間同步協(xié)議協(xié)議采用平面結構，基于接收者-接收者模式?？商峁┚植抗?jié)點間的時間同步?；驹恚喊l(fā)送節(jié)點廣播的同步消息不含有時間戳，接收節(jié)點記錄接收消息的時間并進行相互比較(多次通信)，估計相對的時間偏差并進行同步。對于RF信號，可忽略傳播時間帶來的誤差；對于聲信號，則傳播時間必須考慮在內。第十七頁，共23頁。同步過程：發(fā)送者發(fā)出“信標分組”數(shù)據包，廣播域內節(jié)點“同時”接收。接收節(jié)點分別記錄接收時間接收節(jié)點交換各自記錄的接收時間，計算出差值存在差值的節(jié)點根據差值更改本地時間，實現(xiàn)接收節(jié)點之間的同步RBS協(xié)議時間同步協(xié)議第十八頁，共23頁。RBS協(xié)議時間同步協(xié)議特點：相對傳統(tǒng)同步方式，縮短了關鍵路徑，減小了同步偏差，提高了精度同步過程中的不確定性只來自數(shù)據包被接收和打上時間戳的步驟硬件偏差也可預先估計第十九頁，共23頁。RBS協(xié)議時間同步協(xié)議多跳同步機制：A發(fā)送信標分組后，完成與節(jié)點1、2、3、4的時間同步B發(fā)送信標分組后，完成與節(jié)點4、5、6、7的時間同步節(jié)點4位于兩個廣播域的交集內，所以通過節(jié)點4可以同步兩個廣播域內的節(jié)點第二十頁，共23頁。RBS協(xié)議時間同步協(xié)議多跳同步機制：節(jié)點1和節(jié)點7監(jiān)測到附近發(fā)生事件節(jié)點1和節(jié)點7分別記錄事件發(fā)生的時間節(jié)點1和節(jié)點7可以通過翻譯節(jié)點4實現(xiàn)時間同步第二十一頁，共23頁。RBS協(xié)議優(yōu)點消除了時間同步關