時(shí)間同步技術(shù)詳解演示文稿

時(shí)間同步技術(shù)詳解演示文稿現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三（優(yōu)選）時(shí)間同步技術(shù)現(xiàn)在是2頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三內(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)現(xiàn)在是3頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三內(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)現(xiàn)在是4頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三基本概念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(chǎng)合關(guān)鍵點(diǎn)：時(shí)鐘模型現(xiàn)在是5頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三WSN時(shí)間同步技術(shù)背景集中式系統(tǒng)與分布式系統(tǒng)不同節(jié)點(diǎn)晶振不同，時(shí)間長(zhǎng)了存在偏差受電池能量，存儲(chǔ)空間，帶寬限制集中式：事件間有著明確的時(shí)間先后關(guān)系，不存在同步問(wèn)題分布式：同步是必需的，只是對(duì)同步的要求程度不同無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步典型的分布式系統(tǒng)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的基礎(chǔ)需要解決的問(wèn)題同步精度功耗可擴(kuò)展性現(xiàn)在是6頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三時(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)象的范圍不同現(xiàn)在是7頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三時(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......現(xiàn)在是8頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三時(shí)鐘模型硬件時(shí)鐘模型軟件時(shí)鐘模型現(xiàn)在是9頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三硬件時(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現(xiàn)在是10頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三軟件時(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)現(xiàn)在是11頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三內(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)現(xiàn)在是12頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三傳統(tǒng)與挑戰(zhàn)傳統(tǒng)同步方法傳感器網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)現(xiàn)在是13頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三傳統(tǒng)同步：NTP與GPSNTP：網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議GPS：全球定位系統(tǒng)現(xiàn)在是14頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三NTP（NetworkTimeProtocol）體系結(jié)構(gòu)（網(wǎng)絡(luò)）現(xiàn)在是15頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三NTP（NetworkTimeProtocol）體系結(jié)構(gòu)（單機(jī)）現(xiàn)在是16頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三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(wú)線而非有線目標(biāo)不同：局部最優(yōu)而非全局最優(yōu)現(xiàn)在是17頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三GPS（GlobalPositionSystem）從根本上解決了人類在地球上的導(dǎo)航與定位問(wèn)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）現(xiàn)在是18頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三傳感器網(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)作現(xiàn)在是19頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三傳輸延遲的不確定性SendtimeAccesstimeTransmissiontimeReceptiontimeReceivetimePropagationtimeSenderReceiver現(xiàn)在是20頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三傳輸延遲的進(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。現(xiàn)在是21頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三低功耗、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)作現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三可擴(kuò)展性（Scalability）在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中尤為重要是大規(guī)模無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件設(shè)計(jì)中非常重要的問(wèn)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)用需求現(xiàn)在是23頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三健壯性外部環(huán)境復(fù)雜，搞毀能力需要應(yīng)對(duì)安全性挑戰(zhàn)無(wú)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、需求變化影響：數(shù)據(jù)融合和休眠喚醒方式節(jié)能現(xiàn)在是24頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三內(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)現(xiàn)在是25頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三典型時(shí)間同步協(xié)議NTP（NetworkTimeProtocol）DMTS

（DelayMeasurementTimeSynchronization）RBS

（ReferenceBroadcastSynchronization）TPSN

（Timing-syncProtocolforSensorNetworks）HRTS

（HierarchyReferencingTimeSynchronizationProtocol）FTSP

（FloodingTimeSynchronizationProtocol）GCS

（GlobalClockSynchronization）現(xiàn)在是26頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三發(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(wèn)時(shí)間DMTS（DelayMeasurementTimeSynchronization）現(xiàn)在是27頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三接收者接收者：RBSReceiverNICSenderCriticalPathTimeNICSenderReceiver1CriticalPathReceiver2RBS（ReferenceBroadcastSynchronization）現(xiàn)在是28頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三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現(xiàn)在是29頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三單跳RBS用最小二乘法估計(jì)clockskew提高同步精度現(xiàn)在是30頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三多跳RBS時(shí)間路由技術(shù)：基于最短路徑查找現(xiàn)在是31頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三TPSN（Timing-syncProtocolforSensorNetworks）否定：DMTSRBS否定之否定：RBSTPSNTPSN：雙報(bào)文交換的發(fā)送者接收者同步現(xiàn)在是32頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三節(jié)點(diǎn)A節(jié)點(diǎn)BT1T4T2T3RequestReply同步點(diǎn)TPSN（Timing-syncProtocolforSensorNetworks）現(xiàn)在是33頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三對(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）現(xiàn)在是34頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三多跳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同步現(xiàn)在是35頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三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)議現(xiàn)在是36頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三

BS

n1

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(a)

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(b)

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n1

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(c)

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BS

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n4

HRTS（HierarchyReferencingTimeSynchronizationProtocol）現(xiàn)在是37頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三根節(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）現(xiàn)在是38頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三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)現(xiàn)在是39頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三MAC層時(shí)間戳技術(shù)和平臺(tái)直接相關(guān)，書中給出了在Mica2平臺(tái)下的實(shí)現(xiàn)基本同步原理發(fā)送者--接收者同步單個(gè)報(bào)文中包括多個(gè)時(shí)間戳（在報(bào)文的不同位置）根據(jù)單個(gè)報(bào)文中的多個(gè)時(shí)間戳，可對(duì)中斷等待時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償對(duì)clockskew的補(bǔ)償仍采用最小二乘法FTSP（FloodingTimeSynchronizationProtocol）現(xiàn)在是40頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三多跳FTSP洪泛方式廣播時(shí)間基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間協(xié)議健壯實(shí)際做了工程化的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)在是41頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三內(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)現(xiàn)在是42頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三新型同步機(jī)制基于報(bào)文交換的同步機(jī)制面臨著挑戰(zhàn)同步精度問(wèn)題可擴(kuò)展性問(wèn)題新型同步機(jī)制螢火蟲同步協(xié)作同步兩個(gè)概念同時(shí)性與同步性現(xiàn)在是43頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三螢火蟲同步1935年，Science1975年,Peskin的RC模型1989年，M&S模型（無(wú)延遲）1998年，Ernst（有延遲）結(jié)論2005年，真實(shí)地實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，高效，可擴(kuò)展性強(qiáng)現(xiàn)在是44頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三M&S模型研究由初始不同步狀態(tài)如何達(dá)到同步狀態(tài)個(gè)體性質(zhì)相同,因此一旦達(dá)到同步則永遠(yuǎn)同步螢火蟲之間的交互被建模成電量耦合耦合延遲規(guī)定為0最終結(jié)論為:系統(tǒng)的同步收斂性取決于個(gè)體在自由狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)特性同步的實(shí)質(zhì)：不同步產(chǎn)生了耦合，耦合改變了狀態(tài)量，而狀態(tài)量又改變了相位量,相位差通過(guò)同步過(guò)程不斷縮小，最終達(dá)到完全相同,即同步狀態(tài)現(xiàn)在是45頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三M&S模型證明了全耦合系統(tǒng)的同步收斂性沒(méi)有證明多跳網(wǎng)絡(luò)的同步收斂性現(xiàn)在是46頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三Ernst的研究M&S模型沒(méi)有考慮耦合延遲，Ernst研究了耦合延遲固定時(shí)的情況M&S模型只研究了正耦合的情況，Ernst還研究了負(fù)耦合的情況現(xiàn)在是47頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三Ernst--正耦合（2個(gè)節(jié)點(diǎn)）存在兩種情況不可能達(dá)到完全同步其實(shí)是M&S模型的擴(kuò)展現(xiàn)在是48頁(yè)\一共有51頁(yè)\編輯于星期三Ernst--負(fù)耦合（2個(gè)節(jié)點(diǎn)）存在三種情況和Peskin的結(jié)論一致結(jié)論：考慮固定耦合延遲的情況下，只有負(fù)耦