第7章 时间同步技术

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RBS能够消除发送节点引起的同步误差,在忽略传播时间的情况下,主要的误差来 源就只剩下接收节点之间的处理时间差,以及发送节点和接收节点间的无线电同步 误差,这两者都只有μs级,因此RBS算法的同步精度非常高,但RBS算法的网络开销 比较大,对于单播域中的n个节点和m个参考广播消息,RBS算法的复杂度为O(mn2)。
当一个节点收到第i级节点的广播分组后,记录发送这个广播分组的节点 的ID,设置自己的级别为i+1。这个过程持续下去,直到网络内的每个 节点都具有一个级别为止。如果节点已经建立自己的级别,就忽略其他 的级别发现分组。
第七章 时间同步技术
传统时间同步技术——TPSN
2.时间同步阶段
层次结构建立以后,根节点就会广播时间同步分组,启动时间同步阶段。第1级 节点收到这个分组后。在等待一段随机时间后,向根节点发送时间同步请求消息 包,进行同步过程,与此同时第2级节点会侦听到第1级节点发送的时间同步请求 消息包,第2级节点也开始自己的同步过程。这样,时间同步就由根节点扩散到整 个网络,最终完成全网的时间同步。
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传统时间同步技术——RBS
在RBS算法中,接收节点只需比较接收节点接收报文的时间之差, 因此在发送节点发送的参考报文中无须携带发送节点的本地时间。 同步误差只与接收者们是否在同一时刻记录本地时间有关,为了减 小时间同步的误差,RBS采用了统计技术,同时广播多个时间同步消 息,求相互之间消息到达的时间差的平均值,这样就能在最大程度上 消除非同时记录的影响 另外对于节点间的时钟漂移情况,RBS采用最小平方误差的线性回 归方法,对从某时刻开始的节点间的时钟偏移数据进行线性拟合。
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传统时间同步技术——同步机制
发送者-接收者同步模式:发送者发送带有时间戳的同步包 给接收者,同步接收者的时间,这种模式的缺陷是不能够准 确地估计算出报文的传输延迟,精度不高,通过单个报文的 传输不能够准确地估算传输延迟。主要代表协议为DTMS协议。 接收者-接收者同步模式:多个接收者利用发送者发送的同 步包在若干接收者之间进行同步,接收者-接收者模式缩短了 关键路径,避免发送者到接收者的关键路径过长而导致的不 准确的传输延迟估计,主要代表协议为RBS协议
RBS同步机制的工作流程如下:假设有N个节点组成的单跳网络 ,1个发送节点,N−1个接收节点,发送节点周期性地向接收节点发 送参考报文,广播域内的接收节点都将收到该参考报文,并各自记 录收到该报文的时刻。接收者们通过交换本地时间戳信息,这样这 一组节点就可以计算出它们之间的时钟偏差。
RBS算法中广播的时间同步消息与真实的时间戳信息并无多大关 系,它也不关心准确的发送和接收时间,而只关心报文传输的差值 ,RBS同步算法完全排除了发送时间和接收时间的干扰。
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传统时间同步技术——TPSN
1.层次发现阶段 在网络部署后,根节点首先广播以使发现分组,启动层次发现阶段。
级别发现分组包含发送节点的ID和级别。根节点是0级节点,在根节点 广播域内的节点收到根节点发送的分组后,将自己的级别设置为分组中 的级别加1,即为第1级,然后将自己的级别和ID作为新的发现分组广播 出去。
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传统时间同步技术——DMTS
DTMS报文同步的传输过程:为了避免发送等待事件对本地时间的干扰,发 送方在检测到信道空闲之后才在报文中嵌入发送时间t0,根据无线传感器通信 协议规定,报文在发送之前需要先发送一定数量的前导码和同步字,根据发送 速率我们可以知道单个比特的发送时间为Δt。而接收者在同步字结束的时候后, 记录下此时的本地时间t1,并在即将调整自己的本地时间之前记录下此时的时 刻t2,由此我们知道接收方的报文处理延迟为t2−t1。接收者将自己的时间改为 t0+nΔt+t2−t1,以达到与发送者之间的时间同步。
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时间同步技术研究现状与发展——NTP
NTP 协 议 采 用 的 是 分 层 结 构 , 拓 扑 结 构如图所示,整个NTP协议分为三层结 构,其中A1、A2、A3为顶层的时间服务 器,B1、B2、B3为第二层时间服务器, 其余均为客户机。 第一层时间服务器通过GPRS或者广播 网络等方式来获得标准的UTC时间,其 他层的时间服务器或者客户机选择一个 或者多个上一层的时间服务器来同步本 地时间,从而使整个网络所有服务器和 客户机时间同步。
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时间同步技术关键问题
影响时间同步的传输时延
发送时间:发送方用于组装并将报文换交给发送方MAC层的时间。 访问时间:指在发送方MAC层从获得报文后到获取无线信道发送权的等待时间。 传送时间:发送方发送报文的时间,即从报文的第一个字节开始发送到发送完 最后一个字节的时间。 传播时间:报文从发送方以电磁波的形式传送到接收方所花费的时间。 接收时间:接收方接收报文的时间。它和传送时间完全相同,具有确定性。 接受时间:用于处理接收到的报文的时间。
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时间同步技术研究现状与发展——NTP
到目前为止,时间同步技术的研究已经有了30年之久,最早的时间同步 机制是美国一所大学提出的网络时间协议(NTP)。NTP协议的时间同步 精度可以达到毫秒级,通过外界一个精准的时间源接收机,顶层的时间服 务器可以获得高精度的参考时间,并向全网内提供统一的时间服务。
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时间同步技术研究现状与发展——NTP
通过上层服务器的标准参考时间,服务器利用一个闭环 控制系统来调整自己的本地时间
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时间同步技术研究现状与发展——GPS
1973年,美国国防部为了实现军事部门对海陆空设施进行高精度导航 和定位,建立了一种新的网络系统——GPS网络系统,该系统成为继阿波 罗登月计划和航天飞机计划之后的第三项庞大空间计划,它从根本上解 决了人类在地球上的导航和定位问题,在军事和工农业等领域得到了广 泛的应用。 GPS系统由三个部分组成:空间卫星、地面监控和用户终端。 由于GPS信号的穿透性比较差,为了接收到GPS的信号,GPS天线必须 安装在空旷的室外,并且要求没有高大阻挡物体,加上接收机功耗比较 大,因此不适宜在无线传感器网络中应用。
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时间同步技术概述
1.硬件时钟模式
在硬件系统的时钟计数中,计算时间的一个重要的公式是: 式中,w(t)是晶振的角频率,k是依赖于晶体物理特性的常量,t是真实时间变 量, c(t)是当真实时间为t时节点的本地时间。 2.软件时钟模式
在软件时钟模型中,也存在一个用于记录时钟脉冲的计数器,软件时钟模型 与硬件模型不同,它不直接修改本地时钟,而是根据本地时钟h(t)与真实时间 的关系来换算成真实时间的函数c(h(t))。c(h(t))=t0+h(t)−h(t0)就是一个最简单 的虚拟软件时钟的例子,实际应用中,软件时钟还要考虑到时钟漂移对时钟 的影响,因此更加复杂。
第七章 时间同步技术
时间同步技术关键问题
第七章 时间同步技术
时间同步技术关键问题
2.高能效 无线传感器网络的软/硬件设施要求节点体积尽量小,尽 量廉价,因此要求时间同步技术具有高能效的特点。 3.可扩展、健壮 采用逐跳的时间同步机制,因此随着网络规模的扩大, 时间同步技术必须保证网络扩展后同步误差不会超过误 差界限,并且能够稳定工作。
第七章 时间同步技术
第七章 时间同步技术
时间同步技术概述 时间同步技术研究现状与发展 时间同步技术关键问题 传统时间同步技术 新型时间同步技术
第七章 时间同步技术
时间同步技术概述
时间同步:使网络中所有节点的时间保持一致,按照网络应用的深 度可以分为三种不同的情况:
第一种:时序确定,判断事件发生的先后顺序,对本地时间的 要求比较低,只需要知道本节点与其余节点的相对时间即可 第二种:相对同步,节点维护自己的本地时钟,周期性地获取 其邻居节点与本节点的时钟偏移,实现本节点与邻居节点的时间 同步 第三种:绝对同步,所有节点的本地时间严格同步,等同于标 准时间,这种情况对节点的要求最高,因此实现也最为复杂 时间同步的参考时间来源也有两种情况: 外同步:标准参考时间来自于外部 内同步:参考时间来自于网络内部某个节点的时间
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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时间同步技术概述
时间同步的两个重要的时间参数: 时钟偏移:在真实时刻t时定义时钟偏移为c(t)−t,即本地时 间与真实时间的差值。 时钟漂移:在真实时刻t时定义时钟漂移为ρ(t)=r(t)−1,即 本地时间变化速率与1的差值。 在节点的两种时间计数方式: 硬件计数模式:即利用晶振来实现时间的计数 软件时钟模式:采用虚拟的软件时钟来实现时钟的计数
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传统时间同步技术——DMTS
DMTS同步协议是一种简单灵活的同步技术,该算法网络 流量非常小,能量消耗也非常少,但是没有考虑传播延迟、 编/解码的影响,对时钟漂移也没有考虑,同步的精度不是 很高,还有待进一步的改进。
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传统时间同步技术——RBS
根据无线信道的广播特性,发送者发送的消息对所有接收节点而 言是同一个发送节点发送的,RBS算法利用这个优势来消除发送时 间和访问时间所造成的传输时间误差,从而提高时间的同步精度。
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时间同步技术概述
无线传感器网络时间同步协议必须要解决三个方面的问题: 同步的误差要尽可能地小,这样才能保证整个网络间节 点应用的正常进行 因为无线传感器网络节点的电池不可替换,因此协议要 尽可能地简单,功耗要低,以尽可能地延长网络的生命周 期 具有可扩展性,随着无线传感器网络规模的扩大,时间 同步协议要同样有效
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传统时间同步技术——RBS
考虑RBS协议应用于多跳网络情况:
在图示网络中存在三个不同的单跳域A 、B和C,其中4号和7号节点处于两个单 跳域的交界,4号节点可以同步A区域和 C区域的时间,7号节点可以同步B区域 和C区域的时间,根据这两个节点我们 可以得到相邻两区域的时间转换关系, 从而达到全网的时间同步。
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传统时间同步技术——TPSN
接收者-接收者同步模式虽然消除了发送方的不确定性,但由于需要在若干节点 中交换信息,通信开销较大。 S.Ganeriwal从另外一个角度来考虑问题:传统的发送者-接收者同步协议的精确 度低的根本原因在于单向报文不能够准确地估算出报文传播延迟,基于报文传输的 对称性,采用双向报文就能够解决这个问题,获得较高的精确度,因此他提出了一 种双向报文交换协议TPSN。 TPSN可以分为层次发现阶段和时间同步两个阶段。
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时间同步技术关键问题
在设计无线传感器网络的时间同步协议时,需要满 足以下几点要求:
能量有限 可扩展 稳定性
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时间同步技术关键问题
1、传输延迟不可预测 无线传感器网络中,时间同步技术的一个重要难题是报文传输延迟的不确 定,由于处理器处理能力有限、网络负载不确定等因素的影响,延迟不能 够被精确地计算出来;另外传输延迟比要求的时间同步的精度要大得多。
建立层次之后,相邻层次之间的节点通过双向报文机制来进行时间同步,假设 节点A是第i层的节点,节点B是第i-1层的节点,根据TPSN报文交换协议,我们 规定T1和T4为节点A的时间,T2和T3为节点B的时间,节点A在T1向节点B发送一个 同步报文,节点B在收到该报文后,记录下接收到该报文的时刻T2,并立刻向节 点A发回一个应答报文,将时刻T2和该报文的发送时刻T3嵌入到应答报文中。当节 点A收到该应答报文后,记录下此时刻T4。我们假设当节点A在T1时刻,A和B的 时间偏移为Δ,因为T1到T4两个报文发送的时间非常短,我们可以认为Δ没有变化, 假设报文的传输延迟都是相同且对称的,均为d,那么有
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传统时间同步技术——同步机制
第七章 时间同步技术
传统时间同步技术——DMTS
DMTS协议: 一种简单的同步技术,发送者通过发送单 个广播报文,同步一跳内的所有节点。该协议主要考虑报 文的传输延迟,在设置本地时间时,报文中嵌入的时间为 发送时刻的本地时间加上传输延迟的时间。
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