第6章时间同步技术

WSN时间同步技术背景

集中式系统与分布式系统

Байду номын сангаас
不同节点晶振不同，时间长了存在偏差 受电池能量，存储空间，带宽限制 集中式：事件间有着明确的时间先后关系，不存在同步问题 分布式：同步是必需的，只是对同步的要求程度不同 典型的分布式系统是无线传感器网络应用的基础 同步精度 功耗

无线传感器网络时间同步


软件虚拟时钟 一般是个分段连续、严格单调的函数
内容提要
1.
2. 3. 4. 5.
基本概念
传统与挑战
典型时间同步协议
新型同步机制
总结
传统与挑战

传统同步方法 传感器网络的挑战
传统同步：NTP与GPS
NTP：网络时间协议 GPS：全球定位系统
NTP（Network Time Protocol ）
低功耗、低成本和小体积


软硬件都要受到该限制 存储与计算能力均比较小 加剧了电能供应的紧张（电池体积） 网络规模大、密度高 通信距离近 分布式、协作
可扩展性（Scalability）


在大规模网络中尤为重要 是大规模无线传感器网络软硬件设计中 非常重要的问题 满足不同的网络类型、网络规模 满足不同的应用需求
时钟模型

硬件时钟模型 软件时钟模型
硬件时钟模型

基本名词

时间、晶振、时钟（RTC） 时钟偏移（clock offset） 时钟飘移（clock drift） 最常用，但不适应环境变化剧烈的场合 常用于确定同步误差上下界

速率恒定模型


飘移有界模型


飘移变化有界模型
软件时钟模型



发送者接收者：DMTS
DMTS（Delay Measurement Time Synchronization）
发送者
发送时间 访问时间 嵌入时 标t0 发送前导码、 同步字 接 收 ACK
接收者
接收前导码、 同步字
接收 数据 时标t1
发 送 ACK
接 收 处理 时标t2
• 最简单直观 • 单报文同步同步精度低 • 广播方式同步能耗低




从根本上解决了人类在地球上的导航与 定位问题。 每颗卫星上配备有高精度的铷、铯原子 钟，并不断发射其时间信息 地面接收装置同时接收4颗卫星的时间 信息，采用伪距测量定位方法可计算出 时间和位置信息 缺点（室内、功耗、安全性、分布式）
传感器网络的挑战


室内、矿井、森林，有遮挡 低功耗、低成本和小体积 传输延迟的不确定性 可扩展性、移动性 健壮性、安全性 网络规模大、多点协作
健壮性

外部环境复杂，搞毁能力 需要应对安全性挑战 无线传感器网络拓扑动态性较强 网络规模变化、需求变化 影响：数据融合和休眠唤醒方式节能
内容提要
1. 2. 3. 4. 5.
基本概念
传统与挑战
典型时间同步协议
新型同步机制
总结
典型时间同步协议

NTP（Network Time Protocol）
无线传感器网络 Wireless Sensor Networks
第五章、时间同步技术
内容提要
1.
2. 3. 4. 5.
基本概念
传统与挑战
典型时间同步协议
新型同步机制
总结
内容提要
1. 2. 3. 4. 5.
基本概念
传统与挑战 典型时间同步协议 新型同步机制 总结
基本概念



WSN时间同步技术背景 时间同步技术的分类 时间同步技术的应用场合 关键点：时钟模型
典型值
0~100ms 10~500ms 10~20ms <1μs（距离<300米） 在大多数情况下<5μs，在重 负载下，可达30μs 100~200μs，<2μs的抖动 0~400μs
特性
不确定，依赖处理器负载、操 作系统系统调用开销 不确定，依赖信道负载。 确定，依赖报文长度和发送速 率。 确定，依赖收发方物理距离和 传播媒质特性。 不确定，依赖处理器类型和处 理器负载。 确定，依赖射频芯片的种类和 设置。 确定，依赖发送速率和收发字 节偏移。
传输延迟的不确定性
Sender Send time Access time Transmission time
Receiver
Propagation time
Reception time
Receive time
传输延迟的进一步细化(在 Mica2上)
时间
Send time & Receive time Access time Transmission time & Reception time Propagation time Interrupt waiting time Encoding time & Decoding time Byte alignment time
DMTS （Delay Measurement Time Synchronization） RBS （Reference Broadcast Synchronization） TPSN （Timing-sync Protocol for Sensor Networks ） HRTS （Hierarchy Referencing Time Synchronization Protocol） FTSP （Flooding Time Synchronization Protocol） GCS （Global Clock Synchronization）


需要解决的问题

可扩展性
时间同步技术的分类
排序、相对同步与绝对同步
递进关系 各自具有典型的协议代表
外同步与内同步
参考源不同
局部同步与全网同步
同步对象的范围不同
时间同步技术的应用场合


多传感器数据压缩与融合 低功耗MAC协议、路由协议 测距、定位（位置相关报务，LBS） 分布式系统的传统要求 协作传输、处理的要求 ... ...
体系结构（网络）
NTP（Network Time Protocol ）

体系结构（单机）
NTP（Network Time Protocol ）


NTP不适合于WSN 体积、计算能力和存储空间存在限制 传输方式不同：无线而非有线 目标不同：局部最优而非全局最优
GPS（Global Position System ）
接收者接收者：RBS