第06章、时间同步技术v1.1

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
新型同步机制
基于报文交换的同步机制面临着挑战
– 同步精度问题 – 可扩展性问题
新型同步机制
– 萤火虫同步 – 协作同步
两个概念
– 同时性与同步性
萤火虫同步
1935年，Science 1975年, Peskin的RC模型 1989年，M&S模型（无延迟） 1998年，Ernst（有延迟）结论 2005年，真实地实现
单跳RBS 用最小二乘法估计clock skew提高同步精度
多跳RBS
时间路由技术：基于最短路径查找
TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks）
否定：DMTS RBS 否定之否定：RBS TPSN TPSN：双报文交换的发送者 接收者同 步
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
传输延迟的不确定性
Sender
Send time
Access time
on time
Receiver
Propagation time
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）
速率恒定模型
– 最常用，但不适应环境变化剧烈的场合
飘移有界模型
– 常用于确定同步误差上下界
飘移变化有界模型
软件时钟模型
软件虚拟时钟 一般是个分段连续、严格单调的函数
接收者 接收者：RBS
RBS（Reference Broadcast Synchronization）
NIC NIC Sender
Sender
Receiver
Receiver1
Critical Path Receiver2 Time Critical Path
RBS （Reference Broadcast Synchronization） 接收者 接收者同步的基本依据：接收者时 间相移均值为0
发送者 接收者：DMTS
DMTS（Delay Measurement Time Synchronization）
发送者
发送前导码、 同步字 接 收 ACK
发送时间 访问时间 嵌 入时 标t0
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
HRTS（Hierarchy Referencing Time Synchronization Protocol）
TPSN基于双向报文交换，因此同步精度高 TPSN本质上是对同步，因此全网同步的同步 能耗高 由DMTS发现，广播能降低全网同步能耗 结合广播和节点间的双向报文交换同步 HRTS协议
FTSP（Flooding Time Synchronization Protocol） MAC层时间戳技术
– 和平台直接相关，书中给出了在Mica2平台下的实 现
基本同步原理
– 发送者--接收者同步 – 单个报文中包括多个时间戳（在报文的不同位置） – 根据单个报文中的多个时间戳，可对中断等待时 间进行补偿 – 对clock skew的补偿仍采用最小二乘法
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 ... ...
时钟模型
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
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） 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）
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
根节点和应答者节点本质上是采用TPSN 同步 根节点和非应答者节点本质上是双向报 文交换同步（但非TPSN） 应答者节点和非应答者节点本质上是接 收者--接收者同步
FTSP（Flooding Time Synchronization Protocol）
同步精度高 工程实用性强 强调实现细节
Ernst--负耦合（2个节点）
存在三种情况 和Peskin的结论一致 结论：考虑固定耦合 延迟的情况下，只有 负耦合才可能取得同 步收敛
负耦合下的全连接网络
仿真研究方法 和两个节点下的情况不同 出现分簇现象
其他一些研究与结论 理论上没有突破 单纯的仿真方法意义有限 萤火虫同步技术对耦合延迟、耦合强度、耦 合性质、初始相位、网络拓扑等因素很敏感。 虽然在例如两个振荡器的同步收敛性研究上 取得了一定的进展，但无论是理论研究还是 仿真研究，研究者在某些结论上还不能达成 一致的认识。但可以认同的一点是：在实际 系统中，基于萤火虫同步策略的同步技术会 取得在一定误差范围内的同步。
对同步误差的分析
– 很重要，是一种基本的分析方法 – 理论分析和实验证明：TPSN同步误差是 RBS的一半 – 结合对clock skew的估计，可以提高TPSN 的精度
多跳TPSN 全网周期性同步 – “层发现”把网络组织成最短生成树 – 逐层在相邻两层节点间同步 网络内两个节点的同步 – “后同步”查找两个节点间的路径 – 在路径的相邻两个节点间进行TPSN同步
M&S模型
证明了全耦合系统的同步收敛性 没有证明多跳网络的同步收敛性
Ernst的研究
M&S模型没有考虑耦合延迟，Ernst研究 了耦合延迟固定时的情况 M&S模型只研究了正耦合的情况，Ernst 还研究了负耦合的情况
Ernst--正耦合（2个节点）
存在两种情况 不可能达到完全同步 其实是M&S模型的扩展
TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks）
节点A
T2
T3
Request
Reply
节点B T1 T4
同步点
(T 2 T 1) (T 4 T 3) Δ= 2
TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks）
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）
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）
简单，高效，可扩展性强
M&S模型 研究由初始不同步状态如何达到同步状态 个体性质相同,因此一旦达到同步则永远同步 萤火虫之间的交互被建模成电量耦合 耦合延迟规定为0 最终结论为:系统的同步收敛性取决于个体在 自由状态下的动力学特性 同步的实质：不同步产生了耦合，耦合改变 了状态量，而状态量又改变了相位量 ,相位差 通过同步过程不断缩小，最终达到完全相同, 即同步状态
WSN时间同步技术背景
集中式系统与分布式系统
– 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
无线传感器网络时间同步
– 典型的分布式系统 – 是无线传感器网络应用的基础
需要解决的问题
– 同步精度 – 功耗 – 可扩展性
时间同步技术的分类
《无线传感器网络技术》讲义
第六章、时间同步技术
2007年8月20日
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
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