无线传感器组网-时间同步技术要点

传输延迟的进一步细化
时间 Send time & Receive time Access time Transmission time & Reception time Propagation time 典型值 0~100ms 10~500ms 10~20ms <1μs（距离<300米） 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。
• 需要解决的问题
– 同步精度 – 功耗 – 可扩展性
WSN时间同wenku.baidu.com机制的主要性能参数
• 最大误差：一组传感器节点之间的最大时间 差或相对外部标准时间的最大差值。 • 同步期限：节点保持时间同步的时间长度。 • 同步范围：节点保持时间同步的区域范围。 • 可用性：范围覆盖的完整性。 • 效率：达到同步精度所经历的时间以及消耗 的能量。 • 代价和体积：需要考虑节点的价格和体积。
内容提要
1. 基本概念
2.
3.
传统与挑战
典型时间同步协议
4.
5.
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）
当信道空闲时间大于 DIF时使用信道 DIFS 信道忙 推迟发送 时间槽 DIFS 竞争窗口 PIFS SIFS 退避窗口 下一帧 时间
网络节点在进入退避状态 时，启动一个退避计时器， 当计时达到退避时间后结束 退避状态。在退避状态下， 只有当检测到信道空闲时才
DIFS 节点A 节点B 节点C 推迟 节点D 推迟 节点E 退避时间 帧 剩余退避时间 帧 竞争窗口 帧 推迟 帧 推迟
时间同步技术的分类
• 根据同步的级别，可以分为排序、相对同步与 绝对同步，其间为递进关系。
• 排序只能区分事件发生的先后 • 相对同步：维持本地时钟的运行，定期获取其他节点的时钟偏移和飘移 ，经过换算达到同步的目的。如RBS协议 • 绝对同步：本地时钟和参考时钟保持一致，修改本地时钟。如TPSN协议
NTP（Network Time Protocol）
• 体系结构（单机）
NTP的适用性 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： WSN仅需局部最而非全局 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、可靠性）
A B
RTS
数据1
RTS
数据2
侦听 CTS
ACK
睡眠
侦听 CTS
ACK
A B
RTS 侦听 CTS
数据1
RTS ACK 侦听 CTS
数据2
ACK 侦听
睡眠
WSN时间同步技术背景
• 集中式系统与分布式系统 – 集中式：在事件间有着明确的时间先后关系时， 不存在同步问题；时间关系不明确时仍存在。 – 分布式：同步是必需的，只是对同步的要求程度 不同
• DMTS基于同步消息在传输路径上所有延迟的估计，实现节点间 的时间同步 • 在DMTS机制中，选择一个节点作为时间主节点(leader)广播同步 时间。所有接收节点测量这个时间广播分组（packet）的延迟， 设置它的时间为接收到分组携带的时间加上这个广播分组的传输 延迟，这样所有接收到广播分组的节点都与主节点进行时间同步 。时间同步的精度主要由延迟测量的精度所决定。
Interrupt waiting time
Encoding time & Decoding time Byte alignment time
在大多数情况下<5μs，在重 负载下，可达30μs
100~200μs，<2μs的抖动 0~400μs
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。
时间同步技术的重要性
• 时间同步技术对无线传感器网络的节点 定位、无线信道时分复用、低功耗睡眠 、路由协议、数据融合、传感事件排序 等应用及服务，都会产生直接或间接地 重要影响。 • 时间同步机制几乎渗透至每一个与数据 相关的环节，其实现的好坏直接决定了 以数据为中心的无线传感器网络整体系 统性能的优劣。
关键问题：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）：是指两个时钟瞬时读数的差。晶振计时 的时刻与实际时刻的差值，反映计时的准确性 – 时钟率偏移（Clock Skew）：是指两个时钟的频率差。它可以看作 是Clock offset的一阶导数。 – 时间漂移(Clock Drift)：是指时钟频率的变化，反映晶振的稳定性。 实际晶振的频率有可能随着外界环境温度、湿度的变化而有所改变 。Clock Drift可以看作是Clock offset的二阶导数。
• HRTS （Hierarchy Referencing Time Synchronization Protocol）
• FTSP （Flooding Time Synchronization Protocol）
DMTS (Delay Measurement Time Synchronization)
第七章、时间同步技术
内容提要
1. 基本概念
2.
3.
传统与挑战
典型时间同步协议
4.
5.
新型同步机制
总结
内容提要
1. 基本概念
2.
3.
传统与挑战
典型时间同步协议
4.
5.
新型同步机制
总结
基本概念
• • • • • 时间同步的定义 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 关键问题：时钟模型
Receiver
Propagation time Reception time Receive time
• 发送时间：发送节点构造和发送时间同步消息所用时间。e.g., 系 统调用时间；内核调度时间；消息从主机发送到网络接口时间。 • 访问时间：发送节点等待访问网络传输信道的时间。 • 传输延迟：发送节点传输到接收节点所经历的时间。 • 传播时间（Transmission time）:发送节点发送数据所经历的时间 • 接收时间：从接收节点的网络接口接收到消息到消息接收结束 • 收到时间（Receive time）通知主机消息达到事件所经历的时间间 隔。
• 根据参考源不同，可以分为外同步（与外部某 时间同步，如GPS ）与内同步（网络内部某个 节点的时钟）。 • 根据同步对象的范围不同，可以分为局部同步 与全网同步
时间同步技术的应用场合
• 多传感器数据压缩与融合
– 邻近传感节点对相同事件的感知数据需要融合，基于时间戳 判断是否同一事件，需要时钟同步
• 主节点在检测到信道空闲时，给广播分组加上时间戳t0，用来去除 发送端的处理延迟和MAC层的接入延迟。
时间同步技术的定义
• 无线传感器网络中每个节点都有自己的内部 时钟，即本地时间。由于不同节点的晶体振 荡频率存在偏差，再加上温度的差异、电磁 波干扰等，即使在某个时间点所有节点时钟 一致，一段时间后他们的时间也会再次出现 偏差。 • 无线传感器网络的时间同步是指各个独立的 节点通过不断与其他节点交换本地时钟信息 ，最终达到并且保持全局时间协调一致的过 程。即以本地通信确保全局同步。
时间同步协议应用于无线传感器网络 面临的挑战
• • • • • •
室内、矿井、森林，有遮挡 网络规模大、多点协作 传输延迟的不确定性 低功耗、低成本和小体积 可扩展性、移动性 健壮性、安全性
传输延迟的不确定性
Sender
Send time Access time Transmission time
• 速率恒定模型
– 该模型认为频率保持恒定不变，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，频率稳定度常用ppm（百万分之一）
• 飘移变化有界模型
– 时钟的漂移变化率是有限的。
软件时钟模型
• 以软件虚拟时钟 • 一般是个分段连续、严格单调的函数
相关术语
• • • • • • • • 信标节点和未知节点 邻居节点 跳数、跳段距离 基础设施 到达时间、到达时间差 接收信号强度指示 到达角度 视线关系、非视线关系
内容提要
1.
基本概念
2.
3.
传统方法与面临的挑战
典型时间同步协议
4.
5.
新型同步机制
总结
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）
• 体系结构
• NTP提供准确时间，首先要有准确的时间来源，这一时间 应该是国际标准时间UTC。 NTP获得UTC的时间来源可以 是原子钟、天文台、卫星，也可以从Internet上获取。这样 就有了准确而可靠的时间源。时间按NTP服务器的等级传 播。按照离外部UTC 源的远近将所有服务器归入不同的 Stratum（层）中。Stratum-1在顶层，有外部UTC接入，而 Stratum-2则从Stratum-1获取时间，Stratum-3从Stratum-2获 取时间，以此类推，但Stratum层的总数限制在15以内。所 有这些服务器在逻辑上 形成阶梯式的架构相互 连接，而Stratum-1的时 间服务器是整个系统的 基础。
• 低功耗MAC协议、路由协议
– 不发送数据时，节点处于休眠状态，网络节点的同步休眠需 要时钟同步
• 测距、定位
– 距离测量和定位是基于无线电信号的传输时间，时间同步越 准确，距离测量也越准确
• 分布式系统的传统要求
– 分布式系统的数据库查询，状态等一致性的要求
• 协作传输、处理的要求
– 协作传输是基于电磁波的能量累加效应，多个节点以相同的 调制解调方式同时发送信号，使得远处的汇集节点能接收到 信号
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 电能供应的紧张（电池体积有限） 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 • 满足不同的网络类型、网络规模 • 满足不同的应用需求
健壮性
• 外部环境复杂，抗干扰能力要强 • 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
帧
竞争窗口
竞争窗口 竞争窗口
进行计时。如果信道忙，退
避计时器中止计时，直到检 测到信道空闲时间大于DIFS 后才继续计时。当多个节点 推迟且进入随机退避时，利 用随机函数选择最小退避时 间的节点作为竞争优胜者。
S-MAC协议需要严格的时间同步
S-MAC协议(Sensor MAC) 是在802.1l MAC协议的基础上， 针对传感器网络的节省能量需求而提出的。 侦听 睡眠 侦听 睡眠
思考
• 为什么需要时间同步？
• 时间同步能解决什么问题？
CSMA/CA协议需要严格的时间同步
根据CSMA/CA协议，当节点要传输一个分组时，它首先侦听信道状 态。如果信道空闲，而且经过一个帧间间隔时间DIFS后，信道仍然空
闲，则站点立即开始发送信息。如果信道忙，则站点始终侦听信道，
直到信道的空闲时间超过DIFS。当信道最终空闲下来的时候，节点进 一步使用二进制退避算法，进入退避状态来避免发生碰撞。
●节点协同进行周期性侦听和睡眠的状态切换，确保节点能 同步进行侦听和睡眠调度。
●调度周期：周期性侦听和睡眠的时间之和为一个调度周期。
流量自适应侦听机制需要时间同步
流量自适应侦听机制的基本思想是在一次通信过程中，通信 节点的邻居在通信结束后不立即进入睡眠状态，而是保持侦听一 段时间。 如果节点在这段时间内接收到RTS，则可以立刻接收数据，无 须等到下一次调度侦听周期，从而减少了数据分组的传输延迟。 如果在这段时间内没有接收到RTS，则转入睡眠状态直到下一次调 度侦听周期。