无线传感器网络技术讲义第六章、时间同步技术内容提要1.基本概念2.传统与挑战3.典型时间同步协议4.新型同步机制5.总结内容提要1.基本概念2.传统与挑战3.典型时间同步协议4.新型同步机制5.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WSN时间同步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。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 . .时钟模型 硬件时钟模型 软件时钟模型软件时钟模型 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.传统与挑战3.典型时间同步协议4.新型同步机制5.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） 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） 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、多点协作传输延迟的不确定性Send timeAccess timeTransmission timeReception timeReceive timePropagation timeSenderReceiver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。 传播延迟：发送节点传输到接收节点所经历的时间。 接收时间：从接收节点的网络接口接收到消息到通知主机消息达 到事件所经历的时间间隔。传输延迟的进一步细化(在Mica2上)时间时间典型值值特性Send time & Receive time0100ms不确定，依赖处赖处 理器负载负载 、操 作系统统系统调统调 用开销销Access time10500ms不确定，依赖赖信道负载负载 。Transmission time & Reception time1020ms确定，依赖报赖报 文长长度和发发送速 率。Propagation time1s（距离300米）确定，依赖赖收发发方物理距离和 传传播媒质质特性。Interrupt waiting time在大多数情况下5s，在重 负载负载 下，可达30s不确定，依赖处赖处 理器类类型和处处 理器负载负载 。Encoding time & Decoding time100200s，2s的抖动动确定，依赖赖射频频芯片的种类类和 设设置。Byte alignment time0400s确定，依赖发赖发 送速率和收发发字 节节偏移。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.基本概念2.传统与挑战3.典型时间同步协议4.新型同步机制5.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） 发送者接收者：DMTS 最简单直观 单报文同步同步精度低 t0+nt+(t2-t1) 广播方式同步能耗低发送者接收者发送前导码、同步字 （ nt）嵌入时标t0 ：发送端的 处理延迟和 MAC层的 访问延迟接收前导码、 同步字接收 ACK接收 数据发送 ACK接收 处理时标t1时标t2发送时间访问时间DMTS（Delay Measurement Time Synchronization）基于同步消息在传输路径上所有延迟的估计，实现节 点间的时间同步接收者接收者：RBS （Reference Broadcast SynchronizationReceiverNIC SenderCritical PathTimeNICSenderReceiver1Critical PathReceiver2通过广播同步指示分组实现接收点间的相对时间同步 RF信号的传播时间差值非常小 可以消除接收节点的接收协议处理、上下文切换、网络接口向主机传 送 影响RBS机制性能的因素：时钟偏差、接收点飞确定性因素以及接收 点的个数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：DMTSRBS 否定之否定：RBSTPSN TPSN：双报文交换的发送者接收者同 步节点A节点BT1T4T2T3RequestReply同步点TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks） 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TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks） 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BS n1 n2 n3 (a) BS n1 n2 n3 (b) BS n1 n2 n3 (c) n4 BS n1 n2 n3 (d) n4 HRTS（Hierarchy Referencing Time Synchronization Protocol） 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HRTS（Hierarchy Referencing Time Synchronization Protocol） FTSP（Flooding Time Synchronization Protocol） 同步精度高 工程实用性强 强调实现细节 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FTSP（Flooding Time Synchronization Protocol） 多跳FTSP 洪泛方式广播时间基准节点的时间 协议健壮 实际做了工程化的实现GCS（Global Clock Synchronization） 节点遍历模式 聚类分层模式 扩散模式GCS：节点遍历模式 游走阶段：记录游走的出发和到达时间 时间校正阶段：根据节点在游走环的位置和游 走时间对节点时间进行校正 理论假设：每段游走的时间花费相同GCS：聚类分层模式 单纯的节点遍历方式导致遍历环过长， 同步功耗大 通过分簇协议，把网络组织成簇结构 簇头节点间以节点遍历方式同步 簇内节点可以节点遍历或RBS等方式进 行同步GCS：扩散模式 越简单的方法往往是越有效的 同步过程：对接收到的时间进行平均操 作，并对自己的时间进行扩散 理论证明：当把所有节点的时间当成一 张快照时，经过若干轮扩散过程，所有 节点时间最终将收敛到所有节点时间的 平均值上内容提要1.基本概念2.传统与挑战3.典型时间同步协议4.新型同步机制5.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