传感器网络时间同步

传感器网络时间同步 1 20 主要内容 2 20 1 WSN时间同步的要求 物理时间 用来表示人类社会使用的绝对时间 逻辑时间 表达事件发生的顺序关系 是一个相对概念 分布式系统通常需要一个表示整个系统的全局时间 全局时间根据需要可以是物理时间或逻辑时间 3 20 1 WSN时间同步的要求 传感器网络时间同步的重要约束 价格体积能量为什么要时间同步 估计目标的运行速度和方向数据融合需要时间同步用户交互性需要 4 20 2 NTP协议 T1 客户端发送时间请求消息的时间 T3 服务器发送时间应答消息的时间 T2 服务器收到时间请求消息的时间 T4 客户端收到时间应答消息的时间 1和 2分别表示时间请求和时间应答消息网络传播时间 客户端比服务器时钟快的时间量 NTP协议原理 5 20 2 NTP协议 NTP协议层次型树形结构 UTC时间源 一级时间基准服务器 二级时间基准服务器 客户端 一级时间基准服务器 二级时间基准服务器 二级时间基准服务器 一级时间基准服务器 二级时间基准服务器 客户端 6 20 2 NTP协议 消息传输延迟分为四个部分发送时间访问时间传输时间接收时间 7 20 3 RBS同步机制 RBS机制的基本原理 调整时间 8 20 3 RBS同步机制 RBS机制应用于多跳网络 发生在节点1和节点7附近的两个事件 分别记为E1和E7假设节点A和节点B分别在Pa和Pb时间点发送信标分组节点1在收到节点A发送的分组后2秒观察到事件E1节点7在观察到事件E7后4秒收到节点B发送的分组其他节点从节点4知道节点A发送分组比节点B晚10秒Pa Pb 10E1 E7 4 10 2 E7 16 9 20 3 RBS同步机制 RBS同步机制总结 RBS机制利用信道的广播特性来同步接收节点时间 去除了时间同步误差中所有发送节点引入的部分 通过多次广播分组获取平均值 能够提高RBS的时间同步精度 对于单个广播域内的n个节点和m个广播消息 RBS机制的复杂度为O mn 用于多跳网络的RBS机制需要依赖有效的分簇方法 保证簇之间有共同节点以便进行簇间时间同步 10 20 3 RBS同步机制 后同步思想 通常情况下节点的时间不用同步 只有监测到一个事件发生时 节点才首先用它的本地时间记录事件发生的时间 然后采用RBS机制 一个 第三方 节点广播信标消息给区域内的所有节点 接收节点利用这个同步消息作为一个瞬时的时间参考点 同步它们监测到的事件发生时间 后同步机制能够实现瞬时的节点间时间同步 但是受限于广播信标分组的传输范围 它不适应于长距离或长时间通信的时间同步 后同步机制能够提供精确的局部空间范围的时间同步 11 20 4 TPSN时间同步协议 层次发现阶段 广播级别发现分组 同步阶段 广播时间同步分组 12 20 4 TPSN时间同步协议 TPSN时间同步协议总结 类似于传统的NTP时间同步协议 目的是提供传感器网络全网范围内节点间的时间同步 如果需要长时间的全网节点时间同步 可周期性执行TPSN时间同步协议进行重同步 缺点 消息开销大 需要传递的消息多 新的传感器节点加入网络时 需要初始化层次发现阶段 级别的静态特性降低了算法的鲁棒性 未考虑根节点的失效问题 13 20 5 DMTS同步机制 两个节点间分组传输延迟分为五个部分发送端的处理延迟介质访问延迟发送延迟无线传输延迟接收延迟 14 20 5 DMTS同步机制 n 发送信息位个数t 发送每比特位需要的时间 前导码和起始字符的发送时间 nt接收处理延迟 t2 t1忽略无线信号的传播延迟接收节点时钟为t0 nt t2 t1 15 20 5 DMTS同步机制 DMTS机制在多跳网络中采用层次型分级结构实现全网内所有节点的时间同步DMTS同步机制总结 DMTS是一种灵活的 轻量的和能量高效的能够实现全部网络节点时间同步的机制 与RBS机制相比 DMTS机制的计算开销小 需要传输的消息条数少 能够与外部世界标准时间同步 但同步精度相对较低 DMTS在实现复杂度 能量高效与同步精度之间进行了折中 能够应用在对时间同步要求不是非常高的网络中 16 20 6 LTS机制 LTS同步算法的设计目标是适用于低成本 低复杂度的传感器节点时间同步 侧重最小化同步的能量开销 同时具有鲁棒性和自配置的特点 LTS时间同步模块分为三个组成部件 重同步监测部件远程时钟估计部件时钟修正部件 17 20 6 LTS机制 LTS应用于多跳网络 18 20 7 其他同步机制 FTSP利用单个广播消息使得发送节点和它的邻居节点达到时间同步 采用同步时间数据的线性回归方法估计时钟漂移和偏差多跳网络中采用层次结构考虑了根节点选择 链路失败 拓扑结构变化 冗余信息等问题 高节点密度情况下的时间同步假设区域内的所有节点需要时间同步 并且将同步信息传递给远处的一个接收者 而单个节点没有足够资源产生高功率信号 可通过节点合作产生一个集合波形 它可被所有节点同时监测到 并包含足够信息来同步所有节点的时钟 这种集合波形能有效仿真产生高功率时间同步信号的超级节点 19 20 8 小结 传感器网络的时间同步研究集中于三种同步模型 第一种可能是最简单的模型 仅仅确定事件发生的正确顺序 重点是维护两个传感器节点感知事件之间的时间关联 而不是节点之间的时间同步 第二种模型相对复杂 用来维持节点间的相对时间 每个节点都维持独立的时钟 但节