第06章、时间同步技术

1、无线传感器网络Wireless Sensor Networks第五章、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nWSN时间同步技术背景n时间同步技术的分类n时间同步技术的应用场合n关键点：时钟模型WSN时间同步技术背景n集中式系统与分布式系统n不同节点晶振不同，时间长了存在偏差n受电池能量，存储空间，带宽限制n集中式：事件间有着明确的时间先后关系，不存在同步问题n分布式：同步是必需的，只是对同步的要求程度不同n无线传感器网络时间同步n典型的分布式系统是无线传感

2、器网络应用的基础n需要解决的问题n同步精度n功耗n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n多传感器数据压缩与融合n低功耗MAC协议、路由协议n测距、定位（位置相关报务，LBS）n分布式系统的传统要求n协作传输、处理的要求n. .时钟模型n硬件时钟模型n软件时钟模型硬件时钟模型n基本名词n时间、晶振、时钟（RTC）n时钟偏移（clock offset）n时钟飘移（clock drift）n速率恒定模型n最常用，但不适应环境变化剧烈的场合n飘移有界模型n常用于确定同步误差上下

3、界n飘移变化有界模型软件时钟模型n软件虚拟时钟n一般是个分段连续、严格单调的函数内容提要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n传统同步方法n传感器网络的挑战传统同步：NTP与GPSNTP：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）n体系结构（单机）NTP（Network Time Protocol）nNTP不适合于WSNn体积、计算能力和存储空间存在限制n传输方式不同：无线而非有线n目标不同：局部最优而非全局最优GPS（Global Pos

4、ition System） n从根本上解决了人类在地球上的导航与定位问题。n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n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n缺点（室内、功耗、安全性、分布式）传感器网络的挑战n室内、矿井、森林，有遮挡n低功耗、低成本和小体积n传输延迟的不确定性n可扩展性、移动性n健壮性、安全性n网络规模大、多点协作传输延迟的不确定性SendtimeAccesstimeTransmissiontimeReception timeReceivetimePropagationtimeSenderReceiver传输延迟的

5、进一步细化(在Mica2上)时间时间典型值典型值特性特性Send time & Receive time0100ms不确定，依赖处理器负载、操不确定，依赖处理器负载、操作系统系统调用开销作系统系统调用开销Access time10500ms不确定，依赖信道负载。不确定，依赖信道负载。Transmission time & Reception time1020ms确定，依赖报文长度和发送速确定，依赖报文长度和发送速率。率。Propagation time1s（距离（距离300米）米）确定，依赖收发方物理距离和确定，依赖收发方物理距离和传播媒质特性。传播媒质特性。Interrupt

6、 waiting time在大多数情况下在大多数情况下5s，在重，在重负载下，可达负载下，可达30s不确定，依赖处理器类型和处不确定，依赖处理器类型和处理器负载。理器负载。Encoding time & Decoding time100200s，2s的抖动的抖动确定，依赖射频芯片的种类和确定，依赖射频芯片的种类和设置。设置。Byte alignment time0400s确定，依赖发送速率和收发字确定，依赖发送速率和收发字节偏移。节偏移。低功耗、低成本和小体积n软硬件都要受到该限制n存储与计算能力均比较小n加剧了电能供应的紧张（电池体积）n网络规模大、密度高n通信距离近 分布式、协作可

7、扩展性（Scalability）n在大规模网络中尤为重要n是大规模无线传感器网络软硬件设计中非常重要的问题n满足不同的网络类型、网络规模n满足不同的应用需求健壮性n外部环境复杂，搞毁能力n需要应对安全性挑战n无线传感器网络拓扑动态性较强n网络规模变化、需求变化n影响：数据融合和休眠唤醒方式节能内容提要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nNTP（Network Time Protocol）nDMTS （Delay Measurement Time Synchronization） nRBS （Reference Broadcast Synchr

8、onization） nTPSN （Timing-sync Protocol for Sensor Networks） nHRTS （Hierarchy Referencing Time Synchronization Protocol） nFTSP （Flooding Time Synchronization Protocol） nGCS （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 广播方式同步能耗低发送者发送者接收者接收者发送前导码发送前导码、同步字同步字嵌 入 时嵌 入 时标标t0接收前导码、接收前导码、同步字同

9、步字接收接收ACK接收接收数据数据发送发送ACK接收接收处理处理时标时标t1时标时标t2发送时间发送时间访问时间访问时间DMTS（Delay Measurement Time Synchronization） 接收者接收者：RBSReceiverNICSenderCritical PathTimeNICSenderReceiver1Critical PathReceiver2RBS（Reference Broadcast Synchronization） RBS （Reference Broadcast Synchronization） n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

10、RBSn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） n否定：DMTSRBSn否定之否定：RBSTPSNnTPSN：双报文交换的发送者接收者同步节点节点A节点节点BT1T4T2T3RequestReply同步点2) 34() 12(TTTTTPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks） n对同步误差的分析n很重要，是一种基本的分析方法n理论分析和实验证明：TPSN同步误差是RBS的一半n结合对clock skew的

11、估计，可以提高TPSN的精度TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks） 多跳TPSNn全网周期性同步n“层发现”把网络组织成最短生成树n逐层在相邻两层节点间同步n网络内两个节点的同步n“后同步”查找两个节点间的路径n在路径的相邻两个节点间进行TPSN同步HRTS（Hierarchy Referencing Time Synchronization Protocol） nTPSN基于双向报文交换，因此同步精度高nTPSN本质上是对同步，因此全网同步的同步能耗高n由DMTS发现，广播能降低全网同步能耗n结合广播和节点间的双向报文交换同步HRTS协议

12、 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） n根节点和应答者节点本质上是采用TPSN同步n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）n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

13、 Protocol） n同步精度高n工程实用性强n强调实现细节nMAC层时间戳技术n和平台直接相关，书中给出了在Mica2平台下的实现n基本同步原理n发送者-接收者同步n单个报文中包括多个时间戳（在报文的不同位置）n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n对clock skew的补偿仍采用最小二乘法FTSP（Flooding Time Synchronization Protocol） 多跳FTSPn洪泛方式广播时间基准节点的时间n协议健壮n实际做了工程化的实现内容提要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n基于报文交换的同步机制面临着

14、挑战n同步精度问题n可扩展性问题n新型同步机制n萤火虫同步n协作同步n两个概念n同时性与同步性萤火虫同步1935年，Science1975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n研究由初始不同步状态如何达到同步状态n个体性质相同,因此一旦达到同步则永远同步n萤火虫之间的交互被建模成电量耦合n耦合延迟规定为0n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n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

15、小，最终达到完全相同,即同步状态 M&S模型n证明了全耦合系统的同步收敛性n没有证明多跳网络的同步收敛性Ernst的研究nM&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nM&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n理论上没有突破n单纯的

16、仿真方法意义有限n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。总结：萤火虫同步n同步可直接在物理层而不需要以报文的方式实现。直接用硬件实现，使得同步精度不会受到MAC延迟、协议处理与软件实现等的影响。n由于对任何同步信号的处理方式均相同，与同步信号的来源无关，因此可扩展性以及适应网络动态变化的能力很强。n机制非常简单，不需要对其它节点的时间信息进

17、行存储。萤火虫同步算法的一个限制是要求每个节点具有相似性，但这种机制在非相似节点所组成的网络下能否起到同步的作用，目前还不清楚。n此外，由于萤火虫同步的理论研究还远未结束，工程实用性还有待考察。协作同步本质：空间平均而非时间平均实现上直接受限于信号处理技术 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.总结总结 n在无线传感器网络中，时间同步不仅要关注同步精度，还需要关注同步能耗、可扩展性和健壮性需求n经典的时间同步协议侧重于同步精度和同步能耗的需求，采用时钟飘移补偿、MAC层时间戳技术以及双向报文交换来提高同步精度，充分利用无线传输的广播特性和捎带技术来降低同步能

18、耗n萤火虫同步和协作同步则侧重于提高可扩展性和健壮性。非常适合于大规模无线传感器网络的应用 主要参考文献（详见原著）n1 Elson J., Rmer K. Wireless sensor networks: a new regime for time synchronization. ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 2003, 33(1): 149-154.n3 Elson J., Girod L., Estrin D. Fine-grained time synchronization using reference broadcast

19、s. In: Proc. 5th Symposium on Operation System Design and Implementation, Boston, 2002, 147-163.n4 Ganeriwal S., Kumar R., Srivastava M. Timing-sync protocol for sensor networks. In: Proc. 1st ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems, Los Angeles, 2003, 138-149.n7 Mills D. L. Network time

20、 protocol (Version3) specification, implementation and analysis. University of Delaware, DARPA Network Working Group Report: RFC-1305, 1992. n13 Miklos M., Branislav K., Gyula S., Akos L. The flooding time synchronization protocol. In: Proc. 2th ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems, Baltimore, 2004, 39-49.n14 Su Ping, Delay measurement time synchronization for wireless sensor