无线传感器网络的时间同步技术

《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硬件时钟模型基本名词时间、晶振、时钟（RTC）时钟偏移（clockoffset）时钟飘移（clockdrift）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、严格单调的函数内容提要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GPSNTP：网络时间协议GPS：全球定位系统NTP（NetworkTimeProtocol）体系结构（网络）NTP（NetworkTimeProtocol）体系结构（单机）NTP（NetworkTimeProtocol）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（GlobalPositionSystem）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SendtimeAccesstimeTransmissiontimeReceptiontimeReceivetimePropagationtimeSenderReceiver传输延迟的进一步细化(在Mica2上)时间典型值特性Sendtime&Receivetime0~100ms不确定，依赖处理器负载、操作系统系统调用开销Accesstime10~500ms不确定，依赖信道负载。Transmissiontime&Receptiontime10~20ms确定，依赖报文长度和发送速率。Propagationtime<1μs（距离<300米）确定，依赖收发方物理距离和传播媒质特性。Interruptwaitingtime在大多数情况下<5μs，在重负载下，可达30μs不确定，依赖处理器类型和处理器负载。Encodingtime&Decodingtime100~200μs，<2μs的抖动确定，依赖射频芯片的种类和设置。Bytealignmenttime0~400μs确定，依赖发送速率和收发字节偏移。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（NetworkTimeProtocol）DMTS（DelayMeasurementTimeSynchronization）RBS（ReferenceBroadcastSynchronization）TPSN（Timing-syncProtocolforSensorNetworks）HRTS（HierarchyReferencingTimeSynchronizationProtocol）FTSP（FloodingTimeSynchronizationProtocol）GCS（GlobalClockSynchronization）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

同步能耗低发送者接收者发送前导码、同步字嵌入时标t0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（DelayMeasurementTimeSynchronization）接收者

接收者：RBSReceiverNICSenderCriticalPathTimeNICSenderReceiver1CriticalPathReceiver2RBS（ReferenceBroadcastSynchronization）RBS（ReferenceBroadcastSynchronization）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clockskew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-syncProtocolforSensorNetworks）否定：DMTSRBS否定之否定：RBSTPSNTPSN：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-syncProtocolforSensorNetworks）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clockskew的估计，可以提高TPSN的精度TPSN（Timing-syncProtocolforSensorNetworks）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（HierarchyReferencingTimeSynchronizationProtocol）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

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(a)

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(b)

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(c)

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BS

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(d)

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HRTS（HierarchyReferencingTimeSynchronizationProtocol）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（HierarchyReferencingTimeSynchronizationProtocol）FTSP（FloodingTimeSynchronizationProtocol）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）