无线传感器网络时间同步技术

无线传感器网络时间同步技术WSN时间同步概述概念：各个节点定期或不定期与其他节点交换本地时钟信息，并在协议或算法控制下调整本地时钟，实现全局时间一直的过程。WSN为何需要进行时间同步：◆不同节点晶体振荡不同，存在累积误差◆受能量、存储、带宽限制◆分布式系统，要求节点必须实现同步，不同系统要求程度不同时间同步要解决的问题：◆保证同步的精度◆尽量小的功耗◆保证网络的可扩展性时间同步的误差来源WSN时间同步概述晶体震荡不同节点的晶体振荡器间存在误差，并且也会受到环境影响，这一误差会随时间累积。成本、资源由于WSN资源受限，通信信道质量不佳时；节点密度大时，易造成延迟和出错，导致时间误差。同步协议须在性能和开销间取得平衡，即用较小的通信代价取得较好的同步效果。协议执行信道出错，导致部分节点不能被同步，影响网络的整体时间同步情况。图7-1NTP协议的基本通信模型时间同步技术NTP协议NTP协议即网络时间协议，是一个集中式协议，同步精度达毫秒级。◆NTP基于节点间的双向握手来预测节点间时延并计算相对的时间偏差：需同步的终端发送时间请求，服务器回应包含时间信息的应答消息。◆协议假定两个主机的传播时延是一致的。时间同步技术NTP协议NTP协议特点◆NTP协议通过频繁交换消息来校准时钟频率偏差带来的误差，能耗较高。◆NTP基准服务器间的时间同步需要基础设施的协助。NTP协议不适合WSN◆WSN节点能量有限，无法满足NTP频繁通信需求◆WSN时间同步目的实现局部最优，而NTP实现全局同步，属于集中式协议。时间同步技术GPS时间同步GPS时间同步原理◆GPS卫星上配备有高精度的铷、铯原子钟(以原子半衰期计时)。◆卫星不间断发射的伪码中包含有时间信息。优点：精度高、操作简单缺点：环境影响、通信功耗、安全性适合少数携带GPS模块的传感器节点使用。时间同步技术无线传输的时延发送时延接入时延传输时延传播时延接收时延处理时延时间同步机制需考虑的因素时间同步技术扩展性在WSN中，由于网络规模和节点数量的不同，时间同步机制应能适应不同的网络场景稳定性网络拓扑发生变换时，同步机制应能保持连续性和同步精度鲁棒性在受到环境、信道通信质量、节点失效等干扰情况下，保持正常工作收敛性时间同步机制应能在较短的时间内达成节点时间的同步低能耗WSN能量受限，同步机制应能在保证运作机能的前提下，尽量降低能耗时间同步协议的类型时间同步协议分层与平面模式分层模式◆下层节点根据上层节点的时间进行同步◆各簇之间时间可不同步◆分布式的同步协议平面模式◆除时间参考节点，其他节点的地位是相同的◆通过多跳传输等方式发送时间同步消息时间同步协议的类型时间同步协议绝对时间与相对时间模式绝对时间模式◆网络有一个绝对时间源◆所有节点都与绝对时间进行同步◆如UTC、GPS等同步机制相对时间模式◆不必获取绝对时间基准◆同步的目的是尽量减小各节点硬件时钟的最大偏差时间同步协议的类型时间同步协议发送者-接收者与接收者-接收者模式发送者-接收者模式◆发送者周期性发送自己的时间信息◆接收者收到后根据时间戳，计算时延进行同步接收者-接收者模式◆两个接收者都受到时间信标◆互相比较记录的收到时间，调整并达到同步时间同步协议性能参数时间同步协议最大误差指节点间最大相对误差，或者与外部标准时间的最大误差；网络规模越大，最大误差越大同步时间节点间进行时间同步所需要的时间，也指周期进行同步的时间间隔同步范围时间同步过程所包含的节点数量或区域范围，全网范围或部分区域效率达到同步精度与所耗费的代价的比值，代价一般指时间和能量硬件代价指为了完成某些协议的同步操作所需要的特殊硬件，会增加节点的成本和复杂性TPSN协议时间同步协议协议采用分层结构，基于发送者-接收者模式。可提供WSN全网范围内的时间同步。同步过程：◆层次发现：建立树形结构，根节点广播层次发现消息，直接接收者属于层次1，收到层次1节点转发消息的节点属于层次2，以此类推，直至所有节点均纳入层次。◆时间同步：根节点与层次1节点通过双向握手进行同步，期间执行随机退避机制；层次1节点同步完成后，与层次2节点通过双向握手进行同步；以此类推，直至全网完成同步。TPSN协议时间同步协议相邻级别节点间的同步机制i-1级i级消息传播时延两节点间的时间偏差TPSN协议时间同步协议相邻级别节点间的同步机制结论——TPSN协议优点◆在MAC层消息开始发送到无线信道时才添加时间信标，消除了访问时间带来的误差◆利用双向交换信息计算消息的平均延迟，精度相对较高缺点◆节点失效(尤其是靠近根节点的节点失效)会导致同步错误，并在网络扩散◆新节点加入时，需初始化层次发现步骤，扩展性差◆不适合移动节点或多跳同步等情况时间同步协议RBS协议时间同步协议协议采用平面结构，基于接收者-接收者模式。可提供局部节点间的时间同步。基本原理：◆发送节点广播的同步消息不含有时间戳，接收节点记录接收消息的时间并进行相互比较(多次通信)，估计相对的时间偏差并进行同步。◆对于RF信号，可忽略传播时间带来的误差；对于声信号，则传播时间必须考虑在内。同步过程：◆发送者发出“信标分组”数据包，广播域内节点“同时”接收。◆接收节点分别记录接收时间◆接收节点交换各自记录的接收时间，计算出差值◆存在差值的节点根据差值更改本地时间，实现接收节点之间的同步RBS协议时间同步协议RBS协议时间同步协议特点：◆相对传统同步方式，缩短了关键路径，减小了同步偏差，提高了精度◆同步过程中的不确定性只来自数据包被接收和打上时间戳的步骤◆硬件偏差也可预先估计RBS协议时间同步协议多跳同步机制：◆A发送信标分组后，完成与节点1、2、3、4的时间同步◆B发送信标分组后，完成与节点4、5、6、7的时间同步◆节点4位于两个广播域的交集内，所以通过节点4可以同步两个广播域内的节点RBS协议时间同步协议多跳同步机制：节点1和节点7监测到附近发生事件◆节点1和节点7分别记录事件发生的时间◆节点1和节点7可以通过翻译节点4实现时间同步RBS协议优点◆消除了时间同步关键路径上来自发送端的不确定性，减少了同步错误，提高了效率◆轻量级，自适应◆精度较传统同步方式高缺点◆同步精度受“接收端接收时间差”(节点间存在硬件和软件差异)影响较大◆节点间通信量较大，增加了能量消耗◆传输碰撞概率增大时间同步协议LTS协议时间同步协议协议采用树形分层结构，基于发送者-接收者模式。可提供全局或局部节点间的时间同步。基本原理：◆集中式：构建生成树，每个叶节点和根节点同步，生成树尽量均衡以提高准确性◆分布式：基于事件的机制，即每个节点只在发送数据是才进行同步；同步精度随距离增大而降低；每个节点都可以发起同步