无线传感器网络时钟同步技术

ZhongyuanUniversityofTechnology无线传感器网络时钟同步技术TimeSynchronizationinWirelessSensorNetworkSystem提纲一三概述MAC层协议分类二MAC层避免信道冲突技术四基于多信道的MAC层技术时间同步由于物理上的分散性，网络无法为彼此间相互独立的节点提供一个统一的全局时钟，每个节点各自维护它们的本地时钟。由于这些本地时钟的计时速率、运行环境存在不一致性，因此即使所有的本地时钟在某一时刻都被校准，一段时间后，这些本地时钟间也会出现失步。为了让这些本地时钟再次达到相同的时间值，必须进行时间同步操作。时间同步就是通过对本地时钟的某些操作，达到为分布式系统提供一个统一时间标度的过程。传感器网络自身协议的运行及基于其上的应用，如标记数据采集时间、时分多址接入、协同休眠、定位、数据融合等都需要网络中节点的时钟保持同步。时间同步算法设计必须考虑到两方面的因素：1)减少时间同步自身带来的能量消耗；2)提供较高时间同步精度以有效减少其它关键技术带来的能量消耗。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同步协议需要解决的问题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•排序只能区分事件发生的先后•相对同步：维持本地时钟的运行，定期获取其他节点的时钟偏•移和飘移，经过换算达到同步的目的。如RBS协议•绝对同步：本地时钟和参考时钟保持一致，修改本地时钟。如TPSN协议外同步与内同步参考源不同，前者参考源为网络外部，如GPS。后者参考源为网络内部某个节点的时钟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邻近传感节点对相同事件的感知数据需要融合，基于时间戳判断是否同一事件，需要时钟同步低功耗MAC协议、路由协议不发送数据时，节点处于休眠状态，网络节点的同步休眠需要时钟同步测距、定位（位置相关报务，LBS）距离测量和定位是基于无线电信号的传输时间，时间同步越准确，距离测量也越准确分布式系统的传统要求分布式系统的数据库查询，状态等一致性的要求协作传输、处理的要求协作传输是基于电磁波的能量累加效应，多个节点以相同的调制解调方式同时发送信号，使得远处的汇集节点能接收到信号硬件时钟模型基本名词时间、晶振、时钟（RTC）时钟偏移（clockoffset）：是指两个时钟瞬时读数的差。晶振计时的时刻与实际时刻的差值，反映计时的准确性ClockSkew：是指两个时钟的频率差。它可以看作是Clockoffset的一阶导数。时间漂移(ClockDrift)：是指时钟频率的变化，反映晶振的稳定性。实际晶振的频率有可能随着外界环境温度、湿度的变化而有所改变。ClockDrift可以看作是Clockoffset的二阶导数。速率恒定模型该模型认为频率保持恒定不变，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，频率稳定度常用ppm（百万分之一）飘移变化有界模型时钟的漂移变化率是有限的。传统同步：NTP与GPSNTPNTP不适合于WSN体积、计算能力和存储空间存在限制GPS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）节点上的时钟hardwareclock振荡器以固定频率产生脉冲每隔一定脉冲后计数寄存器增加1•Onlyregistercontentisavailabletosoftware•RegisterchangerategivesachievabletimeresolutionNodei’sregistervalueatrealtimetisHi(t)•Convention:smallletters(liket,t’)denoterealphysicaltimes,capitallettersdenotetimestampsoranythingelsevisibletonodesA(node-local)softwareclockisusuallyderivedasfollows:Li(t)=qiHi(t)+fi(没有考虑计数寄存器的益处)qiisthe(drift)rate,fithephaseshift时间同步就是要修正qi和fi,而不是计数寄存器同步精确性外部同步与外部的时间表（如UTC）同步Nodesi=1,...,nareaccurateattimetwithinbounddwhen|Li(t)–t|dforalli•因此，至少有一个节点具有外部的时间表内部同步无外部的时间表,所有节点具有公共时间表Nodesi=1,...,nagreeontimewithinbounddwhen|Li(t)–Lj(t)|dforalli,j不精确的原因Nodesareswitchedonatrandomtimes,phasesθihencecanberandom随机打开的节点的相位也是随机的Actualoscillatorshaverandomdeviationsfromnominalfrequency(drift,skew)实际的振荡器与标准的频率之间有一定的随机偏差Deviationsarespecifiedinppm(pulsespermillion),theppmvaluecountstheadditionalpulsesorlostpulsesoverthetimeofonemillionpulsesatnominalrateThecheapertheoscillators,thelargertheaveragedeviation•Forsensornodesvaluesbetween1ppm(onesecondevery11days)and100ppm(onesecondevery2.8hours)areassumed,Berkeleymoteshaveanaveragedriftof40ppmOscillatorfrequencydependsontime(oscillatoraging)andenvironment(temperature,pressure,supplyvoltage,...)振荡器的频率会随着使用期限、温度等因素而出现偏差Especiallythetime-dependentdriftratescallforfrequentre-synchronization,asone-timesynchronizationisnotsufficientHowever,stabilityovertensofminutesisoftenareasonableassumption时间同步算法Physicaltimevs.logicaltimeExternalvs.internalsynchronizationGlobalvs.localalgorithmsKeepallnodesofaWSNsynchronizedoronlyalocalneighbourhood?Absolutevs.relativetimeHardwarevs.software-basedmechanismsAGPSreceiverwouldbeahardwaresolution,butoftentooheavyweight/costly/energy-consuminginWSNnodes,andinadditionaline-of-sighttoatleastfoursatellitesisrequiredA-priorivs.a-posteriorisynchronizationIstimesynchronizationachievedbeforeorafteraninterestingevent?Post-factosynchronizationDeterministicvs.stochasticprecisionboundsLocalclockupdatedisciplineShouldbackwardjumpsoflocalclocksbeavoided?(Usersofmakesayyeshere....)Avoidsuddenjumps?时间同步算法的性能和功能模块Metrics:性能度量Precision:maximumsynchronizationerrorfordeterministicalgorithms,errormean/stddev/quantilesforstochasticonesEnergycosts,e.g.#ofexchangedpackets,computationalcostsMemoryrequirementsFaulttolerance:whathappenswhennodesdie?Fundamentalbuildingblocksoftimesynchronizationalgorithms:Resynchronizationeventdetectionblock:whentotriggeratimesynchronizationround?Periodically?Afterexternalevent?Remoteclockestimationblock:figuringouttheothernodesclockswiththehelpofexchangingpacketsClockcorrectionblock:computeadjustmentsforownlocalclockbasedonestimatedclocksofothernodesSynchronizationmeshsetupblock:figureoutwhichnodesynchronizeswithwhichothernodesWSNs中时间同步算法的限制AnalgorithmshouldscaletolargenetworksofunreliablenodesQuitediverseprecisionrequirements,frommstotensofsecondsUseofextrahardware(likeGPSreceivers)ismostlynotanoptionlowmobilityOftentherearenofixedupperboundsonpacketdeliverytimes(duetoMACdelays,buffering,...)NegligiblepropagationdelaybetweenneighboringnodesManualnodeconfigurationisnotanoption时间同步算法分类基于Sender/Receiver的时间同步通信双方中的发送节点需要记录时间消息发送时刻的时间信标，而接收节点则需要记录时间消息接收时刻的时间信标，同步过程中只需要一次通信。该模式的代表算法是洪泛广播时间同步协议。基于Receiver/Receiver的时间同步在实现时间同步的过程中，节点只需要在接收时间消息的时刻记录时间信标，而发送时刻不需要记录时间信标，节点只需要知道接收到时间消息的精确时刻。典型协议有RBS等。基于Pair-Wise的时间同步这种算法利用成对同步方法进行发送节点和接收节点间的时间同步，然后扩展到整个网络形成网络的时间同步。此类算法使得网络的同步报文开销较大，对于低开销要求较高的工业无线网络应用有一定的局限性。而且同步阶段所用时间