无线传感器网络课件 课件 第6章-时间同步技术

第6章时间同步技术1复习WSN的系统架构图互联网、卫星移动通讯网络汇聚节点管理节点传感器节点用户待测区域2复习无线传感器节点的功能模块传感器模块传感器A/D处理器模块处理器/存储器无线通信模块收发器MAC电源模块网络3复习无线传感器节点网络体系（三部分）网络层（路由）数据链路层（MAC）传输层（传输控制）物理层（声、光、电磁）能量管理平台网络管理接口时间同步、定位、安全机制、数据融合等移动管理平台任务管理平台网络通信协议网络管理平台应用支撑平台应用服务接口4复习网络层（路由）数据链路层（MAC）传输层（传输控制）物理层（声、光、电磁）网络通信协议组网通信5定位技术数据融合时间同步机制容错技术服务支撑技术安全机制6主要内容6.1基本概念6.2传统的时间同步机制6.3WSN的时间同步机制6.4时间同步的应用事例76.1基本概念（1）时间同步的定义●时间同步定义：

为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●WSN节点的本地时钟：

晶振产生的时钟信号，频率会因电压、温度等漂移，造成失步86.1基本概念（2）时间同步的分类●

排序、相对同步与绝对同步●

外同步和内同步●

局部同步和全网同步96.1基本概念（2）时间同步的分类

排序：实现对事件发生的先后顺序的判断●

排序、相对同步与绝对同步相对同步：节点维持本地时钟的独立运行，动态获取并存储与其他节点之间的时钟偏移，实现不同节点的时间的相互转换，达到时间同步的目的绝对同步：节点的本地时钟和参考基准时钟保持时刻一致106.1基本概念（2）时间同步的分类●

外同步和内同步

外同步：同步时间参考源来自网络外部

内同步：同步时间参考源来自网络内部某个节点的本地时间116.1基本概念（2）时间同步的分类●

局部同步和全网同步

局部同步：网内相关的部分节点时间同步

全网同步：网内所有节点时间同步126.1基本概念（3）时间同步的应用场合●多传感器数据压缩与融合●低功耗MAC协议●测距定位●多分布式系统的传统要求●协作传输要求136.2传统的时间同步机制●NTP（NetworkTimeProtocol)●GPS(GlobalPositionSystem)14到目前为止，时间同步技术的研究已经有了30年之久，最早的时间同步机制是美国一所大学提出的网络时间协议（NTP）。NTP协议的时间同步精度可以达到毫秒级，通过外界一个精准的时间源接收机，顶层的时间服务器可以获得高精度的参考时间，并向全网内提供统一的时间服务。时间同步技术研究现状与发展——NTP15NTP协议采用的是分层结构，拓扑结构如图所示，整个NTP协议分为三层结构，其中A1、A2、A3为顶层的时间服务器，B1、B2、B3为第二层时间服务器，其余均为客户机。第一层时间服务器通过GPRS或者广播网络等方式来获得标准的UTC时间，其他层的时间服务器或者客户机选择一个或者多个上一层的时间服务器来同步本地时间，从而使整个网络所有服务器和客户机时间同步。NTP协议166.2传统的时间同步机制（1）NTP–层状同步拓扑结构174/202.NTP协议客户端服务器T1T2T3T4δ1δ2T1：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δ1和δ2分别表示时间请求和时间应答消息网络传播时间Θ：客户端比服务器时钟快的时间量NTP协议原理186.2传统的时间同步机制（1）NTP用在WSN的缺陷●

节点体积、电能、计算能力有限●

传输方式不同：无线带宽有限、抗干扰能力有限●

目标不同：无线算法强调局部最优性，而因特网强调整体最优性196.2传统的时间同步机制（2）GPS–体系结构●空间星座部分●地面监控部分●用户设备部分206.2传统的时间同步机制（2）GPS用在WSN的缺陷●

穿透性差，只适合安装在空旷的室外●

GPS接受机的体积与功耗大216.3WSN的时间同步机制（1）WSN时间同步面临的挑战●传输延迟的不确定性●低功耗、低成本与小体积●可扩展性●健壮性226.3WSN的时间同步机制（2）WSN时间同步需要解决的问题●如何设计时间同步协议，提高同步精度●如何设计时间同步协议，满足低功耗，延长网络寿命●如何设计时间同步协议，满足网络的动态可扩展性236.3WSN的时间同步机制（3）WSN的时间同步协议●

DMTS●

RBS●

TPSN●

FTSP经典同步协议侧重于同步精度和同步能耗的需求●萤火虫同步●协作同步新型同步协议侧重于同步可扩展性和健壮性246.3WSN的时间同步机制（4）TPSN协议–操作过程●第一阶段：层次发现阶段●第二阶段：同步阶段256.3WSN的时间同步机制（4）TPSN协议–操作过程–层次发现阶段●根节点发送分组包（包括发送节点的ID和级别0）●根节点临近节点收到分组包后，建立自己的发送分组包（包括发送节点的ID和级别1）●节点收到第i级节点的广播分组后，建立自己的发送分组包（包括发送节点的ID和级别i+1）●节点一旦建立自己的级别，就忽略任何其它级别的发送分组包，以防止网络产生洪泛拥塞2611/20TPSN时间同步协议根节点11212122222层次发现阶段（广播级别发现分组）根节点11212122222同步阶段（广播时间同步分组）276.3WSN的时间同步机制（4）TPSN协议–操作过程–同步阶段●根节点通过广播时间同步分组启动同步阶段●第1级节点收到分组后，各自分别等待一段随机时间后与根节点交换消息同步到根节点●第2级节点收到第1级节点的交换消息后，后退和等待一段随机时间后与对应的第1级别节点交换消息进行同步●最后每个节点与层次结构中最靠近的上一级节点进行同步，从而所有节点同步于根节点286.3WSN的时间同步机制（3）TPSN协议–相邻级别节点间的同步机制节点B节点AT1T4T2T3RequestReply同步点2912/20TPSN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。3013/20DMTS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3114/20DMTS同步机制发送者：接收者：同步消息MAC延迟发送前导码起始字符发送数据接收ACK加上时标t0接收前导码接收数据发送ACK接收处理时标t1时标t2n=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）3215/20DMTS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。33参考广播同步协议——RBS根据无线信道的广播特性，发送者发送的消息对所有接收节点而言是同一个发送节点发送的，RBS算法利用这个优势来消除发送时间和访问时间所造成的传输时间误差，从而提高时间的同步精度。RBS同步机制的工作流程如下：假设有N个节点组成的单跳网络，1个发送节点，N−1个接收节点，发送节点周期性地向接收节点发送参考报文，广播域内的接收节点都将收到该参考报文，并各自记录收到该报文的时刻。接收者们通过交换本地时间戳信息，这样这一组节点就可以计算出它们之间的时钟偏差。RBS算法中广播的时间同步消息与真实的时间戳信息并无多大关系，它也不关心准确的发送和接收时间，而只关心报文传输的差值，RBS同步算法完全排除了发送时间和接收时间的干扰。34参考广播同步协议——RBS在RBS算法中，接收节点只需比较接收节点接收报文的时间之差，因此在发送节点发送的参考报文中无须携带发送节点的本地时间。同步误差只与接收者们是否在同一时刻记录本地时间有关，为了减小时间同步的误差，RBS采用了统计技术，同时广播多个时间同步消息，求相互之间消息到达的时间差的平均值，这样就能在最大程度上消除非同时记录的影响另外对于节点间的时钟漂移情况，RBS采用最小平方误差的线性回归方法，对从某时刻开始的节点间的时钟偏移数据进行线性拟合。357/20RBS同步机制RBS机制的基本原理发送节点发送节点接收节点接收节点信标分组信标分组接收节点接收节点接收信标分组本地时间接收信标分组本地时间调整时间36考虑RBS协议应用于多跳网络情况：RBS能够消除发送节点引起的同步误差，在忽略传播时间的情况下，主要的误差来源就只剩下接收节点之间的处理时间差，以及发送节点和接收节点间的无线电同步误差，这两者都只有μs级，因此RBS算法的同步精度非常高，但RBS算法的网络开销比较大，对于单播域中的n个节点和m个参考广播消息，RBS算法的复杂度为O(mn2)。参考广播同步协议——RBS在图示网络中存在三个不同的单跳域A、B和C，其中4号和7号节点处于两个单跳域的交界，4号节点可以同步A区域和C区域的时间，7号节点可以同步B区域和C区域的时间，根据这两个节点我们可以得到相邻两区域的时间转换关系，从而达到全网的时间同步。378/203.RBS同步机制RBS机制应用于多跳网络AB1432765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+16389/203.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3910