第06章、时间同步技术v1.1

计算机科学与技术,无线网络

《无线传感器网络技术》讲义 无线传感器网络技术》

第六章,时间同步技术2007年8月20日

计算机科学与技术,无线网络

内容提要

1. 2. 3. 4. 5.

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

计算机科学与技术,无线网络

内容提要

1. 2. 3. 4. 5.

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

计算机科学与技术,无线网络

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

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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

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WSN时间同步机制的主要性能参数 最大误差:一组传感器节点之间的最大时间差或相对 外部标准时间的最大差值. 同步期限:节点保持时间同步的时间长度. 同步范围:节点保持时间同步的区域范围. 可用性:范围覆盖的完整性. 效率:达到同步精度所经历的时间以及消耗的能量. 代价和体积:需要考虑节点的价格和体积.

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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

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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 ... ...

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时钟模型

硬件时钟模型 软件时钟模型

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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

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相关术语

信标节点和未知节点 邻居节点 跳数,跳段距离 基础设施 到达时间,到达时间差 接收信号强度指示 到达角度 视线关系,非视线关系

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内容提要

1. 2. 3. 4. 5.

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

计算机科学与技术,无线网络

传统与挑战

传统同步方法 传感器网络的挑战

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传统同步:NTP与GPS

NTP:网络时间协议 GPS:全球定位系统

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NTP(Network Time Protocol)

体系结构(网络)

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NTP(Network Time Protocol)

体系结构(单机)

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NTP(Network Time Protocol)

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

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GPS(Global Position System)

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)

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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

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传输延迟的不确定性Sender Send time Access time Transmission time

Receiver

Propagation time Reception time Receive time

发送时间:发送节点构造和发送时间同步消息所用时间.e.g., 系 统调用时间;内核调度时间;消息从主机发送到网络接口时间. 访问时间:发送节点等待访问网络传输信道的时间. 传播延迟:发送节点传输到接收节点所经历的时间. 接收时间:从接收节点的网络接口接收到消息到通知主机消息达 到事件所经历的时间间隔.

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传输延迟的进一步细化(在Mica2上)时间 Send time & Receive time Access time Transmission time & Reception time Propagation time Interrupt waiting time Encoding time & Decoding time Byte alignment time 典型值 0~100ms 10~500ms 10~20ms <1s(距离<300米) (距离 米 在大多数情况下<5s,在重 , 在大多数情况下 负载下,可达30s 负载下,可达 100~200s,<2s的抖动 , 的抖动 0~400s 特性 不确定,依赖处理器负载, 不确定,依赖处理器负载,操 作系统系统调用开销 不确定,依赖信道负载. 不确定,依赖信道负载. 确定, 确定,依赖报文长度和发送速 率. 确定, 确定,依赖收发方物理距离和 传播媒质特性. 传播媒质特性. 不确定, 不确定,依赖处理器类型和处 理器负载. 理器负载. 确定, 确定,依赖射频芯片的种类和 设置. 设置. 确定,依赖发送速率和收发字 确定, 节偏移. 节偏移.

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