无线传感器网络时间同步技术专题培训课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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。,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,1,2,i-1,级,i,级,消息传播时延,两节点间的时间偏差,1,2,TPSN,协议,时间同步协议,相邻级别节点间的同步机制,结论,3,1,2,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,