第6章无线传感器网络--时间同步

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1、第6章,无线传感器网络的支撑技术,1,传感器网络用户的使用目的千变万化，作为网络终端节点的功能归根结底就是传感、探测、感知，用来收集应用相关的数据信号。 为实现用户的功能，除要设计通信与组网技术以外，还要实现保证网络用户功能的正常运行所需的其它基础性技术。,2,无线传感器网络的支撑技术,时间同步机制 定位技术 数据融合 能量管理 安全机制,3,时间同步技术,4,分布式系统需要时间同步,不同的节点都有自己的本地时钟 即使在某个时刻所有节点都达到时间同步，它们的时间也会逐渐出现偏差 分布式系统要进行协同工作,5,时间同步机制是分布式系统基础框架的一个关键机制。,传感器网络时间同步的作用,1. 构成

2、TDMA调度机制 2. 估计监测目标的运行方向和速度 3. 通过测量声音的传播时间能够确定节点到声源的距离或声源的位置,6,时间同步,物理时间用来表示人类社会使用的绝对时间 逻辑时间表达事件发生的顺序关系，是一个相对概念 分布式系统通常需要一个表示整个系统时间的全局时间,7,现有的时间同步技术,网络时间协议NTP(Network Time Protocol)是Internet采用的时间同步协议。 GPS可用来提供网络的全局时间同步。,8,传感器网络实现时间同步的限制因素,价格和体积成为传感器网络时间同步的重要约束。 节点造价不能太高 节点的体积微小 消耗的能量,9,现有网络的时间同步技术不适合

3、传感器网络 计算机性能对传感器节点而言高很多,能源也能够不断得到供给； 现有网络的时间同步机制往往关注于达到最大的同步精度方面，而较少考虑计算和通信的开销,没有考虑计算机消耗的能量。 NTP、GPS等现有时间同步机制不适用于传感器网络,10,时间同步技术,GPS可用来提供网络的全局时间同步。,11,传感器网络中进行时间同步的设计思路： 1. 少量的传感器节点携带如GPS的硬件时间同步部件 2. 大多数传感器节点根据“时间同步机制”交换同步消息，与网络中的其他传感器节点保持时间同步。,12,传感器网络具有应用相关的特性 在众多不同应用中很难采用统一的时间同步机制,13,传感器网络的时间同步机制的

4、设计要求,（1）扩展性 （2）稳定性 （3）鲁棒性 （4）收敛性 （5）能量感知 进行时间同步所需的网络通量和计算量要可预知,14,传感器网络的时间同步机制的主要性能参数,1) 最大误差 传感器节点之间的最大时间差量 相对外部标准时间的最大时间差量 2) 同步期限 节点间保持时间同步的持续时间长度 瞬间同步 永久同步 3) 同步范围 要保持时间节点间同步的区域范围 地理范围 单位：米 逻辑距离 单位：跳数,15,传感器网络的时间同步机制的主要性能参数,4) 可用性 在同步范围内的覆盖完整性 5) 效率 达到同步精度所经历的时间以及消耗的能量。 6) 代价和体积 硬件成本 节点体积,16,6.2

5、 网络时间同步机制,17,NTP设计思想,网络时间同步模式：C/S模式 进行时间同步的2种方案： 基本方案： 时间服务器周期性地向客户端发送时间同步消息，同步消息中包含服务器的当前时间。 扩展方案 客户端主动产生时间同步请求消息，服务器回应时间同步应答消息； 测量这两个分组总的往返时间来估计单程的延迟,18,NTP协议,被用作Internet的时间同步协议 最新的NTP v4精确度己经达到了毫秒级,19,NTP协议的基准时间的实现方案,在网络上指定若干时钟源服务器，为用户提供授时服务，并且这些服务器站点之间能够相互比对以提高准确度。 时钟源服务器采用世界标准时间 (UTC) 是当前所有时钟基准

6、的国际标准 时间服务器获取当前世界标准时间的来源： 位于科罗拉多的WWV短波广播电台 卫星,20,NTP协议的体系结构,1. NTP协议采用层次型树型结构，整个体系结构中有多棵树 每棵树的父节点都是一级时间基准服务器 一级时间基准服务器直接与UTC时间源相连接 2. 将时间信息从这些一级时间服务器传输到分布式系统的二级时间服务器成员，第3层服务器从第2层服务器获取时间，以此类推,21,NTP协议的体系结构,3. 层数表示时间服务器到外部UTC时钟源的距离。 层次数限制为15 4. 客户端是叶节点,22,NTP协议的基本原理,需要进行时间同步的客户端首先发送时间请求消息，然后服务器回应包含时间信

7、息的应答消息。,NTP协议的基本原理,T1：客户端发送时间请求消息的时间(客户端的时间) T2 ：服务器收到时间请求消息的时间(服务器的时间) T3：服务器回复时间应答消息的时间(服务器的时间) T4 ：客户端收到时间应答消息的时间(客户端的时间) 1 ：时间请求消息在网上传播所需要的时间。 2 ：时间应答消息在网上传播所需要的时间。,NTP协议的基本原理,设客户机与服务器时间相差：Ts = Tc+,关系式(4-1)成立:,假设时间请求消息和时间应答消息在网上传播的时间相同，即 1=2,NTP协议的基本原理,设客户机与服务器时间相差：Ts = Tc+,假设 1=2,客户端根据T1、T2、T3和

8、T4的数值计算出与服务器的时差,从而调整它的本地时间。 消息传输的非确定性延迟（1和2可能不相等）是影响客户端与服务器时间同步精度的主要因素。,消息传输延迟细分为四个部分,1.发送时间 2. 访问时间 3. 传播延迟 4. 接收时间,27,各种延时对时间同步精度的影响,局域网信道访问延迟往往变化比较大 广域网的传输延迟抖动也比较大 发送延迟和接收延迟的变化相对较小,28,6.3传感器网络时间同步机制,29,NTP不适合无线传感器网络,1. NTP协议应用在有线网络，链路网络失败概率小 传感器网络: 无线链路， 通信质量较差 2. 网络结构的稳定性 NTP协议的网络结构相对稳定，便于为不同位置的

9、节点手工配置时间服务器列表； 传感器网络的拓扑结构动态变化，简单的静态手工配置无法适应这种变化。,30,NTP不适合无线传感器网络,3. NTP协议中时间基准服务器间的同步需要基础设施的协助 4. NTP协议需要通过频繁交换消息来不断校准时钟频率偏差带来的误差；,31,GPS进行时间同步的局限性,1. 需配置高成本的GPS接收机 2. 在室内、森林或水下等有障碍的环境中无法使用GPS系统 3. 如果用于军事目的，没有主控权的GPS系统也是不可依赖的,32,在传感器网络中只可能为极少数节点配备GPS接收器，这些节点为传感器网络提供基准时间,传感器网络的常用时间同步机制,33,6.3.1 参考广播

10、 同步机制RBS (Reference Broadcast Synchronization),一种基于接收者和接收者的时间同步机制 利用了无线数据链路层的广播信道特性，引入一个节点作为辅助节点 辅助节点广播一个“参考分组” 在广播域内的一组接收节点接收到这个“参考分组” 信号传播时间很短，可以认为这一组接收节点是同时收到“参考分组” 通过交换、比较各自接收到“参考分组”的本地时间，实现一组接收节点之间的时间同步,34,RBS机制的基本过程,1. 发送节点广播一个“信标(beacon)分组”，广播域中两个节点都能够“同时”接收到这个分组。,35,RBS机制的基本过程,2. 每个接收节点分别根据自

11、己的本地时间记录接收到“信标分组”的时刻； 接收节点1上记录的接收时间是t1 （节点1的本地时间 接收节点2上记录的接收时间是t2 （节点2的本地时间） 从全局时间上看， t1 和t2 所表示的时间是同一个时刻。,36,t1,t2,RBS机制的基本过程,2.每个接收节点分别根据自己的本地时间记录接收到“信标分组”的时刻； 设接收节点1上记录的接收时间是t1 （节点1的本地时间 设接收节点2上记录的接收时间是t2 （节点2的本地时间） 从全局时间上看， t1 和t2 所表示的时间是同一个时刻。,37,3. 接受节点1和2，交换 t1 和t2,RBS机制的基本过程,38,4. 两个接收时间的差值d

12、=(t1 -t2 )相当于两个接收节点间的时间差值 让其中一个接收节点可以根据这个时间差值d更改它的本地时间，从而达到两个接收节点之间的时间同步,RBS机制,RBS机制中不是通告发送节点的时间值，而是通过广播同步指示分组“信标分组”实现接收节点间的相对时间同步。 广播信道中的所有接收方“同时”收到信标分组，接收方之间就有了一个同步参考时间 信标分组何时发送出去不重要,39,RBS机制,对于传播时间，RBS机制只关心信标分组到不同接收节点的传播时间的差值 RF信号，可以忽略了传播时间的时间偏差 声音信号，不能忽略传播时间的偏差,40,误差主要来源于： 信号传播时间的差值 接收节点底层硬件的接收速

13、度,41,RBS机制应用于多跳网络,42,RBS机制应用于多跳网络,1. 非邻居节点A和B分别发送信标分组，在相同广播域内的接收节点之间能够时间同步。 A发送信标分组后，完成同步节点、和的时间； B发送信标分组后，完成同步节点、和的时间；,43,RBS机制应用于多跳网络,2. 节点4处于两个广播域的交集处，使得根据节点4的时间能够同步两个广播域内节点间的时间,44,如何得到网络中事件间的全局时间关系,1. 假设发生在节点1和节点7附近的两个事件 设节点1监测到事件的时间为：tE1 （节点1的本地时间）； 设节点7监测到事件的时间为：tE7 （节点7的本地时间）；,45,如何得到网络中事件间的全

14、局时间关系,2.假设节点A和节点B分别在Pa和Pb时间点发送信标分组; 设节点1是在收到节点A发送的信标分组之前的d1秒观察到事件E1 , tE1=Pa d1 设节点7是在收到节点B发送的信标分组之前的d2秒观察到事件E7 ， tE7=Pb d2 3. 其他节点从节点4知道节点A发送分组比节点B晚d秒 Pa =Pb+d 4. 可知： tE1 =tE7+d d1 + d2,46,RBS时间同步的优点,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 比采用往返时间的时间同步机制NTP具有较高的精度,47,RBS的缺点 RBS机制的时间同步精度受“接收节点

15、间接收时间差”的影响较大 改进方法： 通过多次广播信标分组获得平均值，能够提高RBS机制的时间同步精度,48,后同步思想,通常情况下节点的时间不必同步 当监测到一个事件发生时，节点才采用RBS机制进行时间同步 优点： 节省传感器节点的能量 缺点： 不适应于需进行长距离或长时间通信的时间同步的应用,49,6.3.2 TPSN时间同步协议,传感器网络时间同步协议TPSN(Timing-sync Protocol for Sensor Networks),提供传感器网络全网范围内节点间的时间同步。,50,TPSN时间同步协议基本思想,TPSN是基于发送者和接收者的双向时间同步机制 基于客户机/服务器

16、架构 待同步节点向基准节点发送同步请求包，基准节点回馈包含当前时间的同步包，待同步节点估算时延并校准时钟。,51,TPSN时间同步协议基本思想,在网络中有一个与外界通信获取外界时间的节点称为根节点 GPS接收机 整个网络系统的时钟源 采用层次型网络结构 首先将所有节点按照层次结构进行分级 每个节点与上一级的一个节点进行时间同步,52,TPSN协议包括2个阶段,第1个阶段：生成层次结构 每个节点赋予一个级别 根节点赋予最高级别第0级 第i级的节点至少能够与一个第(i-1)级的节点通信 第2个阶段：实现所有节点的时间同步 第1级节点同步到根节点， 第i级的节点同步到第(i-1)级的一个节点,53,TPSN协议的主要思想分为两个阶段:,第一阶段是层次发现阶段 给每一个节点赋予一个级别，第i级的节点至少要能够和一个第(i-1 ) 级的节点通信; 第二阶段是时间同步阶段 实现所有树节点的时间同步，第i 级的节点同步第(i-1) 级的一个节点,54,生成层次结构阶段,1. 根节点通过广播“级别发现(lev