无线传感器时间同步技术——TPSN协议.ppt
合集下载
无线传感器网络时钟同步技术
无线传感器网络时钟同步技术
Time Synchronization in Wireless Sensor Network System 张书钦
zsqheu@
Zhongyuan University of Technology
提 纲
一 二 三 四 概述
MAC层避免信道冲突技术 MAC层协议分类
A (node-local) software clock is usually derived as follows:
Li(t) = qi Hi(t) + fi (没有考虑计数寄存器的益处) qi is the (drift) rate, fi the phase shift 时间同步就是要修正 qi 和 fi, 而不是计数寄存器
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）
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。
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
时间同步的不同目的
第一种是最简单的一种，要求也最低，它只需 要保证节点之间事件发生的相对顺序，这样就 不需要节点具有相等的本地时间； 第二种时钟同步问题是保证节点之间的相对时 钟，在需要的时候，节点的本地时间可以与其 他节点的本地时间相互转换，目前大多数时钟 同步算法 ， 都是针对该种同步问题； 第三种即最高要求的同步就是全网同步，全网 所有节点随时都要与网络中的一个参考时钟同 步，这就需要在网络中传播公共的时间标记。
Time Synchronization in Wireless Sensor Network System 张书钦
zsqheu@
Zhongyuan University of Technology
提 纲
一 二 三 四 概述
MAC层避免信道冲突技术 MAC层协议分类
A (node-local) software clock is usually derived as follows:
Li(t) = qi Hi(t) + fi (没有考虑计数寄存器的益处) qi is the (drift) rate, fi the phase shift 时间同步就是要修正 qi 和 fi, 而不是计数寄存器
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）
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。
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
时间同步的不同目的
第一种是最简单的一种，要求也最低，它只需 要保证节点之间事件发生的相对顺序，这样就 不需要节点具有相等的本地时间； 第二种时钟同步问题是保证节点之间的相对时 钟，在需要的时候，节点的本地时间可以与其 他节点的本地时间相互转换，目前大多数时钟 同步算法 ， 都是针对该种同步问题； 第三种即最高要求的同步就是全网同步，全网 所有节点随时都要与网络中的一个参考时钟同 步，这就需要在网络中传播公共的时间标记。
无线传感器网络时钟同步技术共52页
16、人民应该为法律而战斗，就像为 了城墙 而战斗 一样。 ——赫 拉克利 特 17、人类对于不公正的行为加以指责 ，并非 因为他 们愿意 做出这 种行为 ，而是 惟恐自 己会成 为这种 行为的 牺牲者 。—— 柏拉图 18、制定法律法令，就是为了不让强 者做什 么事都 横行霸 道。— —奥维 德 19、法律是社会的习惯和思想的结晶 。—— 托·伍·威尔逊 20、人们嘴上挂着的法律，其真实含 义是财 富。— —爱献 生
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
无线传感器网络课件 课件 第6章_时间同步技术
39
10/20
3.RBS同步机制
后同步思想：
通常情况下节点的时间不用同步，只有监测到一个事件发生 时，节点才首先用它的本地时间记录事件发生的时间，然后 采用RBS机制，一个“第三方”节点广播信标消息给区域内 的所有节点，接收节点利用这个同步消息作为一个瞬时的时 间参考点，同步它们监测到的事件发生时间。 后同步机制能够实现瞬时的节点间时间同步，但是受限于广 播信标分组的传输范围，它不适应于长距离或长时间通信的 时间同步。 后同步机制能够提供精确的局部空间范围的时间同步。
侧重于同步精度和同步能耗的需求
● 萤火虫同步
新 型 同 步 协 议 ● 协作同步
侧重于同步可扩展性和健壮性
24
6.3 WSN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
25
6.3 WSN的时间同步机制
（4）TPSN协议 – 操作过程 – 层次发现阶段
T4：客户端收到时间应答消息的时间
18
6.2 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
19
6.2 传统的时间同步机制
（2）GPS – 体系结构
● 空间星座部分
物理层
（声、光、电磁）
5
时间同步机制 服 务 支 撑 技 术 定位技术 安全机制
容错技术
数据融合
6
主要内容
6.1 基本概念
6.2 传统的时间同步机制 6.3 WSN的时间同步机制
第6章 无线传感器网络--时间同步..
图 7-1 NTP 协议的基本通信模型
NTP协议的基本原理
设客户机与服务器时间相差θ：Ts = Tc+θ
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 δ1=δ2
图 7-1 NTP 协议的基本通信模型
NTP协议的基本原理
设客户机与服务器时间相差θ：Ts = Tc+θ
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) • δ1 ：时间请求消息在网上传播所需要的时 间。 • δ2 ：时间应答消息在网上传播所需要的时 间。
是当前所有时钟基准的国际标准 位于科罗拉多的WWV短波广播电台 卫星
时间服务器获取当前世界标准时间的来源：
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
第6章 无线传感器网络--时间同步
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 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
32
传感器网络的常用时间同步机制
改进方法：
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。
2. 根节点的邻居节点收到“级别发现分组”
55
生成层次结构阶段
3. 节点收到第i级节点的广播的“级别发现分组”
记录发送这个广播分组的节点ID
设置自己的级别为(i+1)
广播级别设置为(i+1)的“级别发现分组”分组
4. 重复步骤3，直到网络内的每个节点都被赋予一个级 别 节点一旦建立自己的级别，就忽略任何 “级别发现 分组”
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
第06章时间同步
传输延迟的不确定性
Sender Receiver
Send Access time time Propagation time
Transmission time Reception time Receive time
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 <1μs（距离<300米） 在大多数情况下<5μs，在 重负载下，可达30μs 100~200μs，<2μs的抖动 0~400μs 特性 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。 确定，依赖报文长度和发送速 率。 确定，依赖收发方物理距离和 传播媒质特性。 不确定，依赖处理器类型和处 理器负载。 确定，依赖射频芯片的种类和 设置。 确定，依赖发送速率和收发字 节偏移。
TPSN时间同步协议 同步阶段（synchronization hase）
• 根节点通过广播时间同步分组启动； • 第1级的节点在收到这个分组后，分别等待各自的一 段随机时间，通过与根节点交换消息同步到根节点。 • 第2级的节点侦听到第1级节点的交换消息后，后退和 等待一段随机时间，并与它的父节点交换消息进行同 步。等待一段时间的目的是保证第2级节点在第1级节 点时间同步完成后才启动消息交换。 • 这样，每个节点与层次结构中最靠近的上一级节点进 行同步，最终所有节点都同步到根节点。
无线传感器时间同步技术——TPSN协议
Thursday, October 31, 2019
The End Thank you！
Thursday, October 31, 2019
4
TPSN协议过程
第二阶段 同步阶段（Synchronization Phase）
目的：实现所有树节点的时间同步，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，最终所有节点同步到根节点， 实现整个网络的时间同步 层次结构建立以后，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，再通过与根节 点交换消息同步到根节点 第2级节点侦听到第1级节点的交换消息后，等待一段随机时间，再与 它记录的上一级别的节点交换消息进行同步，网络中的节点依次与上 一级节点同步，最终都同步到根节点 等待一段随机时间是为了保证该级节点在上一级节点同步完成后才启 动消息交换
Thursday, October 31, 2019
TPSN协议过程
相邻级别节点间的同步机制
i-1 级
消息传播 时延
5
两节点间的 时间偏差
i级
Thursday, October 31, 2019
6
TPSN协议过程
相邻级别节点间的同步机制 结论——
Thursday, October 31, 2019
第一阶段 层次发现阶段（Level Discovery Phase）
目的：生成节点层次结构，每个节点被赋予一个级别，根节点为0级， 第i级的节点至少能够与一个第（i-1）级得节点通信 网络部署后，由根节点广播级别发现分组来启动层次发现阶段，级别 发现分组包含节点的ID和级别 邻居节点收到分组后，将自己的级别设置为分组中的级别加1，然后 广播新的级别发现分组 节点收到第i级节点的广播分组后，记录发送这个广播分组的节点ID， 设置自己的级别为（i+1），广播级别为（i+1）的分组，这个过程持 续到网络内每个节点都被赋予一个级别 节点一旦建立自己的级别，就忽略任何其他级别发现分组，防止网络 产生洪泛拥塞
The End Thank you！
Thursday, October 31, 2019
4
TPSN协议过程
第二阶段 同步阶段（Synchronization Phase）
目的：实现所有树节点的时间同步，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，最终所有节点同步到根节点， 实现整个网络的时间同步 层次结构建立以后，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，再通过与根节 点交换消息同步到根节点 第2级节点侦听到第1级节点的交换消息后，等待一段随机时间，再与 它记录的上一级别的节点交换消息进行同步，网络中的节点依次与上 一级节点同步，最终都同步到根节点 等待一段随机时间是为了保证该级节点在上一级节点同步完成后才启 动消息交换
Thursday, October 31, 2019
TPSN协议过程
相邻级别节点间的同步机制
i-1 级
消息传播 时延
5
两节点间的 时间偏差
i级
Thursday, October 31, 2019
6
TPSN协议过程
相邻级别节点间的同步机制 结论——
Thursday, October 31, 2019
第一阶段 层次发现阶段（Level Discovery Phase）
目的：生成节点层次结构，每个节点被赋予一个级别，根节点为0级， 第i级的节点至少能够与一个第（i-1）级得节点通信 网络部署后，由根节点广播级别发现分组来启动层次发现阶段，级别 发现分组包含节点的ID和级别 邻居节点收到分组后，将自己的级别设置为分组中的级别加1，然后 广播新的级别发现分组 节点收到第i级节点的广播分组后，记录发送这个广播分组的节点ID， 设置自己的级别为（i+1），广播级别为（i+1）的分组，这个过程持 续到网络内每个节点都被赋予一个级别 节点一旦建立自己的级别，就忽略任何其他级别发现分组，防止网络 产生洪泛拥塞
无线传感器组网-时间同步技术
传输延迟的进一步细化
时间 Send time & Receive time Access time Transmission time & Reception time Propagation time 典型值 0~100ms 10~500ms 10~20ms <1μs（距离<300米） 特性 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。 确定，依赖报文长度和发送速 率。 确定，依赖收发方物理距离和 传播媒质特性。
思考
• 为什么需要时间同步？
• 时间同步能解决什么问题？
CSMA/CA协议需要严格的时间同步
根据CSMA/CA协议，当节点要传输一个分组时，它首先侦听信道状 态。如果信道空闲，而且经过一个帧间间隔时间DIFS后，信道仍然空
闲，则站点立即开始发送信息。如果信道忙，则站点始终侦听信道，
直到信道的空闲时间超过DIFS。当信道最终空闲下来的时候，节点进 一步使用二进制退避算法，进入退避状态来避免发生碰撞。
Interrupt waiting time
Encoding time & Decoding time Byte alignment time
在大多数情况下<5μs，在重 负载下，可达30μs
100~200μs，<2μs的抖动 0~400μs
不确定，依赖处理器类型和处 理器负载。
确定，依赖射频芯片的种类和 设置。 确定，依赖发送速率和收发字 节偏移。
关键问题：时钟模型
• 硬件时钟模型 • 软件时钟模型
硬件时钟模型
• 基本名词
– 时间、晶振、时钟（RTC） – 时钟偏移（clock offset）：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 – 时钟率偏移（Clock Skew）：是指两个时钟的频率差。它可以看作 是Clock offset的一阶导数。 – 时间漂移(Clock Drift)：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 。Clock Drift可以看作是Clock offset的二阶导数。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Saturday, December 26, 2020
TPSN协议过程
相邻级别节点间的Biblioteka 步机制i-1 级消息传播 时延
5
两节点间的 时间偏差
i级
Saturday, December 26, 2020
6
TPSN协议过程
相邻级别节点间的同步机制 结论——
Saturday, December 26, 2020
优点
减少同步误差
TPSN同步协议在MAC层 消息开始发送到无线信道 是才给消息添加时标，消 除了访问时间带来的时间 同步误差
7
提高同步精度
考虑了传播时间和接收 时间，利用双向消息交 换计算消息的平均延迟， 提高了时间同步的精度
Saturday, December 26, 2020
8
缺点
没有考虑根节点失效问题 新的节点加入时，需要初始化层次发现阶段，级 别的静态特性减少了算法的鲁棒性
TPSN协议过程
第一阶段 层次发现阶段（Level Discovery Phase）
目的：生成节点层次结构，每个节点被赋予一个级别，根节点为0级， 第i级的节点至少能够与一个第（i-1）级得节点通信 网络部署后，由根节点广播级别发现分组来启动层次发现阶段，级别 发现分组包含节点的ID和级别 邻居节点收到分组后，将自己的级别设置为分组中的级别加1，然后 广播新的级别发现分组 节点收到第i级节点的广播分组后，记录发送这个广播分组的节点ID， 设置自己的级别为（i+1），广播级别为（i+1）的分组，这个过程持 续到网络内每个节点都被赋予一个级别 节点一旦建立自己的级别，就忽略任何其他级别发现分组，防止网络 产生洪泛拥塞
Saturday, December 26, 2020
4
TPSN协议过程
第二阶段 同步阶段（Synchronization Phase）
目的：实现所有树节点的时间同步，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，最终所有节点同步到根节点， 实现整个网络的时间同步 层次结构建立以后，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，再通过与根节 点交换消息同步到根节点 第2级节点侦听到第1级节点的交换消息后，等待一段随机时间，再与 它记录的上一级别的节点交换消息进行同步，网络中的节点依次与上 一级节点同步，最终都同步到根节点 等待一段随机时间是为了保证该级节点在上一级节点同步完成后才启 动消息交换
Saturday, December 26, 2020
9
使用范围
TPSN能够实现全网范围内节点间的时间同步，同 步误差与跳数距离成正比
适合实现短期间的全网节点时间同步，若要长时 间的全网节点时间同步，需要周期的执行TPSN协 议进行同步，间隔时间根据具体情况决定
考虑能耗问题，TPSN可以与后同步策略结合使用
Saturday, December 26, 2020
2
TPSN协议过程
协议准备
每个传感器节点都有唯一的标识号ID
节点间的无线通信链路是双向的，通过双向消息 交换实现节点间的时间同步
整个网络内所有节点按层次结构管理，由TPSN协 议生成和维护
Saturday, December 26, 2020
3
Saturday, December 26, 2020
The End Thank you！
时间同步协议
——TPSN
协议思想
Saturday, December 26, 2020
协议过程
性能分析
1
TPSN时间同步协议思想
TPSN （ Timing-sync Protocol for Sensor Networks ）
1、TPSN是类似于NTP（Network Time Protocol）时间同 步协议 2、目的是提供传感器网络全网范围内节点间的时间同步 3、节点结构中包含一个根节点，它与外界通信获取外界时 间，以此作为整个网络系统的时钟源 4、将节点分级后（根节点是0级，累加），每个节点同上一 级的一个节点进行时间同步，最终与根节点同步 5、节点对之间的同步采用发送者-接收者同步机制（RBS）
TPSN协议过程
相邻级别节点间的Biblioteka 步机制i-1 级消息传播 时延
5
两节点间的 时间偏差
i级
Saturday, December 26, 2020
6
TPSN协议过程
相邻级别节点间的同步机制 结论——
Saturday, December 26, 2020
优点
减少同步误差
TPSN同步协议在MAC层 消息开始发送到无线信道 是才给消息添加时标，消 除了访问时间带来的时间 同步误差
7
提高同步精度
考虑了传播时间和接收 时间，利用双向消息交 换计算消息的平均延迟， 提高了时间同步的精度
Saturday, December 26, 2020
8
缺点
没有考虑根节点失效问题 新的节点加入时，需要初始化层次发现阶段，级 别的静态特性减少了算法的鲁棒性
TPSN协议过程
第一阶段 层次发现阶段（Level Discovery Phase）
目的：生成节点层次结构，每个节点被赋予一个级别，根节点为0级， 第i级的节点至少能够与一个第（i-1）级得节点通信 网络部署后，由根节点广播级别发现分组来启动层次发现阶段，级别 发现分组包含节点的ID和级别 邻居节点收到分组后，将自己的级别设置为分组中的级别加1，然后 广播新的级别发现分组 节点收到第i级节点的广播分组后，记录发送这个广播分组的节点ID， 设置自己的级别为（i+1），广播级别为（i+1）的分组，这个过程持 续到网络内每个节点都被赋予一个级别 节点一旦建立自己的级别，就忽略任何其他级别发现分组，防止网络 产生洪泛拥塞
Saturday, December 26, 2020
4
TPSN协议过程
第二阶段 同步阶段（Synchronization Phase）
目的：实现所有树节点的时间同步，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，最终所有节点同步到根节点， 实现整个网络的时间同步 层次结构建立以后，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，再通过与根节 点交换消息同步到根节点 第2级节点侦听到第1级节点的交换消息后，等待一段随机时间，再与 它记录的上一级别的节点交换消息进行同步，网络中的节点依次与上 一级节点同步，最终都同步到根节点 等待一段随机时间是为了保证该级节点在上一级节点同步完成后才启 动消息交换
Saturday, December 26, 2020
9
使用范围
TPSN能够实现全网范围内节点间的时间同步，同 步误差与跳数距离成正比
适合实现短期间的全网节点时间同步，若要长时 间的全网节点时间同步，需要周期的执行TPSN协 议进行同步，间隔时间根据具体情况决定
考虑能耗问题，TPSN可以与后同步策略结合使用
Saturday, December 26, 2020
2
TPSN协议过程
协议准备
每个传感器节点都有唯一的标识号ID
节点间的无线通信链路是双向的，通过双向消息 交换实现节点间的时间同步
整个网络内所有节点按层次结构管理，由TPSN协 议生成和维护
Saturday, December 26, 2020
3
Saturday, December 26, 2020
The End Thank you！
时间同步协议
——TPSN
协议思想
Saturday, December 26, 2020
协议过程
性能分析
1
TPSN时间同步协议思想
TPSN （ Timing-sync Protocol for Sensor Networks ）
1、TPSN是类似于NTP（Network Time Protocol）时间同 步协议 2、目的是提供传感器网络全网范围内节点间的时间同步 3、节点结构中包含一个根节点，它与外界通信获取外界时 间，以此作为整个网络系统的时钟源 4、将节点分级后（根节点是0级，累加），每个节点同上一 级的一个节点进行时间同步，最终与根节点同步 5、节点对之间的同步采用发送者-接收者同步机制（RBS）