无线传感器网络的支撑技术 ppt课件

无线传感器网络的支撑技术
第四章 无线传感器网络的支撑技术
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课程目录
4.1 无线传感器网络定位技术 4.2 无线传感器网络时间同步技术 4.2 无线传感器网络数据融合技术
什么叫时间同步？
➢ 时间同步：使网络中所有节点的时间保持一致，按照 网络应用的深度可以分为三种不同的情况：
第一种：时序确定，判断事件发生的先后顺序，对 本地时间的要求比较低，只需要知道本节点与其余节 点的相对时间即可
时间同步技术关键问题
2．高能效 无线传感器网络的软/硬件设施要求节点体积尽量小， 尽量廉价，因此要求时间同步技术具有高能效的特点。 3．可扩展、健壮 采用逐跳的时间同步机制，因此随着网络规模的扩大， 时间同步技术必须保证网络扩展后同步误差不会超过误 差界限，并且能够稳定工作。
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4.2 无线传感器网络时间同步技术 4.2.1 时间同步模型 4.2.2 时间同步协议
➢2．软件时钟模式
在软件时钟模型中，也存在一个用于记录时钟脉冲的计数器，软件时钟模型 与硬件模型不同，它不直接修改本地时钟，而是根据本地时钟h(t)与真实时 间的关系来换算成真实时间的函数c(h(t))。c(h(t))=t0+h(t)−h(t0)就是一个最简 单的虚拟软件时钟的例子，实际应用中，软件时钟还要考虑到时钟漂移对时 钟的影响，因此更加复杂。
时间同步技术起源——NTP
➢NTP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地球观测卫星 或者位于科罗拉多的WWV短波电台获 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。
如何实现时间同步？
时间同步技术起源——NTP
➢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。
4.2.1 时间同步模型
1．时钟模型 1．时钟模型 传感器网络中节点的本地时钟依靠对自身晶振
中断计数实现。 ✓ 晶振的频率误差和初始计时时刻不同，使得节
点之间本地时钟不同步。 ✓ 如果能估算出本地时钟与物理时钟的关系或本
地时钟之间的关系，就可以构造对应的逻辑时 钟以达成同步。 ✓ 目前的逻辑时钟同步算法，同步精度已达到1s， 可以满足传感器网络中绝大部分应用的需求。
时间同步技术起源——NTP
➢通过上层服务器的标准参考时间，服务器利用一个闭 环控制系统来调整自己的本地时间
时间同步技术起源——NTP
客户端 T1 δ1
δ2 T4
服务器 T2 T3
假定客户端时钟比服务器时钟快θ
T2T1 1 T4 T3 2
12
假定 12 ，可计算出：
(T4T3)2 (T1T2)
1、传输延迟不可预测 无线传感器网络中，时间同步技术的一个重要难题是报文传 输延迟的不确定，由于处理器处理能力有限、网络负载不确 定等因素的影响，延迟不能够被精确地计算出来；另外传输 延迟比要求的时间同步的精度要大得多。
时间同步技术关键问题
影响时间同步的传输时延 ➢发送时间：发送方用于组装并将报文换交给发送方MAC层的时 间。 ➢访问时间：指在发送方MAC层从获得报文后到获取无线信道发 送权的等待时间。 ➢传送时间：发送方发送报文的时间，即从报文的第一个字节开 始发送到发送完最后一个字节的时间。 ➢传播时间：报文从发送方以电磁波的形式传送到接收方所花费 的时间。 ➢接收时间：接收方接收报文的时间。它和传送时间完全相同， 具有确定性。 ➢接受时间：用于处理接收到的报文的时间。
( T2 T1 ) ( T4 T3 )
NTP协议
NTP协议层次型树形结构
UTC时间源
一级时间基准服 务器
一级时间基准服 务器
一级时间基准服 务器
二级时间基准服务器
客户端
二级时间基准服务器
二级时间基准服务器
二级时间基准服务器
客户端
时间同步技术起源——NTP
• NTP不适合于WSN • 体积、计算能力和存储空间存在限制 • 目标不同：局部最优而非全局最优
时间同步的参考时间来源？
➢参考时间来源有两种情况： 外同步：标准参考时间来自于外部 内 同 步 ： 参 考 时 间 来 自 于 网 络 内 部 某个节点的时间
➢1．硬件时钟模式
在硬件系统的时钟计数中，计算时间的一个重要的公式是： 式中，w(t)是晶振的角频率，k是依赖于晶体物理特性的常量，t是真实时间 变量， c(t)是当真实时间为t时节点的本地时间。
4.2.1 时间同步模型
（1）节点本地时钟模型 在计算机系统中，时钟通常用晶体振荡器脉冲来度量:
4.2.1 时间同步模型
（1）节点本地时钟模型 两个主要参数：
4.2.1 时间同步模型
（1）节点本地时钟模型 在工程实践中，因为温度、压力、电源电压等外界环境的变 化，往往会导致晶振频率产生波动。因此，构造理想时钟比 较困难。 在一般情况下，晶振频率的波动幅度并非是任意的，而是局 限在一定的范围之内，为了方便描述和分析，定义如下3种 时钟模型:
WSN同步算法与协议设计
一跳 内
同步
全网 络 同步
点到点 同步
点到多点 广播同步
构建层次 逐跳同步
各自同步 协同优化
核心：消除关键路径引入 的误差
核心：减小误差（方差） 累计
时间同步技术关键问题
在设计无线传感器网络的时间同步协议时，需要满 足以下几点要求：
➢ 能量有限 ➢ 可扩展 ➢ 稳定性
时间同步技术关键问题
第二种：相对同步，节点维护自己的本地时钟，周 期性地获取其邻居节点与本节点的时钟偏移，实现本 节点与邻居节点的时间同步
第三种：绝对同步，所有节点的本地时间严格同步， 等同于标准时间，这种情况对节点的要求最高，因此 实现也最为复杂
为什么要时间同步？
➢估计目标的运行速度和方向 ➢数据融合需要时间同步 ➢用户交互性需要 ➢……