无线传感器网络的时间同步问题

无线传感器网络的时间同步问题摘要时间同步对任何分布式系统都是一个关键的基础问题。

分布式无线传感器网络广泛使用的同步时间，往往在范围，寿命和精度同步实现等方面有特殊要求，以及实现同步所需的时间和所需的能源。

现有的时间同步方法需要扩展，以满足这些新的需求。

我们列举了传感器网络未来的同步要求，并提出了我们自己的低能耗同步方案，事后同步。

我们还描述了一个实验，其性能特点是使用很少的能量创造短暂的，局部的，但高精度的同步。

1.介绍最近的发展小型化和低成本，低能耗设计导致积极研究在大规模，高度分散的小系统，无线，低功耗，无人值守传感器和致动器[ 1，7， 4 ] 。

许多研究人员提出了创造传感器丰富的“聪明环境”的设想。

通过有计划或临时部署数千个传感器，每一个短距离无线通信通道，并能够检测环境条件如温度，运动，声，光，或存在某些物体。

时间同步对任何分布式系统都是一个关键的基础设施。

分布式，无线传感器网络使特别是广泛使用的同步时间：例如，将时间序列的接近侦测到的速度估计[ 3 ] ;测量声音的运行时间定位其来源[ 5 ] ;分发波束阵列[ 13 ] ;或制止重复邮件，由认识到他们所描述重复检测同一事件不同的传感器[ 6 ] 。

传感器网络也有许多相同的要求，传统的分布式系统：精确的时间戳，往往需要在加密计划，以协调活动定于今后，供订购记录的事件在系统调试，等等。

传感器网络应用的广泛性导致时间要求的范围，寿命和精度不同于传统的系统。

此外，许多节点新兴的传感器系统将非系留，因此有小型的能源储备。

所有通讯，甚至被动的听，将产生重大的影响，这些储备时间同步方法的传感器网络因此，必须也考虑到他们消费的时间和精力。

在本文中，我们认为，非均质性要求在传感器网络应用的需要能源效率和其他方面的限制没有发现在常规分布式系统，甚至是各种硬件而传感器网络将部署，使目前的同步计划不足以完成这项任务。

传感器网络，现有的计划将需要扩大和合并后新的方式，以便提供服务，以满足应用的需要与可能的最低能量支出。

在此框架内，我们提出我们的想法事后同步，极低功耗同步方法时钟在一个地方时，准确的时间戳记是需要具体的事件。

我们还提出了实验这表明这个多式联运计划能够精确在1微秒。

为了更好地级比的两种模式，它的组成。

这些结果是令人鼓舞的，但仍是初步的，表现实验室条件下的理想化。

第2节中，我们提出了一些指标，可以用来区分两种类型所提供的服务同步方法和要求的应用使用这些方法。

第3节介绍我们的事后同步的想法，并介绍了实验的特点其表现。

第4节描述今后的工作中，我们的结论在第5节。

2．时间同步的特征许多不同的方法分配的时间同步在共同使用。

如美国全球定位系统（GPS ）[ 8 ]和WWV / WWVB广播电台由国家研究所标准与技术[ 2 ]提供参考美国时间和频率标准。

网络时间协议，特别是在Mills的NTP [ 10 ] ，从这些主要来源的网络连接电脑分配时间。

在研究适用于传感器网络，我们已发现有用的特点是不同类型的时间沿线各轴同步。

我们认为某些指标特别重要：精密，无论是分散之间的一组同龄人，或最大误差对外部标准。

生命周期，这可以从持续同步持续只要网络运营，几乎瞬时（有益的，例如，如果节点要比较的检测时间的一个单一的事件）。

范围和可获取性，地理跨度节点这是同步的，和完整性，覆盖面该地区内。

效率，需要实现同步支出的时间和精力。

成本和形式因素，这可以成为特别是重要的无线传感器网络中，涉及数以千计的微小的，一次性传感器节点。

现有的时间同步方法所提供的服务，分为许多不同点，在此参数空间。

所有这些使权衡，没有单一的方法最佳沿所有轴。

例如，消费者可以同步GPS接收机节点持续一生的时间标准，Earthwide在范围，精度200ns [ 9 ] 。

然而，全球定位系统单位往往无法使用（例如，内部结构，水下，在火星探测），可能需要好几分钟的建立时间。

在某些情况下，全球定位系统的单位也可能是很大的。

与小传感器相比，高功率和昂贵的传感器。

与此相反，考虑一小群节点的小范围，低功率无线电设备。

如果一个节点传输一个信号，其他人可以使用该信号作为时间基准，例如，比较的时间，他们记录的声音。

同步提供的这个简单的“脉冲”是当地，在范围上是有限的和精确的变时滞，对无线电接收和传输延迟无线电波。

对于给定的精度限制，终身的同步也是有限的节点时钟将漫步。

在最初的脉搏。

然而，脉冲能源效率低，因为它不仅需要的传输一个单一的信号。

根据应用的需要，在无线传感器网络可以说沿同一轴线。

例如，考虑波束阵列设计本地化来源的声音，如所描述的YHRCL在[ 13 ] 。

数组描述有着共同的时间基准凭借这一事实，即音频数据都是被相同的处理器处理。

对于这样一个阵列来实施一个完全分布式，一套自主无线传感器网络时间同步是必要的。

这将需要同步精度约100微秒，但只能在有限的一生和当地的范围。

不同的应用有不同的同步要求，说明了另一个例子：数据汇总。

共同特征传感器网络由于高能源成本的沟通相比，计算[ 11 ]是在当地加工，概括，聚集的数据，以便最大限度地减少的规模和频率传输。

制止重复的通知同一事件从一组附近的传感器有可能导致重大的节约能源[ 6 ] 。

承认重复事件必须使时间戳精确的顺序发生频率;这可能只有几十或几百毫秒。

由于数据，可以将意见发送了漫长的道路，通过网络，甚至缓存许多中间节点，同步必须范围广泛，长期甚至可能持续整个在生命周期中。

3. 传感器网络时间一些因素使现有方法的不足用于计时的传感器网络。

也许最重要的是，传感器网络必须高度节能的。

正如我们所提到的第1款，节点将非系留和有限的电池储备。

与笔记本电脑或其他手持设备中，不断关注和享受维护人类，规模的传感器网络的部署将补充这些储备是不可能的。

现有的时间同步方法是不是设计这一约束铭记。

虽然协议，如NTP公司的保守，他们使用的带宽，它们是在这个新的效率低下的情况下，消耗显着收音机功率甚至被动听的邮件[ 11 ] 。

另一个复杂的问题是所介绍的非均质性硬件，可用于在一个传感器网络。

那个最小的节点，也许目的是直接连接的现象，他们的监测，就不可能有能源预算或形式因素，使任何超过本地振荡器和一个短距离无线通讯。

一些将能更好地天赋，与远程无线电能力同步更偏远地区的网络，或在某些情况下，与外部时间源，如全球定位系统或WWVB 。

异质性的同步要求在传感器网络应用，需要节能和其他制约因素中找不到常规分布式系统，以及各种不同的硬件上传感器网络将部署，我们得到以下结论：1 时间同步方法使用现有的分布式系统未作修改不适合在传感器网络。

2 因为它是不可能的任何单一的同步适当的方法在所有情况下，传感器应有多种方法可用。

如果一个节点可以动态贸易精度能源，或范围收敛。

当时，它可避免“付出”的东西它不需要。

理想的情况下，该算法也应可调允许精细控制的算法比简单地把它或关闭。

因此，我们扩大了一系列传统方式的同步时间，传感器网络。

通过修改现有的方法和撰写成多模解决方案，我们可以创造新的形式同步的涵盖各种点在参数空间我们描述较早。

我们的目标是实施和特点一套丰富的方法，这样，所有的申请将有一个既提供必要和足够的它的需求。

开始往这条道路上，我们已经开发出一种技术所谓事后同步协调的必要性。

许多应用程序进行精确传感器事件时间戳的愿望保持节点关闭，以保护能源。

3. 事后同步节约能源在一个传感器网络，它是一种可取的保持节点在低功耗状态，如果不是完全关闭，尽可能长时间。

传感器网络硬件往往设计铭记着这一目标;处理器有各种“睡眠”模式，或有能力在高能源或周边设备在不使用时断电。

这种类型的设计的例子是在WINS平台[ 1 ] ，其中有一个非常低功耗的“预处理器”，能够简陋的信号处理。

通常情况下，整个节点关机除了预处理器。

当预处理器侦测到潜在的感兴趣的信号，它的权力的通用处理器为进一步分析。

在CPU ，反过来可以权力的节点上的无线电。

如果它确定了事件发生，需要加以报告。

这种设计使元件消耗大多数能源供电的时间最少，但也带来了重大问题，如果我们想要保持同步的时间。

传统的方法试图让所有的时钟纪律次，以便准确时间戳总是可用。

如果无线电我们的外部来源的时间和频率标准，是不断在关闭了几个小时时间？或者，如果是一个平台，就像赢了，要是通用处理器知道如何管束时钟也关闭？我们解决这个问题的方法是事后同步。

在我们的计划，节点时钟通常不同步。

当刺激的时候，每个节点记录时间的刺激对自己的地方时钟。

随即，一个“第三方”节点作为一个灯塔广播同步脉冲，以所有节点在该地区使用的无线电台。

节点收到此脉冲使用它作为一个参考和瞬时时间可以恢复正常其刺激时间戳就该参考。

这种同步是不是适用于所有情况，当然：这是范围有限的传输范围的灯塔，并创建只是一个“速成”的同步时间。

这使得它不适合的应用程序需要沟通时间戳长距离或次。

但是，它提供的服务完全必要用于波束形成的应用，定位系统，和其他情况下，我们需要的相对比较到达时间的信号一套空间当地探测器。

3.1 预期的源错误有三个主要因素，影响准确性和精度实现由事后同步。

大致顺序的重要性，它们是：接收时钟扭曲，变拖延接收器和传输延迟同步脉冲。

1接收器的本地时钟扭曲。

事后同步要求每个接收准确测量之间的间隔，经过他们的检测事件和到达同步脉冲。

然而，节点时钟不完全以同样的速度运行，从而导致错误的测量。

自从时钟偏移组之间将导致实现精密腐烂之间随着时间的经过的刺激和脉搏，重要的是要尽量减少这种间隔。

方法之一是减少这种错误是使用的NTP纪律的频率，每个节点的振荡器。

这个体现了我们的想法，多模式同步。

虽然运行的NTP “全职”的失败之一，是原来的目标，使主处理器或电台关闭，它也可以仍然是有用的频率纪律（多更比相位校正）在非常低的占空比。

2 变时滞的接收器。

即使同步信号到达同一即时在所有接收器，我们不能保证每个接收器将检测信号在同一即时。

非确定性在检测硬件和操作系统的问题，如中断时延变量可以促进难以预测拖延不跨越接收机。

侦查活动本身（音频，地震，等），也可能延误相关随意性。

这些延误将直接推动同步错误。

我们的设计避免了错误，由于变量延迟发件人考虑发件人的同步脉冲，以是一个“第三方” 。

也就是说，接收被视为进行同步只有彼此，而不是信标。

值得注意的是，该错误造成的变量拖延是相同的，不论时间间隔事件和同步脉冲。

这是在对比错误由于时钟偏移，生长一段时间。

3 传输延迟同步脉冲我们的方法假定的同步脉冲绝对时间参考在瞬间到达，也就是说，它到达每一个节点上完全一样的时间。

在现实中，情况并非如此，由于有限传播速度的射频信号。

同步将永远不会实现的，精度优于差异在传播延迟之间的各种接收器和同步信标。

这种来源的错误使我们的技术最有用到达时间比较时的现象，宣传更慢于射频，如音频。