第4章-5时间同步祥解.ppt

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第4章-5时间同步祥解.ppt

* 第4章-5 WSN时间同步 5.1 时间同步概述 5.1.1消息传递过程分解 将消息在WSN节点间传递的过程分解成不同的阶段是对时间同步问题研究的关键,一条消息在WSN节点间的传递过程可分解成以下六个部分。 (1)Send Time:发送节点构造一条消息所需要的时间,包括内核协议处理和缓冲时间等,它取决于系统调用开销和处理器当前负载。 (2)Access Time:消息等待传输信道空闲所需时间,即从等待信道空闲到消息发送开始时的延迟,它取决于网络当前负载状况。 (3)Transmission Time:发送节点按位(bit)发射消息需时间,该时间取决于消息长度和发射速率。 (4)Propagation Time:消息在两个节点之间传输介质中的传播时间,该时间主要取决于节点间的距离(电磁波在空气中的传播速率是一定的)。 (5)Reception Time:接收节点按位(bit)接收消息并传递给MAC层的时间,这个过程和(3)相对应。 (6)Receive Time:接收节点重新组装消息并传递给上层应用所需的时间。 5.1.2 算法设计的影响因素 第一,传感器节点需要彼此并行操作和协作去完成复杂的传感任务。数据融合是这种并行操作的实例,不同的节点收集的数据集合为一个有意义的结果。例如,在车辆跟踪系统中,传感器节点记录车辆的位置和时间并传送给网关节点,然后结合这些信息估计车辆的位置和速度。很明显,如果传感器节点缺乏统一的时间戳(也就是说没有同步),估计将是不准确的。 第二,许多节能方案是利用时间同步来实现的。例如,传感器可以在适当的时候休眠(通过关闭传感器和收发器进入节能模式),在需要的时候再唤醒。当应用这种节能模式的时候,节点应该在同等的时间休眠和唤醒,也就是说当数据到来时,节点的接收器并没有关闭。这个需要传感器节点间精确的定时。调度算法,例如TDMA,能够通过不同的时隙共享信道,进而去估计传输阻塞和保存能量。因此,同步是信道调度的基础。 5.1.3 算法的性能指标 WSN时间同步方案设计的目的是为网络中节点的本地时钟提供共同的时间戳[6]。评价一个WSN时间同步算法的性能,一般包含网络能量效率、可扩展性、精确度、健壮性、寿命、有效范围、成本和尺寸、直接性等指标。 (1) 能量效率。无线传感器网络的主要特点就是节点的能量受限问题,设计的时间同步算法需以考虑传感器节点有效的能量资源作为前提。 (2) 可扩展性。WSN需要部署大量的传感器节点,时间同步方案应该有效扩展网络中节点的数目或者密度。 (3) 精确度。精确度的需求依赖于特殊的应用和时间同步的目的而有所不同,对于某些应用,知道时间和消息的先后顺序就够了,然而某些其他的,则要求同步精确到微秒。 (4) 健壮性。WSN可能在敌对区域长时间无人管理,一旦某些节点失效,在余下的网络中,时间同步方案应该继续保持有效并且功能健全。 (5) 寿命。时间同步算法提供的同步时间可以是瞬时的,也可以和网络的寿命一样长。 (6) 有效范围。时间同步方案可以给网络内所有的节点提供时间,也可以给局部区域内的部分节点提供时间。由于可扩展性的原因,全面的时间同步是有难度的,对于大面积的传感器网络,考虑到能量和带宽的利用,也是非常昂贵的。另一方面,大量节点达到共同时间需要收集来自遥远节点的用于全面同步的数据,对于大规模的无线传感器网络是很难实现的,而且直接影响了同步的精确度。 (7) 成本和尺寸。WSN节点非常小而且廉价。因此,在传感器网络节点上安装相对较大或者昂贵的硬件(例如GPS接收器)是不合逻辑的。WSN的时间同步方案必须考虑有限的成本和尺寸。 (8) 直接性。某些WSN的应用,比如紧急情况探测(例如气体泄漏检测,入侵检测等)需要将发生的事件直接发送到网关。在这种应用中,网络不容许任何的延迟,但是某些协议是在依赖事件发生后的额外处理而设计的,这些协议需要节点在任何时间达到预先同步,这样看来,似乎和前面提到的直接性有些矛盾。 人们已经提出了很多关于WSN的时间同步算法。例如RBS,TPSN等等,本章就现存的用于WSN的各种时间同步协议进行了综述和总结。 5.2 时间同步算法 5.2.1经典时间同步算法 1.基于参考广播的时间同步协议(RBS) 2.WSN时间同步协议(TPSN) 3.Tiny-Sync算法和Mini-Sync算法 4.LTS算法 1.基于参考广播的时间同步协议(RBS) 由于RBS算法将发送者的不确定性从关键路径中排除(如图7-1),所以获得了比传统的利用节点间双向信息交换实现同步的方法较好的精确度。由于发送者的不确定性对RBS算法的精确度没有影响,误差的来源主要是传输时间和接收时间的不确定性。首先假设单个广播在相同时刻到达所有接收者,因此,传输误差可以忽略。当广播范围相对较小(相

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