传统时间同步方法与新型同步机制

nullnull学院：理学院 专业：测试计量技术及仪器 学号：112111238 姓名：钱金超 2013-06-04传统时间同步方法与新型同步机制null传统时间同步方法传感器网络的挑战新型时间同步机制主要内容1234传统同步方法传统同步方法1、NTP（Network Time Protocol）： 网络时间协议 2、GPS（Global Positioning System）： 全球定位系统 NTP协议NTP协议NTP协议层次型树形结构NTP协议客户端体系结构NTP协议NTP协议NTP协议消息传输延迟分为四个部分 发送时间 访问时间 传输时间 接收时间NTP协议NTP协议NTP协议原理NTP协议NTP不适合于WSN 体积、计算能力和存储空间存在限制 远距离校准精度不高。在庞大的网络中必须设立一级和二级时间服务器来解决精度的问题。NTP协议缺点GPS时间同步技术从根本上解决了人类在地球上的导航与定位问题。 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） GPS时间同步技术传感器网络的挑战传感器网络的挑战室内、矿井、森林，有遮挡 低功耗、低成本和小体积 传输延迟的不确定性 可扩展性、移动性 健壮性、安全性低功耗、低成本和小体积低功耗、低成本和小体积软硬件都要受到该限制 存储与计算能力均比较小 加剧了电能供应的紧张（电池体积）传感器网络的挑战传输延迟的不确定性传输延迟的不确定性发送时间：发送节点构造和发送时间同步消息所用时间。e.g., 系统 调用时间；内核调度时间；消息从主机发送到网络接口时间。 访问时间：发送节点等待访问网络传输信道的时间。 传播延迟：发送节点传输到接收节点所经历的时间。 接收时间：从接收节点的网络接口接收到消息到通知主机消息达到事件所经历的时间间隔。 传感器网络的挑战传输延迟的进一步细化传输延迟的进一步细化传感器网络的挑战可扩展性（Scalability）可扩展性（Scalability）在大规模网络中尤为重要 是大规模无线传感器网络软硬件设计中非常重要的问题 满足不同的网络类型、网络规模 满足不同的应用需求传感器网络的挑战健壮性健壮性外部环境复杂，抗毁能力 需要应对安全性挑战 无线传感器网络拓扑动态性较强 网络规模变化、需求变化传感器网络的挑战新型同步机制新型同步机制基于报文交换的同步机制面临着挑战 同步精度问题 同步误差随跳距的累积问题 可扩展性问题 新型同步机制 萤火虫同步 协作同步 两个概念 同时性与同步性新型同步机制新型同步机制同时性 传统时间同步协议的目的为实现节点时间的一致性,即达到同时性。 同步性 萤火虫同步技术和协作同步技术则是为了实现节点之间的同步性,即节点的某些周期性动作具有相同的周期和相位萤火虫同步萤火虫同步1935年，Science 美国生物学家史密斯提到了东南亚地区萤火虫的同步闪光现象。 1975年, Peskin的RC模型 证明了两个相同结构的耦合振荡器具有同步收敛性。 1989年，M&S模型（无延迟） 1998年，Ernst（有延迟） 2005年，真实地实现简单，高效，可扩展性强新型同步机制M&S模型M&S模型研究由初始不同步状态如何达到同步状态 个体性质相同,因此一旦达到同步则永远同步 萤火虫之间的交互被建模成电量耦合 耦合延迟规定为0 最终结论为:证明耦合延迟为0时, 非全连接的多跳网络在采用M &S 模型时最终将会达到同步状态 同步的实质：不同步产生了耦合，耦合改变了状态量，而状态量又改变了相位量 ,相位差通过同步过程不断缩小，最终达到完全相同,即同步状态 新型同步机制Ernst的研究Ernst的研究M&S模型没有考虑耦合延迟，Ernst研究了耦合延迟固定时的情况 M&S模型只研究了正耦合的情况，Ernst还研究了负耦合的情况 得出考虑固定耦合延迟的情况下，负耦合能取得同步收敛的结论。 新型同步机制其他一些研究与结论其他一些研究与结论理论上没有突破 单纯的仿真方法意义有限 萤火虫同步技术对耦合延迟、耦合强度、耦合性质、初始相位、网络拓扑等因素很敏感。虽然在例如两个振荡器的同步收敛性研究上取得了一定的进展，但无论是理论研究还是仿真研究，研究者在某些结论上还不能达成一致的认识。但可以认同的一点是：在实际系统中，基于萤火虫同步策略的同步技术会取得在一定误差范围内的同步。新型同步机制萤火虫同步优点萤火虫同步优点同步可直接在物理层而不需要以报文的方式实现。直接用硬件实现，使得同步精度不会受到MAC延迟、协议处理与软件实现等的影响。 由于对任何同步信号的处理方式均相同，与同步信号的来源无关，因此可扩展性以及适应网络动态变化的能力很强。 机制非常简单，不需要对其它节点的时间信息进行存储。萤火虫同步算法的一个限制是要求每个节点具有相似性，但这种机制在非相似节点所组成的网络下能否起到同步的作用，目前还有待研究。新型同步机制协作同步思想协作同步思想 虽然时间基准节点由于发送功率的限制不能把基准时间信息直接发送给远方接收节点,但若通过其他节点的协作,使得基准时间信息能够直接到达远方接收节点,则可实现远方接收节点和时间基准节点之间的精确同步。新型同步机制协作同步过程协作同步过程 时间基准节点按一定周期发出同步脉冲,发送时刻被其一跳邻居节点(在范围R2 内) 接收并保存。随后, 邻居节点在基准节点的下一个同步脉冲的发送时刻，与时间基准节点同时发出同步脉冲。 信号的能量叠加效应使得复合同步脉冲可以到达更远的范围(如R3 )。 如此重复下去,最终网内所有节点都会同时发出同步脉冲,即达到了同步状态。新型同步机制总结 总结 在无线传感器网络中，时间同步不仅要关注同步精度，还需要关注同步能耗、可扩展性和健壮性需求。 传统的无线传感器网络时间同步协议无法克服同步误差随跳距累积、可扩展性差的问题。 萤火虫同步和协作同步侧重于提高可扩展性和健壮性。非常适合于大规模无线传感器网络的应用 null谢谢！