傳感網(wǎng)原理及應(yīng)用第講時間同步

傳感網(wǎng)原理及應(yīng)用第講時間同步第一頁，共五十三頁，2022年，8月28日提綱同步與時間同步概念經(jīng)典（網(wǎng)絡(luò)）時間同步方法傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步算法與協(xié)議傳感網(wǎng)時間同步研究趨勢和總結(jié)同步與時間同步概念第二頁，共五十三頁，2022年，8月28日自然中的同步現(xiàn)象協(xié)調(diào)自然走路螢火蟲同步閃動蟬齊聲鳴叫鼓掌的整齊劃一鐘擺的步調(diào)一致地擺動想象一下，一棵10米至12米高的樹，每一片樹葉上都有一個螢火蟲，所有的螢火蟲大約都以每2秒3次的頻率同步閃光，這棵樹在兩次閃光之間漆黑一片。想象一下，在160米的河岸兩旁是不間斷的芒果樹，每一片樹葉上的螢火蟲，以及樹列兩端之間所有樹上的螢火蟲完全一致同步閃光。如果一個人有足夠豐富的想象力的話，那么他就會對這一驚人奇觀產(chǎn)生某種想法。”東南亞1935年，Science雜志第三頁，共五十三頁，2022年，8月28日同步特征步調(diào)一致1665,letterofHuygenstohisfather,Sympathyoftwoclocks.Mutualsynchronization.Sharingthecommontime,Occurringinthesametime局部空間中對象之間的相對同步“絕對”時間統(tǒng)一建立統(tǒng)一的（“絕對”）時間基準(zhǔn)，標(biāo)記狀態(tài)變化先后順序便于人們描述、理解、研究，乃至控制客觀的物理世界“絕對”時間基準(zhǔn)，建立全局的時序邏輯關(guān)系第四頁，共五十三頁，2022年，8月28日同步的意義能夠產(chǎn)生更強烈的效果（共振）能夠給人以舒暢的感覺能夠傳遞信息（能量）能夠提高資源的利用率保證邏輯的正確性和可預(yù)見性（避免因果倒置）觀察同步=》追求同步第五頁，共五十三頁，2022年，8月28日時間表示時間的表示年、月、日、時、分、秒、毫秒、微秒、納秒、皮秒、飛秒、渺秒（10-18，中性π介子的壽命）…計時裝置具有周期物理特性的部件，振蕩器（太陽、月亮、鐘擺、晶振）計時參數(shù)周期（秒、毫秒、微秒、納秒，離散）相位（連續(xù)，更精準(zhǔn)）第六頁，共五十三頁，2022年，8月28日常用的時鐘源（振蕩器）銫原子鐘頻率準(zhǔn)確度高，系統(tǒng)復(fù)雜，壽命短，成本高，一級時頻標(biāo)準(zhǔn)氫原子鐘長短期穩(wěn)定性好，壽命長，頻率準(zhǔn)確度不如銫鐘，體積大、成本高，二級時頻標(biāo)準(zhǔn)；銣原子鐘性能比晶體鐘好得多，頻率沒有漂移，二級時頻標(biāo)準(zhǔn)石英（晶體）鐘小巧，便宜，短期穩(wěn)定性好，但漂移大，作為三級時頻標(biāo)準(zhǔn)其他：全光學(xué)原子鐘第七頁，共五十三頁，2022年，8月28日常用的時間坐標(biāo)系世界時（UT）以格林維治天文臺時間為參考點的、根據(jù)地球自轉(zhuǎn)周期確定時間尺度的時系；國際原子時（TAI）一種以銫原子秒為時間尺度、以1958年1月1日0時0分0秒為時間起點；協(xié)調(diào)世界時（UTC）一種以銫原子秒為時間尺度、采用閏秒校正方法使其時刻與UT時刻相接近的時系；GPS時以UTC/USNO為參考基準(zhǔn)而建立、以1980年1月5日為時間起點的、不做閏秒連續(xù)計數(shù)的時系，它和國際原子時相似，與UTC時間相差一個確定的整數(shù)秒；第八頁，共五十三頁，2022年，8月28日時間模型絕對時間、本地時間、本地測量時間物理（硬件、振蕩器）時間模型t=a*c(t)+b+wc(t)是當(dāng)真實時間為t時的測量對象本地（絕對）時間b是時鐘偏移（offset），邏輯偏差，原則上可完全消除a稱為時鐘漂移（skew），出廠確定，隨時間、環(huán)境(溫度)變化w為頻率抖動（jitter），正態(tài)分布的隨機量，會隨時間、環(huán)境變化本地時間h(t)與本地測量時間c(t)節(jié)點維護一個基于時鐘脈沖計數(shù)器的本地時鐘h(t)；節(jié)點本地（絕對）時鐘c(t)是根據(jù)h(t)經(jīng)過線性變換得到的時間：c(t)=t0+h(t)-h(t0)；t0為從外部獲得的絕對時間基準(zhǔn)。第九頁，共五十三頁，2022年，8月28日分布式系統(tǒng)時間同步基本模型層次型同步模型頂層（0級）通過標(biāo)準(zhǔn)時鐘源和相互校準(zhǔn)來維護絕對時間下層對象通過上層獲取時間基準(zhǔn)特點每升高一個層次，誤差會累積，通過相關(guān)濾波優(yōu)化0級1級3級K級K+2級第十頁，共五十三頁，2022年，8月28日時間同步研究的內(nèi)容t=a*c(t)+b+w設(shè)計對時協(xié)議，消除偏移b關(guān)鍵是要估計消息傳輸路徑上的時間開銷，否則b的計算是不準(zhǔn)確的估計時間基準(zhǔn)之間的漂移a，拉長同步時間估計時間隨機抖動特征，減小w優(yōu)化對時協(xié)議，減小逐級同步造成的誤差累計第十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日時間同步在分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的主要應(yīng)用通信與網(wǎng)絡(luò)層需求物理信道的調(diào)度，Wifi的PCF模式、Zigbee長幀模式鏈路訪問的回退控制協(xié)作傳輸（MIMO，網(wǎng)絡(luò)編碼）應(yīng)用層需求節(jié)點間的信號同步采樣的任務(wù)調(diào)度和任務(wù)協(xié)同確定事件發(fā)生的先后順序，用于與時序相關(guān)的數(shù)據(jù)處理測量距離，信號（聲波、電磁波）飛行的時間低功耗控制，同時喚醒、同時睡眠抗重放攻擊的安全認(rèn)證等第十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日提綱同步與時間同步概念經(jīng)典（網(wǎng)絡(luò)）時間同步方法傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步算法與協(xié)議傳感網(wǎng)時間同步研究趨勢和總結(jié)經(jīng)典（網(wǎng)絡(luò)）時間同步方法第十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日經(jīng)典（網(wǎng)絡(luò)）時間同步方法GPS同步方法NTP同步算法與協(xié)議第十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日GPS同步方法

(x1,y1,z1,v1,t1)(x2,y2,z2,v2,t2)(x3,y3,z3,v3,t3)(x4,y4,z4,v4,t4)(x,y,z,v,t)第十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日GPS同步方法精度：100ns差分校正使用固定站（位置已知）測量得到的誤差修正流動站誤差環(huán)境相近，誤差可抵消條件：與基站靠近(x1,y1,z1,v1,t1)(x2,y2,z2,v2,t2)(x3,y3,z3,v3,t3)(x4,y4,z4,v4,t4)(x,y,z,v,t)(x0,y0,z0,v0,t0)第十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日GPS定位優(yōu)缺點和局限性優(yōu)點直接與1級時鐘源同步，沒有所謂的累積誤差，精度高缺點GPS定時準(zhǔn)確度取決于信號發(fā)射端、信號在傳輸過程中和接收端所引入的誤差：信號發(fā)射端：衛(wèi)星鐘誤差、衛(wèi)星星歷（位置）誤差；信號傳輸過程：電離層誤差、對流層誤差、遮擋、多路徑、多普勒效應(yīng)；接收端：接收機時延、接收機噪聲。

信號穿透能力差，室內(nèi)無法使用模塊成本較高受美國人的制約第十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日互聯(lián)網(wǎng)時間同步協(xié)議---NTP（NetworkTimeProtocol）協(xié)議美國Delaware大學(xué)的Mills教授發(fā)起設(shè)計目的在Internet上計算機的時間同步為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)時間UTC；NTP4.0加強了安全特性在5分鐘之內(nèi)偏移可降至1毫秒一下精度在百微秒左右；服務(wù)模型C/S時間服務(wù)器第十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日NTP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)NTP協(xié)議的可靠性依賴于時間服務(wù)器的冗余性和獲取時間的多路徑特性。第十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日NTP同步過程多個樹分層管理結(jié)構(gòu)(節(jié)點分為時鐘源和客戶)第0層為官方時鐘所保留；第一層為一級時鐘源層，沒有客戶，只有主鐘源；（頂級服務(wù)器）通過廣播、衛(wèi)星等方式與UTC同步；第二層及以下層除層數(shù)不同、時間質(zhì)量不一樣外，沒有本質(zhì)上的區(qū)別，第N層上時鐘源的時間來自第N-1層或第N層，并向第N層上的時鐘源和第N+1層上的客戶提供校時服務(wù)。二級服務(wù)器是處于第2層到第n層；通常n不超過15；第二十頁，共五十三頁，2022年，8月28日NTP協(xié)議的單機體系結(jié)構(gòu)閉環(huán)控制系統(tǒng)：類型II的鎖相環(huán)路往返時間(δ)、離差(ε)、偏移(θ)的估計、聚類、選擇、組合第二十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日NTP協(xié)議的單路徑估計算法（

θ,δ）偏差(θ)和往返時間(δ)值只與(T2-T1)、(T3-T4)有關(guān)，

與時間服務(wù)器處理請求消息所需的時間（T3-T2）無關(guān)第二十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日提綱同步與時間同步概念經(jīng)典（網(wǎng)絡(luò)）時間同步方法傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步算法與協(xié)議傳感網(wǎng)時間同步研究趨勢和總結(jié)傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步算法和協(xié)議第二十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步算法與協(xié)議WSN時間同步概述層次化時間同步方法DMTS，RBS，TPSN，HTRS，TINY/MINI-SYNC全局周期時鐘源的時間同步方法AC交流電信號同步全分布式同步方法（略）基于振蕩器模型的同步方法第二十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日WSN時間同步概述時間同步是WSN的基本功能TDMAMAC協(xié)議調(diào)度網(wǎng)絡(luò)節(jié)點自定位和移動目標(biāo)的跟蹤波束陣列確定聲源位置確定目標(biāo)方向和速度休眠和喚醒調(diào)度多傳感器的數(shù)據(jù)融合時間序列分析和相關(guān)計算事件發(fā)生時間標(biāo)定（邏輯關(guān)系）第二十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日WSN時間同步算法與協(xié)議的要求和約束要求擴展性穩(wěn)定性（拓?fù)渥兓敯粜裕ü?jié)點失效）收斂性低能耗約束處理資源有限“額外部件”體積要小“額外部件”能量有限第二十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日GPS和NTP在WSN網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的限制GPS系統(tǒng)的限制場合室外價格和體積300元，半個鼠標(biāo)能量90mA持續(xù)可以休眠，但啟動一次的時間要幾分鐘（包括初始化和搜星）室外的錨節(jié)點可以采用GPS做絕對坐標(biāo)定位NTP協(xié)議使用條件有線，誤碼率低網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，手工配置；協(xié)議追求目標(biāo)-高精度，通信和計算開銷大；網(wǎng)關(guān)可以作為NTP終端與UTC同步第二十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日WSN時間同步關(guān)注的主要參數(shù)精度最大誤差，常規(guī)誤差擴展性誤差是否隨通信跳數(shù)累計，累計將限制網(wǎng)絡(luò)規(guī)模同步周期盡量長，減小同步協(xié)議能量消耗能量效率協(xié)議過程是否簡單有效第二十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日WSN同步算法與協(xié)議設(shè)計流程一跳內(nèi)同步全網(wǎng)絡(luò)同步點到點同步點到多點廣播同步核心：消除關(guān)鍵路徑引入的誤差構(gòu)建層次逐跳同步各自同步協(xié)同優(yōu)化核心：減小誤差（方差）累計第二十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日關(guān)鍵路徑分析關(guān)鍵路徑分析是指節(jié)點與節(jié)點之間進行同步報文交換過程中，在各個環(huán)節(jié)的時間延遲（消耗）發(fā)送者接收者協(xié)議處理+OS信道訪問編碼延遲傳播時延解碼延遲中斷響應(yīng)協(xié)議處理+OS不同協(xié)議打時標(biāo)的時機不同時間同步算法實現(xiàn)的層次時間流逝發(fā)送延遲接收延遲NIC（基帶+射頻）NIC（基帶+射頻）t=a*c(t)+b+w第三十頁，共五十三頁，2022年，8月28日TinyOS和Mica2平臺測量延遲的典型值延遲類型典型值特性協(xié)議處理+OS調(diào)度0~100ms不確定，依賴處理器能力、負(fù)載，以及操作系統(tǒng)效率信道訪問時間10~500ms不確定，依賴信道負(fù)載比率發(fā)送接收時間10~20ms確定，報文長度和射頻調(diào)制速率決定傳播時間<1us(300米內(nèi)）基本確定，收發(fā)距離和傳播介質(zhì)特性（不均勻可能存在問題）中斷響應(yīng)時間一般小于5us，中斷頻繁約30us不確定，與任務(wù)負(fù)載、實現(xiàn)方法有關(guān)編解碼時間100~200us,<2us的抖動確定，射頻芯片決定字節(jié)對齊0~400uS確定，依賴收發(fā)速率和收發(fā)字節(jié)偏移第三十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日DMTS(DelayMeasurementTimeSynchronization)發(fā)送者僅在檢測到信道空閑后才加時間戳：發(fā)送和訪問提高精度：發(fā)送前導(dǎo)碼和同步碼的時間nτ接收節(jié)點：調(diào)整其時鐘為：t0+nτ+(t2-t1)假設(shè)：發(fā)送者有精準(zhǔn)時鐘，接收者向發(fā)送者同步第三十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日DMTS協(xié)議評價優(yōu)點簡單開銷小：單個廣播時間分組同步廣播域內(nèi)所有節(jié)點缺點精度不高：沒有考慮傳播延遲、沒有對時鐘漂移補償同步方差隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模（跳數(shù)）增加而增加實現(xiàn)復(fù)雜度、能量高效與同步精度之間的折中第三十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日RBS(ReferenceBroadcastSynchronization)目標(biāo)實現(xiàn)接收者之間的同步，沒有絕對時間，只有相對同步核心思想通過在接收者之間交換信息，消除發(fā)送者在發(fā)送Beacon過程引入的誤差第三十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日RBS時間同步協(xié)議過程操作過程R：發(fā)送者i,j：接收者i與j之間的時間差=傳播差值+接收處理差值相當(dāng)于DMTS中，只測量（t2-t1）發(fā)送者接收者協(xié)議處理+OS信道訪問編碼延遲傳播時延解碼延遲中斷響應(yīng)協(xié)議處理+OS發(fā)送延遲接收延遲NIC（基帶+射頻）第三十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日RBS協(xié)議應(yīng)用實例背景：發(fā)生在節(jié)點1和節(jié)點7附近的兩個事件，分別記為E1和E7問題：判斷E1和E7兩個事件的時間差值假設(shè)節(jié)點A和節(jié)點B分別在Pa和Pb時間點發(fā)送beacon分組節(jié)點1在收到節(jié)點A發(fā)送的分組后兩秒觀察到事件E1節(jié)點7在觀察到事件E7后4秒才收到節(jié)點B發(fā)送的beacon分組。節(jié)點4知道節(jié)點A發(fā)送分組比節(jié)點B晚10秒，Pa＝Pb＋10，由此推出：E1＝E7＋16第三十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日RBS協(xié)議評價優(yōu)點消除發(fā)送過程誤差，提高了精度，4MHz的Mica，29.13μs協(xié)議相對簡單缺點僅作同步，不做對時，沒有絕對時間可用于通信調(diào)度，確定事件發(fā)生的全局時間需要三個節(jié)點一次同步需要3個發(fā)送消息和4個接收消息，鄰居節(jié)點很多時，能耗很大。瞬間同步；不適用于長距離或長時間同步第三十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日TPSN時間同步協(xié)議目標(biāo)：提供全網(wǎng)范圍內(nèi)時間同步；假設(shè)每個傳感器節(jié)點都有唯一的標(biāo)識號ID；節(jié)點間的無線通信鏈路是雙向的根節(jié)點：與外界通信獲取外界時間的節(jié)點稱為根節(jié)點；協(xié)議過程層次發(fā)現(xiàn)階段/同步階段第三十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日TPSN層次發(fā)現(xiàn)過程目標(biāo)是形成一個層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；通過洪泛方式在網(wǎng)絡(luò)中廣播“級別發(fā)現(xiàn)”分組，分組包含發(fā)送節(jié)點的ID和級別號；根節(jié)點發(fā)起，級別號為0；每跳級別號加1；節(jié)點級別號確定以后，忽略其他的分組；第三十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日TPSN同步階段根節(jié)點廣播時間同步分組1級的節(jié)點隨機回退一段時間，通過與根節(jié)點交換消息同步到根節(jié)點NTP類似的算法，更準(zhǔn)確估計處理時間假設(shè)傳輸過程相對確定，可準(zhǔn)確估計2級的節(jié)點偵聽到1級節(jié)點同步消息，等待確定時間，并隨機回退一段時間，同步到2級節(jié)點等待的目的是保證第2級節(jié)點在第1級節(jié)點時間同步完成后才啟動消息交換。每個節(jié)點與上一級節(jié)點同步，最終所有節(jié)點都同步到根節(jié)點。消息交換過程第四十頁，共五十三頁，2022年，8月28日TPSN協(xié)議評價優(yōu)點不需要測量發(fā)送接收節(jié)點之間對稱時間部分，直接通過算法將中間部分消掉，從而大大降低了誤差。缺點會隨跳數(shù)增加而累積（層次型算法都有的問題）每個節(jié)點需要收發(fā)兩個包實現(xiàn)同步，能耗O(n)，比較高思想與NTP相似，NTP中客戶端與服務(wù)器之間路徑很長，中間設(shè)備多，傳播路徑上的時間時變，并不容易估計發(fā)送者接收者協(xié)議處理+OS信道訪問編碼延遲傳播時延解碼延遲中斷響應(yīng)協(xié)議處理+OS發(fā)送延遲接收延遲NIC（基帶+射頻）NIC（基帶+射頻）NTP交換機路由器交換機路由器服務(wù)器TPSN第四十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日HRTS同步機制：結(jié)合RBS與TPSN協(xié)議過程參考基站廣播同步分組，i,j記錄Li(t2)和Lj(t2’)i節(jié)點在t3返回數(shù)據(jù)包(Li(t2),Li(t3))，參考點記錄LR(t4)參考基站計算偏差OR,i，廣播給所有鄰居(OR,i,Li(t2))i接收到OR,i，其它鄰居（如j）通過下式計算OR,jOR,j=Lj(t2’)–LR(t2)=Lj(t2’)–(Li(t2)–OR,i)假設(shè)t2=t2’LR(t1)表示t1時刻R的本地時間，其他類推第四十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日HRTS同步機制評價優(yōu)點3包完成一個廣播域中的同步，大大減少往返數(shù)據(jù)包，能量效率高缺點假設(shè)t2=t2’，略微增大時間誤差的，但只要時標(biāo)打得足夠靠近下層，誤差是微秒級第四十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日Mini/tiny-sync同步算法時鐘同步算法節(jié)點i時間可以表示：ai為節(jié)點i的時鐘頻偏，bi為節(jié)點i的時鐘相偏。

節(jié)點1和節(jié)點2的時間t1和t2符合線性關(guān)系：

a12、b12:相對時鐘頻偏和相對時鐘相偏技術(shù)如果兩個時鐘精確同步：相對時鐘頻偏等于1，而相對時鐘相偏等于零

第四十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日Mini/tiny-sync同步算法的原理三個時標(biāo)（to,tb,tr）形成一個數(shù)據(jù)點，兩個約束：目標(biāo)估計參數(shù)a12和b12第四十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日Mini/tiny-sync同步算法---估計a12和b12傳統(tǒng)方法大量采集數(shù)據(jù)點、擬合處理；缺點：通信量、存儲量和計算量；tiny-sync算法在每次獲得新數(shù)據(jù)點時，首先與以前數(shù)據(jù)點比較，如果新數(shù)據(jù)點計算出的誤差大于以前數(shù)據(jù)點計算的誤差，則拋棄；否則，采用新數(shù)據(jù)點而拋棄舊的數(shù)據(jù)點。結(jié)果：存儲3~4個數(shù)據(jù)點，可實現(xiàn)一定精度時間同步；第四十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日Mini/tiny-sync同步算法---動態(tài)維護和評價新數(shù)據(jù)點更新評估條件：對于新的數(shù)據(jù)點Aj（如A3），如果對于任何滿足關(guān)系1≤i<j<k的整數(shù)i和k都關(guān)系式：Tiny/mini-sync評價優(yōu)點：輕量級算法－少量消息計算上界，需要資源少；缺點：假設(shè)節(jié)點時鐘的頻偏和相偏不變，很難保證；第四十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步算法與協(xié)議WSN時間同步概述層次化時間同步方法DMTS，RBS，TPSN，HTRS，TINY/MINI-SYNC全局周期時鐘源的時間同步方法AC交流電線信號同步全分布式同步方法（略）基于振蕩器模型的同步方法第四十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日全局周期時鐘源的時間同步方法---AC交流電線信號同步使用家用交流電220v的50Hz正弦