無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步問題

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步問題摘要時間同步對任何分布式系統(tǒng)都是一個關(guān)鍵的基礎(chǔ)問題。分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛使用的同步時間，往往在范圍，壽命和精度同步實現(xiàn)等方面有特殊要求，以及實現(xiàn)同步所需的時間和所需的能源。 現(xiàn)有的時間同步方法需要擴(kuò)展，以滿足這些新的需求。 我們列舉了傳感器網(wǎng)絡(luò)未來的同步要求， 并提出了我們自己的低能耗同步方案，事后同步。我們還描述了一個實驗，其性能特點(diǎn)是使用很少的能量創(chuàng)造短暫的，局部的，但高精度的同步。1.介紹最近的發(fā)展小型化和低成本，低能耗設(shè)計導(dǎo)致積極研究在大規(guī)模，高度分散的小系統(tǒng)， 無線，低功耗，無人值守傳感器和致動器1 ,乙4 。許多研究人員提出了創(chuàng)造傳感器豐富的 聰明環(huán)

2、境”的設(shè)想。通過有計劃或臨時部署數(shù)千個傳感器，每一個短距離無線通信通道，并能夠檢測環(huán)境條件如溫度，運(yùn)動，聲，光，或存在某些物體。時間同步對任何分布式系統(tǒng)都是一個關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施。分布式，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使特別是廣泛使用的同步時間：例如，將時間序列的接近偵測到的速度估計3 ；測量聲音的運(yùn)行時間定位其來源5 ；分發(fā)波束陣列13 ；或制止重復(fù)郵件，由認(rèn)識到他們所描述重復(fù)檢測同 一事件不同的傳感器6。傳感器網(wǎng)絡(luò)也有許多相同的要求，傳統(tǒng)的分布式系統(tǒng)：精確的 時間戳，往往需要在加密計劃， 以協(xié)調(diào)活動定于今后， 供訂購記錄的事件在系統(tǒng)調(diào)試，等等。傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的廣泛性導(dǎo)致時間要求的范圍，壽命和精度不同于傳統(tǒng)的系

3、統(tǒng)。此外，許多節(jié)點(diǎn)新興的傳感器系統(tǒng)將非系留，因此有小型的能源儲備。所有通訊，甚至被動的聽，將產(chǎn)生重大的影響，這些儲備時間同步方法的傳感器網(wǎng)絡(luò) 因此，必須也考慮到他們消費(fèi)的時間和精力。在本文中，我們認(rèn)為，非均質(zhì)性要求在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需要能源效率和其他方面的限 制沒有發(fā)現(xiàn)在常規(guī)分布式系統(tǒng)，甚至是各種硬件而傳感器網(wǎng)絡(luò)將部署，使目前的同步計劃不足以完成這項任務(wù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)有的計劃將需要擴(kuò)大和合并后新的方式，以便提供服務(wù)，以滿足應(yīng)用的需要與可能的最低能量支出。在此框架內(nèi)，我們提出我們的想法事后同步，極低功耗同步方法時鐘在一個地方時，準(zhǔn)確的時間戳記是需要具體的事件。我們還提出了實驗這表明這個多式聯(lián)運(yùn)

4、計劃能夠精確在1微秒。為了更好地級比的兩種模式，它的組成。這些結(jié)果是令人鼓舞的，但仍是初步的，表 現(xiàn)實驗室條件下的理想化。第2節(jié)中，我們提出了一些指標(biāo)，可以用來區(qū)分兩種類型所提供的服務(wù)同步 方法和要求的應(yīng)用使用這些方法。第3節(jié)介紹我們的事后同步的想法，并介紹了實驗的特點(diǎn)其表現(xiàn)。第4節(jié)描述今后的工作中，我們的結(jié)論在第5節(jié)。2.時間同步的特征許多不同的方法分配的時間同步在共同使用。如美國全球定位系統(tǒng)（GPS） 8 和WWV / WWVB廣播電臺由國家研究所標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)2 提供參考美國時間和頻率標(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)絡(luò) 時間協(xié)議，特別是在Mills的NTP 10 ,從這些主要來源的網(wǎng)絡(luò)連接電腦分配時間。 在研究適用

5、于傳感器網(wǎng)絡(luò)， 我們已發(fā)現(xiàn)有用的特點(diǎn)是不同類型的時間沿線各軸同步。我們認(rèn)為某些指標(biāo)特別重要：精密，無論是分散之間的一組同齡人，或最大誤差對外部標(biāo)準(zhǔn)。 生命周期，這可以從持續(xù)同步持續(xù)只要網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營，幾乎瞬時（有益的，例如，如果節(jié)點(diǎn)要比較的檢測時間的一個單一的事件）。范圍和可獲取性，地理跨度節(jié)點(diǎn)這是同步的，和完整性，覆蓋面該地區(qū)內(nèi)。效率，需要實現(xiàn)同步支出的時間和精力。成本和形式因素，這可以成為特別是重要的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，涉及數(shù)以千計的微小的， -次性傳感器節(jié)點(diǎn)?，F(xiàn)有的時間同步方法所提供的服務(wù)，分為許多不同點(diǎn)，在此參數(shù)空間。所有這些使權(quán)衡，沒有單一的方法最佳沿所有軸。例如，消費(fèi)者可以同步GPS接收機(jī)

6、節(jié)點(diǎn)持續(xù)一生的時間標(biāo)準(zhǔn)，Earthwide在范圍，精度200ns9 。然而，全球定位系統(tǒng)單位往往無法使用（例如，內(nèi)部結(jié)構(gòu)，水下，在火星探測），可能需要好幾分鐘的建立時間。在某些情況下，全球定位系統(tǒng)的單位也可能是很大的。與小傳感器相比，高功率和昂貴的傳感器。與此相反，考慮一小群節(jié)點(diǎn)的小范圍，低功率無線電設(shè)備。如果一個節(jié)點(diǎn)傳輸一個信號，其他人可以使用該信號作為時間基準(zhǔn)，例如，比較的時間，他們記錄的聲音。同步提供 的這個簡單的脈沖”是當(dāng)?shù)兀诜秶鲜怯邢薜暮途_的變時滯，對無線電接收和傳輸延遲無線電波。對于給定的精度限制，終身的同步也是有限的節(jié)點(diǎn)時鐘將漫步。在最初的脈搏。 然而，脈沖能源效率低，因為

7、它不僅需要的傳輸一個單一的信號。根據(jù)應(yīng)用的需要，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以說沿同一軸線。例如，考慮波束陣列設(shè)計本地化來源的聲音，如所描述的YHRCL在13 。數(shù)組描述有著共同的時間基準(zhǔn)憑借這一事實， 即音頻數(shù)據(jù)都是被相同的處理器處理。對于這樣一個陣列來實施一個完全分布式，一套自主無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步是必要的。這將需要同步精度約100微秒，但只能在有限的一生和當(dāng)?shù)氐姆秶?。不同的?yīng)用有不同的同步要求，說明了另一個例子： 數(shù)據(jù)匯總。共同特征傳感器網(wǎng)絡(luò)由于高能源成本的溝通相比，計算11 是在當(dāng)?shù)丶庸?，概括，聚集的?shù)據(jù)，以便最大限度地 減少的規(guī)模和頻率傳輸。制止重復(fù)的通知同一事件從一組附近的傳感器有可能導(dǎo)致

8、重大的節(jié) 約能源6 。承認(rèn)重復(fù)事件必須使時間戳精確的順序發(fā)生頻率；這可能只有幾十或幾百毫秒。由于數(shù)據(jù)，可以將意見發(fā)送了漫長的道路，通過網(wǎng)絡(luò)，甚至緩存許多中間節(jié)點(diǎn)，同步必須范圍廣泛，長期 甚至可能持續(xù)整個在生命周期中。3.傳感器網(wǎng)絡(luò)時間一些因素使現(xiàn)有方法的不足用于計時的傳感器網(wǎng)絡(luò)。也許最重要的是，傳感器網(wǎng)絡(luò)必須高度節(jié)能的。正如我們所提到的第1款，節(jié)點(diǎn)將非系留和有限的電池儲備。與筆記本電腦或其他手持設(shè)備中，不斷關(guān)注和享受維護(hù)人類，規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署將補(bǔ)充這些儲備是不 可能的。現(xiàn)有的時間同步方法是不是設(shè)計這一約束銘記。雖然協(xié)議，如NTP公司的保守，他們使用的帶寬，它們是在這個新的效率低下的情況下

9、，消耗顯著收音機(jī)功率甚至被動聽的郵件11 。另一個復(fù)雜的問題是所介紹的非均質(zhì)性硬件，可用于在一個傳感器網(wǎng)絡(luò)。那個最小的節(jié)點(diǎn)，也許目的是直接連接的現(xiàn)象，他們的監(jiān)測，就不可能有能源預(yù)算或形式因素，使任何超過本地振蕩器和一個短距離無線通訊。一些將能更好地天賦， 與遠(yuǎn)程無線電能力同步更偏遠(yuǎn)地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)，或在某些情況下，與外部時間源，如全球定位系統(tǒng)或WWVB。異質(zhì)性的同步要求在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，需要節(jié)能和其他制約因素中找不到常規(guī)分布式系統(tǒng)，以及各種不同的硬件上傳感器網(wǎng)絡(luò)將部署，我們得到以下結(jié)論：1時間同步方法使用現(xiàn)有的分布式系統(tǒng)未作修改不適合在傳感器網(wǎng)絡(luò)。2因為它是不可能的任何單一的同步適當(dāng)?shù)姆椒ㄔ谒星闆r

10、下，傳感器應(yīng)有多種方法可用。 如果一個節(jié)點(diǎn)可以動態(tài)貿(mào)易精度能源，或范圍收斂。當(dāng)時，它可避免 付出”的東西它不需要。理想的情況下，該算法也應(yīng)可調(diào)允許精細(xì)控制的算法比簡單地把它或關(guān)閉。因此，我們擴(kuò)大了一系列傳統(tǒng)方式的同步時間，傳感器網(wǎng)絡(luò)。通過修改現(xiàn)有的方法和撰寫成多模解決方案，我們可以創(chuàng)造新的形式同步的涵蓋各種點(diǎn)在參數(shù)空間我們描述較早。我們的目標(biāo)是實施和特點(diǎn)一套豐富的方法，這樣，所有的申請將有一個既提供必要和足夠的它的需求。開始往這條道路上，我們已經(jīng)開發(fā)出一種技術(shù)所謂事后同步協(xié)調(diào)的必要性。許多應(yīng)用程序進(jìn)行精確傳感器事件時間戳的愿望保持節(jié)點(diǎn)關(guān)閉，以保護(hù)能源。3.事后同步節(jié)約能源在一個傳感器網(wǎng)絡(luò)，它是

11、一種可取的保持節(jié)點(diǎn)在低功耗狀態(tài)， 如果不是完全關(guān) 閉，盡可能長時間。傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件往往設(shè)計銘記著這一目標(biāo)；處理器有各種 睡眠”模式，或有能力在高能源或周邊設(shè)備在不使用時斷電。這種類型的設(shè)計的例子是在WINS平臺1 ,其中有一個非常低功耗的預(yù)處理器”，能夠簡陋的信號處理。通常情況下，整個節(jié)點(diǎn)關(guān)機(jī)除了預(yù)處理器。當(dāng)預(yù)處理器偵測到潛在的感興趣的信號，它的權(quán)力的通用處理器為進(jìn)一步分析。在CPU,反過來可以權(quán)力的節(jié)點(diǎn)上的無線電。如果它確定了事件發(fā)生，需要加以報告。這種設(shè)計使元件消耗大多數(shù)能源供電的時間最少，但也帶來了重大問題，如果我們想要保持同步的時間。傳統(tǒng)的方法試圖讓所有的時鐘紀(jì)律次， 以便準(zhǔn)確時間戳總

12、是可用。 如果無 線電我們的外部來源的時間和頻率標(biāo)準(zhǔn)， 是不斷在關(guān)閉了幾個小時時間？或者， 如果是一個 平臺，就像贏了，要是通用處理器知道如何管束時鐘也關(guān)閉？我們解決這個問題的方法是事后同步。在我們的計劃，節(jié)點(diǎn)時鐘通常不同步。 當(dāng)刺激的時候，每個節(jié)點(diǎn)記錄時間的刺激對自己的地方時鐘。隨即，一個 第三方”節(jié)點(diǎn)作為一個燈塔廣播同步脈沖，以所有節(jié)點(diǎn)在該地區(qū)使用的無線電臺。節(jié)點(diǎn)收到此脈沖使用它作為一個參考和瞬時時間可以恢復(fù)正常其刺激時間戳就該參考。這種同步是不是適用于所有情況，當(dāng)然：這是范圍有限的傳輸范圍的燈塔，并創(chuàng)建只是一個 速成”的同步時間。這使得它不適合的應(yīng)用程序需要溝通時間戳長距離或次。但是，它

13、提供的服務(wù)完全必要用于波束形成的應(yīng)用，定位系統(tǒng)，和其他情況下，我們需要的相對比較到達(dá)時間的信號一套空間當(dāng)?shù)靥綔y器。3.1預(yù)期的源錯誤有三個主要因素，影響準(zhǔn)確性和精度實現(xiàn)由事后同步。大致順序的重要性， 它們是：接收時鐘扭曲，變拖延接收器和傳輸延遲同步脈沖。1接收器的本地時鐘扭曲。事后同步要求每個接收準(zhǔn)確測量之間的間隔，經(jīng)過他們的檢測事件和到達(dá)同步脈沖。然而，節(jié)點(diǎn)時鐘不完全以同樣的速度運(yùn)行，從而導(dǎo)致錯誤的測量。自從時鐘偏移組之間將導(dǎo)致實現(xiàn)精密腐爛之間隨著時間的經(jīng)過的刺激和脈搏，重要的是要盡量減少這種間隔。方法之一是減少這種錯誤是使用的NTP紀(jì)律的頻率，每個節(jié)點(diǎn)的振蕩器。這個體現(xiàn)了我們 的想法，多模

14、式同步。雖然運(yùn)行的NTP全職”的失敗之一，是原來的目標(biāo)，使主處理器或 電臺關(guān)閉，它也可以仍然是有用的頻率紀(jì)律（多更比相位校正）在非常低的占空比。2變時滯的接收器。即使同步信號到達(dá)同一即時在所有接收器，我們不能保證每個接收器將檢測信號在同一 即時。非確定性在檢測硬件和操作系統(tǒng)的問題，如中斷時延變量可以促進(jìn)難以預(yù)測拖延不跨越接收機(jī)。偵查活動本身（音頻，地震，等），也可能延誤相關(guān)隨意性。這些延誤將直接推動同步錯誤。我們的設(shè)計避免了錯誤，由于變量延遲發(fā)件人考慮發(fā)件人的同步脈沖，以是一個第三方”。也就是說，接收被視為進(jìn)行同步只有彼此，而不是信標(biāo)。值得注意的是，該錯誤造成的變量拖延是相同的，不論時間間隔事

15、件和同步脈沖。這是在對比錯誤由于時鐘偏移，生長一段時間。3傳輸延遲同步脈沖我們的方法假定的同步脈沖絕對時間參考在瞬間到達(dá)，也就是說，它到達(dá)每一個節(jié)點(diǎn)上完全一樣的時間。 在現(xiàn)實中，情況并非如此，由于有限傳播速度的射頻信號。同步將永遠(yuǎn)不會實現(xiàn)的，精度優(yōu)于差異在傳播延遲之間的各種接收器和同步信標(biāo)。這種來源的錯誤使我們的技術(shù)最有用到達(dá)時間比較時的現(xiàn)象，宣傳更慢于射頻，如音頻。那個六階的規(guī)模差異的速度射頻和音頻也同樣利用過去在系統(tǒng)，如ORL的Active Bat 12 和希羅德的聲波測距系統(tǒng)5 。3.2實際研究我們設(shè)計了一個實驗的特點(diǎn)表現(xiàn)我們事后同步方案。實驗試圖衡量來源的錯誤描述在上一節(jié)提供了刺激每個

16、接收器在同一瞬間，并要求接收時間戳到達(dá)時間的刺激對同步脈沖透過同樣的機(jī)制。理想的情況下，如果沒有可變延遲接收在接收器，本地振蕩器，我們的時間報的刺激應(yīng)該是相同的。 實際上，這些來源錯誤造成的分散的報告倍增長經(jīng)過更多的時間之間 的刺激和同步脈沖。 衰減精度應(yīng)在發(fā)生更慢，如果NTP是同時使用的頻率紀(jì)律接收振蕩器。我們認(rèn)識到這一點(diǎn)實驗發(fā)件人和十一個接收器，這是每一個普通PC硬件（戴爾OptiPlex GX1工作站）運(yùn)行紅帽Linux操作系統(tǒng)系統(tǒng)。每一個刺激和同步脈沖是一個簡單的的TTL邏輯信號發(fā)送和接收的標(biāo)準(zhǔn)PC平行接口 .在每個審判，每個接收報告了知覺經(jīng)過時間的刺激和同步脈沖根據(jù)系統(tǒng)時鐘，它有1微

17、秒的決議。我們確定了將分散的標(biāo)準(zhǔn)偏離意味著這些報告的價值。為了盡量減少可變時延介紹的操作系統(tǒng)，時代傳入脈沖記錄了并行端口中斷處理程序使用的是Linux內(nèi)核模塊。為了了解如何分散是受時間間隔和同步脈沖刺激，我們測試分散的21個不同值的這一經(jīng)過時間，從（1 6微秒到16.8秒）。對于每個過去了的時間值，我們的審判和執(zhí)行50報告的意思。這些1,050審判進(jìn)行中隨機(jī)順序的過程中一小時，以盡量減少系統(tǒng)誤差的影響 （例如，網(wǎng)絡(luò)活動的變化影響中斷延時）。相比之下，整個實驗是在三種不同的配置下：1。實驗運(yùn)行的 原始時鐘”，即：而接收器鐘表沒有任何紀(jì)律 外部頻率標(biāo)準(zhǔn)。2。NTPv3客戶端是一個開始，每個接收器和

18、允許同步（通過以太網(wǎng)）我們的實驗室地層-1 GPS時鐘為10天。然后實驗重復(fù)，而NTP公司的運(yùn)行。3。NTP的外部時間源被刪除， 而NTP公司守護(hù)進(jìn)程被允許自由運(yùn)轉(zhuǎn)了好幾天使用其最后 為人所知的估計本地時鐘的頻率。然后實驗重復(fù)。比較我們的事后精度的方法NTP公司僅實現(xiàn)了，我們兩個不同的記錄刺激時抵達(dá)時間戳運(yùn)行實驗在配置2中：時間對同步脈沖和時間根據(jù)的NTP紀(jì)律本地時鐘。類似的其他配置，分散的價值NTP公司是計算每個刺激的計算標(biāo)準(zhǔn)差的平均值的報告時間戳。水平線在圖1是指那些1,050色散值10 1 .70微秒。我們的結(jié)果如圖1所示：= 1111111| 9b9P brVhTrfrr r.NTPC

19、ndiscii?lined Local ClodPiihe with Active NTF1U1 - .上_-.h hl19 ki pYi h4Jil4ilil4i/；J/三= hI 1 h PII lRF he s r v -B卜 pavsHwwva *H hI* II Vil HI1I1ili i /IA /* #* :!ll 1ili1IIII4II 1iihI1IIiiB F VKBWHWSB1.=Il1，le-050.00010.0010.010.1110100Time Elapsed berween E cur and &yJIClironizarion C conds 3.3討論結(jié)果如圖1所示驗證了本系統(tǒng)的一些方面。首先，給出了實驗的洞察力成的性質(zhì)，其誤差源。結(jié)果與NTP紀(jì)律性時鐘案件相當(dāng)于違法亂紀(jì)鐘表。當(dāng)時間間隔小于大約50毫秒，這表明主要來源的錯誤在這種情況下是可變的延誤接收器（例如，由于延退或中斷采樣率的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換硬件在PC并行端口）。除了50msec ,兩個實驗發(fā)散，表明時鐘偏移成為初 級來源的錯誤在這一點(diǎn)上。