❶ 有關無線感測器網路中時間同步機制有哪些方法和策略
1 時間同步技術的重要性
感測器節點的時鍾並不完美,會在時間上發生漂移,所以觀察到的時間對於網路中的節點來說是不同的。但很多網路協議的應用,都需要一個共同的時間以使得網路中的節點全部或部分在瞬間是同步的。
第一,感測器節點需要彼此之間並行操作和協作去完成復雜的感測任務。如果在收集信息過程中,感測器節點缺乏統一的時間戳(即沒有同步),估計將是不準確的。
第二,許多節能方案是利用時間同步來實現的。例如,感測器可以在適當的時候休眠(通過關閉感測器和收發器進入節能模式),在需要的時候再喚醒。在應用這種節能模式的時候,節點應該在同等的時間休眠和喚醒,也就是說當數據到來時,節點的接收器可以接收,這個需要感測器節點間精確的定時。
2 時間同步技術所關注的主要性能參數
時間同步技術的根本目的是為網路中節點的本地時鍾提供共同的時間戳。對無線感測器
網路WSN(Wireless Sensor Networks)[1]
的時間同步應主要應考慮以下幾個方面的問題:
(1)能量效率。同步的時間越長,消耗的能量越多,效率就越低。設計WSN的時間同步演算法需以考慮感測器節點有效的能量資源為前提。
(2) 可擴展性和健壯性。時間同步機制應該支持網路中節點的數目或者密度的有效擴展,並保障一旦有節點失效時,餘下網路有效且功能健全。
(3)精確度。針對不同的應用和目的,精確度的需求有所不用。
(4)同步期限。節點需要保持時間同步的時間長度可以是瞬時的,也可以和網路的壽命一樣長。
(5)有效同步范圍。可以給網路內所有節點提供時間,也可以給局部區域的節點提供時間。
(6)成本和尺寸。同步可能需要特定的硬體,另外,體積的大小也影響同步機制的實現。 (7)最大誤差。一組感測器節點之間的最大時間差,或相對外部標准時間的最大差。 3 現有主要時間同步方法研究
時間同步技術是研究WSN的重要問題,許多具體應用都需要感測器節點本地時鍾的同步,要求各種程度的同步精度。WSN具有自組織性、多跳性、動態拓撲性和資源受限性,尤其是節點的能量資源、計算能力、通信帶寬、存儲容量有限等特點,使時間同步方案有其特
殊的需求,也使得傳統的時間同步演算法不適合於這些網路[2]
。因此越來越多的研究集中在設
計適合WSN的時間同步演算法[3]
。針對WSN,目前已經從不同角度提出了許多新的時間同步演算法[4]
。
3.1 成對(pair-wise)同步的雙向同步模式
代表演算法是感測器網路時間同步協議TPSN(Timing-Sync Protocol for Sensor
Networks)[5~6]
。目的是提供WSN整個網路范圍內節點間的時間同步。
該演算法分兩步:分級和同步。第一步的目的是建立分級的拓撲網路,每個節點有個級別。只有一個節點與外界通信獲取外界時間,將其定為零級,叫做根節點,作為整個網路系統的時間源。在第二步,每個i級節點與i-1(上一級)級節點同步,最終所有的節點都與根節點同步,從而達到整個網路的時間同步。詳細的時間同步過程如圖 1 所示。
圖1 TPSN 同步過程
設R為上層節點,S為下層節點,傳播時間為d,兩節點的時間偏差為θ。同步過程由節點R廣播開始同步信息,節點S接收到信息以後,就開始准備時間同步過程。在T1時刻,節點S發送同步信息包,包含信息(T1),節點R在T2接收到同步信息,並記錄下接收時間T2,這里滿足關系:21TTd
節點R在T3時刻發送回復信息包,包含信息(T1,T2,T3)。在T4時刻S接收到同步信息包,滿足關系:43TTd
最後,節點S利用上述2個時間表達式可計算出的值:(21)(43)2
TTTT
TPSN由於採用了在MAC層給同步包標記時間戳的方式,降低了發送端的不確定性,消除了訪問時間帶來的時間同步誤差,使得同步效果更加有效。並且,TPSN演算法對任意節點的同步誤差取決於它距離根節點的跳數,而與網路中節點總數無關,使TPSN同步精度不會隨節點數目增加而降級,從而使TPSN具有較好的擴展性。TPSN演算法的缺點是一旦根節點失效,就要重新選擇根節點,並重新進行分級和同步階段的處理,增加了計算和能量開銷,並隨著跳數的增加,同步誤差呈線性增長,准確性較低。另外,TPSN演算法沒有對時鍾的頻差進行估計,這使得它需要頻繁同步,完成一次同步能量消耗較大。
3.2 接收方-接收方(Receiver-Receiver)模式
代表演算法是參考廣播時間同步協議RBS(Reference Broadcast Synchronization)[7]
。RBS是典型的基於接收方-接收方的同步演算法,是Elson等人以「第三節點」實現同步的思想而提出的。該演算法中,利用無線數據鏈路層的廣播信道特性,基本思想為:節點(作為發
送者)通過物理層廣播周期性地向其鄰居節點(作為接收者)發送信標消息[10]
,鄰居節點記錄下廣播信標達到的時間,並把這個時間作為參考點與時鍾的讀數相比較。為了計算時鍾偏移,要交換對等鄰居節點間的時間戳,確定它們之間的時間偏移量,然後其中一個根據接收
到的時間差值來修改其本地的時間,從而實現時間同步[11]
。
假如該演算法在網路中有n個接收節點m個參考廣播包,則任意一個節點接收到m個參考包後,會拿這些參考包到達的時間與其它n-1個接收節點接收到的參考包到達的時間進行比較,然後進行信息交換。圖2為RBS演算法的關鍵路徑示意圖。
網路介面卡
關鍵路徑
接收者1
發送者
接收者2
圖2 RBS演算法的關鍵路徑示意圖
其計算公式如下:
,,1
1,:[,]()m
jkikkinjnoffsetijTTm
其中n表示接收者的數量,m表示參考包的數量,,rbT表示接收節點r接收到參考包b時的時鍾。
此演算法並不是同步發送者和接收者,而是使接收者彼此同步,有效避免了發送訪問時間對同步的影響,將發送方延遲的不確定性從關鍵路徑中排除,誤差的來源主要是傳輸時間和接收時間的不確定性,從而獲得了比利用節點間雙向信息交換實現同步的方法更高的精確度。這種方法的最大弊端是信息的交換次數太多,發送節點和接收節點之間、接收節點彼此之間,都要經過消息交換後才能達到同步。計算復雜度較高,網路流量開銷和能耗太大,不適合能量供應有限的場合。
3.3 發送方-接收方(Sender-Receiver)模式
基於發送方-接收方機制的時間同步演算法的基本原理是:發送節點發送包含本地時間戳的時間同步消息,接收節點記錄本地接收時間,並將其與同步消息中的時間戳進行比較,調整本地時鍾。基於這種方法提出的時間同步演算法有以下兩種。
3.3.1 FTSP 演算法[8]
泛洪時間同步協議FTSP(Flooding Time Synchronization Protocol)由Vanderbilt大學Branislav Kusy等提出,目標是實現整個網路的時間同步且誤差控制在微秒級。該演算法用單個廣播消息實現發送節點與接收節點之間的時間同步。
其特點為:(1)通過對收發過程的分析,把時延細分為發送中斷處理時延、編碼時延、傳播時延、解碼時延、位元組對齊時延、接收中斷處理時延,進一步降低時延的不確定度;(2)通過發射多個信令包,使得接收節點可以利用最小方差線性擬合技術估算自己和發送節點的頻率差和初相位差;(3)設計一套根節點選舉機制,針對節點失效、新節點加入、拓撲變化
等情況進行優化,適合於惡劣環境[12]
。
FTSP演算法對時鍾漂移進行了線性回歸分析。此演算法考慮到在特定時間范圍內節點時鍾晶振頻率是穩定的,因此節點間時鍾偏移量與時間成線性關系,通過發送節點周期性廣播時間同步消息,接收節點取得多個數據對,構造最佳擬合直線,通過回歸直線,在誤差允許的時間間隔內,節點可直接通過它來計算某一時間節點間的時鍾偏移量而不必發送時間同步消息進行計算,從而減少了消息的發送次數並降低了系統能量開銷。
FTSP結合TPSN和RBS的優點,不僅排除了發送方延遲的影響,而且對報文傳輸中接收方的不確定延遲(如中斷處理時間、位元組對齊時間、硬體編解碼時間等)做了有效的估計。多跳的FTSP協議採用層次結構,根節點為同步源,可以適應大量感測器節點,對網路拓撲結構的變化和根節點的失效有健壯性,精確度較好。該演算法通過採用MAC層時間戳和線性回歸偏差補償彌補相關的錯誤源,通過對一個數據包打多個時戳,進而取平均和濾除抖動較大的時戳,大大降低了中斷和解碼時間的影響。FTSP 採用洪泛的方式向遠方節點傳遞時間基準節點的時間信息,洪泛的時間信息可由中轉節點生成,因此誤差累積不可避免。另外,FTSP的功耗和帶寬的開銷巨大。
3.3.2 DMTS 演算法[9]
延遲測量時間同步DMTS (delay measurement time synchronization) 演算法的同步機制是基於發送方-接收方的同步機制。DMTS 演算法的實現策略是犧牲部分時間同步精度換取較低的計算復雜度和能耗,是一種能量消耗輕的時間同步演算法。
DMTS演算法的基本原理為:選擇一個節點作為時間主節點廣播同步時間,所有接收節點通過精確地測量從發送節點到接收節點的單向時間廣播消息的延遲並結合發送節點時間戳,計算出時間調整值,接收節點設置它的時間為接收到消息攜帶的時間加上廣播消息的傳輸延遲,調整自己的邏輯時鍾值以和基準點達成同步,這樣所有得到廣播消息的節點都與主節點進行時間同步。發送節點和接收節點的時間延遲dt可由21()dtnttt得出。其中,nt為發送前導碼和起始字元所需的時間,n為發送的信息位個數,t為發送一位所需時間;1t為接收節點在消息到達時的本地時間;2t為接收節點在調整自己的時鍾之前的那一時刻記錄的本地時間,21()tt是接收處理延遲。
DMTS 演算法的優點是結合鏈路層打時間戳和時延估計等技術,消除了發送時延和訪問時延的影響,演算法簡單,通信開銷小。但DMTS演算法沒有估計時鍾的頻率偏差,時鍾保持同步的時間較短,沒有對位偏移產生的時間延遲進行估計,也沒有消除時鍾計時精度對同步精度的影響,因此其同步精度比FTSP略有下降,不適用於定位等要求高精度同步的應用。
基於發送方-接收方單向同步機制的演算法在上述三類方法中需要發送的時間同步消息數目最少。發送節點只要發送一次同步消息,因而具有較低的網路流量開銷和復雜度,減少了系統能耗。
4 結論
文章介紹了WSN時間同步演算法的類型以及各自具有代表性的演算法,分析了各演算法的設計原理和優缺點。這些協議解決了WSN中時間同步所遇到的主要問題,但對於大型網路,已有的方法或多或少存在著一些問題:擴展性差、穩定性不高、收斂速度變慢、網路通信沖突、能耗增大。今後的研究熱點將集中在節能和時間同步的安全性方面。這將對演算法的容錯性、有效范圍和可擴展性提出更高的要求。
❷ 時鍾偏差和時鍾抖動是如何產生的哪些因素可以造成時鍾偏差,哪些可造成時鍾抖動減少時鍾偏差和抖動的
時鍾偏差是由於布線長度及負載不同引起的,導致同一個時鍾信號到達相鄰兩個時序單元的時間不。時間偏移無法避免,布線長度你是無法達到一致的。可以採用FPGA設計中,主要的時鍾信號走全局時鍾網路以避免時鍾偏移現象。其中該網路採用全銅工藝和樹狀結構,又專用的時鍾緩沖和驅動網路。減少延遲。時間抖動定義為定,一般採用兩個參數描述:周期抖動一般比較確定,又外部原因造成,如干擾、電源、雜訊。周期間抖動又環境因素造成,具有不確定性,滿足高斯分布。措施相應減少外界的影響
❸ 現在,無線感測網路的時間同步一般能做到多少精度,微秒,毫秒
常見的低精度的一般基於zigbee之類的可以做到幾十毫秒,產品也很多。做高精度的相對比較少,之前接觸一家慧聚公司的syn1000高精度模塊,據說可以達到1微秒內,可以去找找看。
❹ 通信如何建立同步時鍾
同步通信方式要求通信雙方以相同的時鍾頻率進行,而且准確協調,通過共享一個單個時鍾或定時脈沖源保證發送方和接收方的准確同步。
時鍾同步是同步無線通信網路的重要基礎,是無線信號正確接收、時分多址接入、功率控制、同步跳頻等功能的核心技術之一。無線通信網路中各節點擁有獨立的硬體時鍾,硬體時鍾通過晶體振盪器和計數器來進行計時,由於製作工藝、外界環境、硬體老化等原因,各節點硬體時鍾的晶體振盪器的頻率之間存在差異,因此完成節點時鍾之間的頻率同步是網路節點之間時間同步的重要保障。[0004]現有技術中一類是依賴外部時鍾源來完成無線通信網路節點間的時間同步。比如利用GPS、北斗等衛星授時系統進行無線通信網路的時間同步,在節點中集成相應的時標信號接收裝置,無線通信網路中的各個節點獨立的與衛星授時系統的時間進行同步,以完成整網的時間同步。
[0005]利用IEEE1588(網路測控系統精準時鍾同步協議)授時進行無線通信網路的時間同步,需要在網路外接穩定的時鍾源,逐級完成無線通信網路的時間同步。[0006]利用GPS、北斗等衛星授時系統進行無線通信網路的時間同步方案,需要在網路節點中集成時標信號接收設備,增加網路節點的成本,並且當衛星授時信號受到干擾或者在信號強度較弱的場景下,網路同步精度不能保證。[0007]利用IEEE1588(網路測控系統精準時鍾同步協議)授時進行無線通信網路的時間同步方案,需要外接穩定的時鍾源,增加無線通信網路的成本及實現難度,同時此種方案需要穩定可靠的時鍾傳輸網路才能保證時間同步的穩定性,對於無線通信網路而言難以實現。[0008]另一類是通過在無線通信網路的節點間建立層級關系,逐級的完成時間同步。此種時間同步方案通過選擇時鍾跟蹤源節點,當前節點只與選擇的跟蹤源節點進行時間同步。[0009]當無線通信網路中節點之間的頻率偏差較大時,導致節點間低階調制也無法正常通信,此時節點無法接收到時鍾跟蹤節點的時間同步信息,因此不能保證無線通信網路時間同步的順利完成。並且節點之間的頻率差會導致時鍾計時速度的差異,影響時間同步精度。
❺ 無線感測網路求助
全新物聯網安防系統
本系統通過物聯網及感測網路的深入運用,實現了特定區域的安全防範以及智能控制等功能,結合人機對話以及邏輯判斷技術使得系統更加靈活具有前瞻性。
系統採取獨立設計,根據用戶需求對系統的各項配置進行有針對性的組合,在滿足用戶需求的前提下,可有效避免系統的同一性(即任何2套系統之間都有較大區別),保證了系統的唯一性,並且預留用戶自我修改界面,可方便用戶自行對系統的各種狀態進行修改。
功能說明:
安全防範部分
安防部分分為三部分1.外圍周界檢測及防禦 2.過渡區檢測及防禦 3.核心區域檢測及緊急防禦。
1.外圍周界檢測及防禦
此部分主要對周界進行智能分析檢測,可對外圍徘徊進行語音警告,並對翻越人員進行有效防禦,採取智能檢測可有效避免誤檢和漏檢,通過軟體智能分析可有效區分人員動物或干擾。
2.過渡區檢測及防禦
過渡區位於外圍防禦區與核心區域之間,對於住宅用戶既院落部分,系統對於此部分採取跟蹤定位,當外圍區域被侵入後迅速定位侵入人員並啟動防禦措施對其進行防禦,同時可結合視頻設備對其進行抓拍,防禦手段可根據用戶要求進行有針對性的定製。
3.核心區域防禦
此區域為住宅的居住部分,包括門窗的檢測防禦,以及會客區的緊急防禦等功能,同時對房屋的主要出入口採取緩沖措施,即對出入口區域設定緩沖區,當緩沖區內存在多人的情況下系統需要多人全部身份驗證後才可允許進入,可有效避免跟隨以及人員內外結合進入的可能性。
緊急防禦功能,此功能只在有訪客到來以及核心區域被侵入的情況下才可啟動,在特殊情況下保護用戶的安全,同時避免了無侵入情況下的誤觸發的可能性。以上三個部分相互協同相互感知,彼此相互聯動,大大的加強了系統的穩定性及安全性。
並且系統還具備完善的燃氣泄露及消防報警功能系統在有燃氣設備的區域設置了燃氣檢測及處理功能,當系統發現某一區域燃氣濃度超標時,將第一時間通知用戶不要進入,同時系統自動根據現場條件進行處理,例如關閉燃氣總閥,打開通風設備以及切斷相應區域電源等一系列措施,確保用戶人身安全,當系統檢測已無危險時會自動解除相應狀態同時通知用戶危險已經解除,火災等突發情況處理同樣。
同時我們充分考慮到各種不確定因素,為系統設置了備用電源系統確保住宅供電失常情況下,系統可保持一定時間的正常使用,通訊暢通無阻,避免有不法分子企圖通過切斷電源來入侵系統。
智能家居部分
傳統智能家居無法擺脫大量的遙控器以及面板式的操作,而本系統無需任何額外的操作即可享受系統帶來的高度智能化得家居享受。
1.燈光控制
在房屋各個功能區採取出入口控制以及區域定位技術,將採集數據反饋到處理單元,對數據統一分析處理並發送至控制單元,通過控制輸出對各個功能區燈光進行調節控制,模式改變等。同時設置本地控制開關與系統並聯使用,通過簡單的操作可以進行燈光場景的設置,方便用戶根據不同的使用要求進行不同的選擇。
在客廳部分,系統通過出入口計數來判斷區域人員數量,同時結合室內光線強度自動開啟燈具,並調節光亮度以達到舒適的光線,系統根據門禁系統反饋信號,調用訪客數據對客廳區域燈光模式進行選擇,可由用戶自行定製不同的會客以及休息等模式下,燈光開啟方式數量強弱等。
在餐廳區域,系統根據處理單元自帶系統時鍾,以及光線條件以及人員移動,來自動調節控制燈光模式數量等,同樣用戶可根據個人喜好輕松DIY各種控制模式,彰顯個人品味。
在主卧室設置光線感應器,可根據室內的光線來調節照明燈的亮度,以尋求最舒適的感受,同時結合人員定位當無人時自動延時關閉燈光,當用戶起夜時系統將自動為其開啟床頭燈,同時根據其移動軌跡開啟相應區域燈,避免影響他人休息。
同時燈光系統可與安防系統聯動,當家中無人時如有不法分子妄想偷竊財務,系統將自動開啟個別區域的燈光嚇止其企圖。
對於室外、裝飾、泛光等照明方式的控制,將根據用戶需求進行設計同時預留多種方案供用戶自行切換。本系統還可以提供其它各種智能控制功能,尤其是該系統靈活方便,可根據用戶的不同要求隨時方便的更改,而不必對現場線路進行任何改動
2.門窗控制系統
本系統具有完善的門窗及窗簾控制功能,對於門的控制系統根據門禁系統反饋信號,通過控制輸出單元直接控制電控鎖的開關。窗及窗簾的控制系統採取多種控制方式,例如卧室窗的控制,系統可根據室內空氣成分以及外部天氣自動開窗通風,也可根據人員位置開關,還可以根據感測信號用戶自選開關。卧室窗簾控制我們採取人性化控制,系統檢測用戶是否起床,外部光線條件,以及卧室區域是否有人等進行分析判斷決定其開啟或關閉,同時保留手動開關定時開關等功能供用戶自由搭配選擇使用。
3.居家電器控制
居家電器控制部分,系統實現了無操作自動服務,即所有電器設備只要與系統相連即可根據用戶預先設定的工作模式,系統根據人員移動自動開啟,以熱水器為例,當用戶設定好其工作模式後(水溫,水量等),當用戶回家或到預定時間後將自動運行至所需條件,同時也可遠程設定各種參數,當用戶使用時一切都已准備就緒,所有電器設備的控制我們根據用戶喜好進行設計,同時預留多種模式搭配供用戶自行切換使用
人機界面部分
人機界面系統是本系統實現,用戶與系統溝通的窗口。我們在設計時充分徵求用戶意見及喜好,為其量身定做適合其個人品味的人機窗口,方便用戶在系統使用過程中隨時根據自己的喜好及需求對系統進行修改,輕松便捷輕松點擊滑鼠即可完成各種功能的搭配。
❻ 為什麼在WSN中需要時間同步請舉出至少三個例子。
因為WSN在物理上的分散性,加上其他因素的影響使得本地時鍾與全局時鍾存在失步。時間同步不僅是無線感測器網路各種應用正常運行的必要條件,並且還直接決定了其他服務的質量。一、在以廣播的方式向很多接收者發送參考報文的時候二、在一個目標跟蹤系統中,可能存在下面的潛在時 間同步要求:通過波束陣列確定聲源位置進行目標監測,波束陣列需 要使用公共基準時間.如果用分布式無線感測器節點實現波 束陣列,就需要局部節點間的瞬時時間同步,允許的最大誤 差為100s.通過目標相鄰位置的連續檢測,估計目標的運動 速率和方向.這種時間同步機制要求的時間同步長度和地理 范圍都要比波束陣列大,精度相應有所降三、在戰場通信、搶險救災和公共集會等突發性、臨時性場合。保持節點之間時間上的同步在無線感測器網路中非常重要,它是保證無線感測網路中其他通信協議的前提因為WSN在物理上的分散性,加上其他因素的影響使得本地時鍾與全局時鍾存在失步。時間同步不僅是無線感測器網路各種應用正常運行的必要條件,並且還直接決定了其他服務的質量。
❼ 新買的wifi對時電子鍾比手機時間快二秒是何原因
網路時間和實際時間不一樣
WIFI電子鍾授時網路是由乙太網授時伺服器或本地授時伺服器、交換機、WIFI AP和WIFI電子鍾組成。乙太網授時伺服器或本地授時伺服器時間源為GPS、北斗或CDMA網路,以NTP協議向外提供授時工作,授時伺服器時間走時精度高,偏差小
WIFI網路時鍾具有精度高、功能強、穩定性好、無積累誤差、不受氣候地域等環境條件限制、性價比高、操作簡單、免維護等特點,全自動智能化運行,適合無人值守。
❽ 感測器網路中常見的時間同步機制有哪些它們有什麼特點
一、感測器網路中常見的時間同步機制有:
1、感測器節點通常需要彼此協作,去完成復雜的監測和感知任務數據融合是協作操作的典型例子,不同的節點採集的數據最終融合形成了一個有意義的結果。
2、感測器網路的一些節能方案是利用時間同步來實現的。
二、特點:
1、感測節點體積小,成本低,計算能力有限。
2、感測節點數量大、易失效,具有自適應性。
3、通信半徑小,帶寬很低。
4、電源能量是網路壽命的關鍵。
5、數據管理與處理是感測器網路的核心技術。
感測器網路
綜合了感測器技術、嵌入式計算技術、現代網路及無線通信技術、分布式信息處理技術等,能夠通過各類集成化的微型感測器協作地實時監測、感知和採集各種環境或監測對象的信息,通過嵌入式系統對信息進行處理,並通過隨機自組織無線通信網路以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端。從而真正實現「無處不在的計算」理念。
❾ 計算機網路中的時鍾問題
計算機的時鍾,有兩層意思:1.時間基準;2.實際的時間。時間基準,一般都是以1秒為時鍾基準。別小看這一秒鍾。所謂基準,就是對這一秒鍾有非常苛刻的要求。當然主要是誤差量的要求,中國計量科學研究院研製的NIM5銫原子噴泉鍾,2000萬年不差一秒,成為國際計量局認可的基準鍾之一。假如能取這種原子鍾作為計算機的時鍾標准,那麼計算機的計算過程中,就決不會出錯。而實際的應用計算機時鍾,是計算機本身自己產生的,由晶體震盪電路組成的,具體指的就是計算機中的CPU時鍾晶元部分。一個CPU主頻可以是幾百兆上千兆,現在用的都是G級,比如2.4G、2.8G、3.2G等等,就是計算機的時鍾基準(時間基準)。因為:f=1/T 。實際時間,是指實時的時間,比如現在的實際時間是2018年12月2日19:36:16秒。網路中的時鍾,既有時間基準要求,更多的是實際時間的同步。時間基準要求是網路正常運行的基本保證,時間基準誤差太大,就會造成網路鏈接混亂,通信混亂。而實際時間不能同步,網路就會失去控制和管理的功能。