無線傳感時間同步學習------RBS協議


2002年12月,Jeremy Elson等提出參考廣 MB3881PFF-G-BND-E1 播同步機制(Reference Broadcast Synchronization,RBS),該機制利用了無線數據鏈路層的廣播信道特性,一個節點發送廣播消息,接收到廣播消息的一組節點通過比較各自接收到廣播消息的同步時刻,來實現它們之間的時間同步。消息延遲中,發送時間和訪問時間依賴於發送節點CPU和網絡的瞬間負荷,所以隨時間變化比較大且難於估計,是時間同步誤差非確定因素的最主要部分。而廣播消息相對所有接收節點而言,它的發送時間和訪問時間都是相同的。通過比較接收節點之間的時間,就能夠從消息延遲中抵消發送時間和訪問時間,從而顯著提高局部網絡內節點之間的同步精度。

    RBS算法通過接收節點對時抵消發送時間和訪問時間,發送節點廣播一個信標分組,廣播域中兩個節點都能接收到這個分組,交換接收時間,兩個接收時間的差值相當於兩個接收節點間的時間差值,其中一個節點可以根據這個時間差值更改它的本地時間,從而實現兩個節點的時間同步,如圖4-19所示。

                           
    RBS機制中不是通告發送節點的時間值,而是通過廣播同步指示分組實現接收節點間的相對時間同步。beacon分組本身並不需要攜帶時標,何時准確發送出去也不是非常重要的,正是由於無線信道的廣1播特性,beacon分組相對所有接收節點而言同時發送到物理信道上,才能夠去除發送時間和訪問時間引入的時間同步誤差。
    對於傳播時間,RBS機制只關心各個接收節點之間消息傳播時間的差值,對於RF信號來說這種傳播時間差值非常小,所以RBS機制忽略了傳播時間帶來的時間偏差。如果用聲音作為信息傳輸手段,因為聲音的傳播速度較慢,所以這種傳播時間偏差將不能忽略。

                             
    分組的接收時間主要由接收節點底層硬件決定。系統時鍾能夠在分組接收中斷時間時讀取,這就去除了接收節點的接收協議處理、上下文切換和網絡接口向主機傳送等時間。同樣兩個節點的接收時間差值對RBS機制才具有意義,接收時間差值相對很小,RBS機制也忽略了接收時間差值。
    影響RBS杌制性能的主要因素包括接收節點間的時鍾偏差、接收節點非確定因素和接收節點的個數等。為了提高時間同步精度,RBS機制采用了統計技術通過發送節點發送多個消息,獲得接收節點之間時間差異的平均值。對於時鍾偏差問題,采用了最小平方的線性回歸方法進行線性擬合,直線斜率就是兩個節點的時鍾偏差,直線上的點表示節點間的時間差異。
    RBS機制可用於多跳網絡,如圖4-20所示。非鄰居節點A和B分別發送beacon分組,在相同廣播域內的接收節點之間能夠時間同步,節點4處於兩個廣播域的交集處,能夠接收節點A和節點B兩者發送的beacon分組,這使得節點4能夠同步兩個廣播域內節點間的時間。
    為了得到網絡中時間的全局時間信息,需要進行多跳網絡中的時間轉換。考慮發生在節點1和節點7附近的兩個事件,分別記為Ei和E7。假設節點A和節點B分別在只和Pb時間點發送beacon分組,節點1在接收到節點A發送的分組后2s觀察到事件Ei,節點7在觀察到事件局后4s才收到節點B發送的beacon分組。其他節點從節點4知道節點A發送分組比節點B晚lOs,Pa=Pb +10,由此推出:曩=E7 +16。傳統多眺網絡的時間同步方法是節點重新廣播它收到的時間信息,RBS機制不依賴於發送節點與接收節點的時間關系,從消息延遲中去除所有發送節點的非確定因素,減少了每跳的誤差積累。
    RBS機制利用信道的廣播特性來同步接收節點時間,去除了時間同步誤差中所有發送節點引入的部分,比采用往返時間的時間同步機制具有更高的精度。RBS機制的時間同步精度主要由接收節點接收時間差決定,如果接收時間存在較大差異,就降低RBS機制的時間同步精度。通過多次廣播分組獲得平均值,能夠提高RBS機制的時間同步精度。RBS機制可以用來構造邏輯時間,對於需要時間同步但不需要絕對時間的傳感器網絡非常有用。
    對於兩個接收節點,RBS機制需要3個發送消息和4個接收消息。對於單個廣播域內的陽個節點和m個廣播信息,RBS機制的復雜度是0(mn)。在實際傳感器網絡中,發送節點往往也需要同步,需要另一個節點成為發送節點。多跳網絡要保證簇之間有共同節點,誤差隨跳數增加而增加。
    傳感器網絡存在能量約束,為了節省傳感器節點的能量,最好盡可能長地讓它們保持在低功耗的睡眠狀態。基於這種考慮,J.Elson提出了后同步(post-fact)的思想,就是通常情況下節點的時間不必同步,只有監測到一個事件發生時,節點才首先用它的本地時間記錄事件發生時間,然后采用RBS機制,一個“第三方”節點廣播beacon消息給區域內的所有節點,接收節點利用這個同步消息作為一個瞬間的時間參考點,同步它們監測到的事件發生時間。
    后同步機制能夠實現瞬間的節點問時間同步,但是受限於廣播beacon分組的傳輸范圍,它不適應於需要長距離或長時間通信的時間同步。使用這種算法可以構造精確的局部時間,如波束形成、定位以及需要比較信號相對到達時間的傳感器應用。


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