Applicazione dei protocolli TPSN ed FTSP per la
sincronizzazione di smart sensor nelle reti wireless
Contesto:
 Negli ultimi anni c’è stata grande diffusione delle reti di
sensori per applicazioni di misura
W1
Wn
Power Line
 Reti di sensori
 molti nodi
 collaborazione
Problema
Nasce la necessità di sincronizzare i nodi sensori
Nodo
N
Strumento di
misura N
Se i nodi sono collegati in maniera
wired con segnale di trigger allora
Se i nodi sono collegati in
sicuramente
ogni
strumento
maniera wireless si perde la
riceverà
il comando nello “stesso”
aleatorio
SistemiDisallineamento
sincronizzatipossibilità
di ricevere il comando
tempo degli altri compiendo così
nello stesso istante temporale.
una misura coerente.
Bus di comunicazione
In tale ambito sincronismo
vuol dire determinismo:
Nodo
1
Determinismo dell’inizio
dell’operazione
di misura
Strumento
di
misura 1
Nodo
2
Determinismo della durata
dell’operazione di misura
Strumento di
misura 2
Host
PC
Stato dell’arte
E diverse sono le soluzioni possibili:
Soluzioni hardware
Soluzioni software
Uso di dispositivi GPS
Uso di protocolli di sincronizzazione
 Elevata precisione
 Implementazione economica
 Prestazioni soddisfacenti
 Aumento costo
 Tempi di start-up
 Copertura del segnale
 Complessità computazionele
Problematiche della sincronizzazione wireless
•Esempio:
•2 orologi
• Differenza di ora (offset)
A
orario
B
1) B si vuole sincronizzare con A
2) A invia la sua ora a B
3) B riceve l’ora e modifica la sua
ora a quella di A
Attenzione:
B riceve l’ora non istantaneamente ma dopo un ritardo di propagazione quindi non si
sincronizza perfettamente
Problematiche della sincronizzazione wireless
•Esempio:
•2 orologi segnano la stessa ora
A
B
Dopo un periodo di tempo gli orologi
risultano non sincronizzati a causa
della temperatura invecchiamento del
componente ecc.
Attenzione:
Necessità di sincronizzare dopo un periodo di tempo
Protocolli di sincronizzazione
Si basano Scambio messaggi:
two-way
one-way
sender
timestamp
receiver
sender
timestamp
Sincronizzazione :
Sender-Receiver
Receiver-Receiver
receiver
Studi presenti in letteratura sulle reti di sensori wireless
protocolli
TPSN
Timing-sync Protocol for Sensor Networks
FTSP
Flooding Time Synchronization Protocol
BSB
Broadcast Synchronization over Bluetooth
RBS
Reference Broadcast Synchronization
PTP
Precision Time Protocol
ARSP
TSECM
(S. Ganeriwal, R. Kumar, M.B. Srivastava)
(M. Maròti, B. Kusy, G. Simon, À. Lédeczi)
(R. Casas, H.J. Gracia, A. Marco, J.L. Falco)
(J. Elson, L. Girod, D. Estrin)
(J. Kannisto, T. Vanhatupa, M. Hannikainen, T.D. Hamalainen)
Adaptive-Rate Time Synchronization Protocol
(D. Macii, D. Petri)
Time Synchronization with Extended Clock Model
(H. Liming)
Synchronization phase TPSN:funzionamento
Consideriamo una rete di due nodi
1) “A” invia un messaggio a T1
2) “B” riceve questo pacchetto a
T2= T1+Δ+d;
3) “B”risponde all’istante T3 con i
Δ = [(T2-T1) - (T4-T3)]/2
tempi T2,T3.
4) “A”al tempoT4= T3-Δ+d ha a tuti
d = [(T2-T1) + (T4-T3)]/2
i timestamp,T1,T2,T3,T4
5) “A” calcola offset e propagation
delay e aggiorna il proprio timer
Δ = offset
d = prop. delay
A
B
Perche?
Tra l'invio di un messaggio e la sua ricezione
c'è un ritardo aleatorio introdotto dal canale wireless
•
•
•
•
•
•
T2=T1+Δ+d+SA+RB
Calcolo offset
T4=T3-Δ+d+SB+RA
Δ = offset
d = prop. delay
Send time (aleatorio): tempo speso per
la costruzione del pacchetto per andare
dal livello applicazione al livello MAC,
dovuto al carico di lavoro della CPU.
(fino a 100ms)
Access time (aleatorio): tempo per
l'accesso al canale (da ms a s)
Trasmission time (deterministico):
tempo impiegato per trasmettere i bit di
dati (≈10ms)
Propagation time (deterministico):
tempo impiegato per la propagazione
sul link wireless (<1us)
Reception time (deterministico):
tempo impiegato per ricevere i bit e
passarli al livello MAC (≈10ms)
Receive time (aleatorio): tempo
impiegato dal pacchetto per andare dal
livello MAC al livello applicazione (fino
a 100ms)
[(T2-T1) - (T4-T3)]/2 =Δ +(SA-SB)/2+(RB-RA)/2
[(T2-T1)+(T4-T3)]/2 =d +(SA+SB)/2+(RB+RA)/2
Protocolli basati su regressione lineare: FTSP
Flooding Time Synchronization Protocol – Maróti, Kusy, Simon,
Lédeczi
Ts = timestamp del sender
Tr = timestamp del receiver = mTs + b
• Sincronizzazione temporale dell’intera rete con errori dell’ordine del
(tempo globale)
(tempo locale)
µs
• Scalabilità fino a centinaia di nodi
 Invio di Ts [1] per l’allineamento dei clock
 • Invio
di 8 timestamp
(Ts [2], Ts
il receiver
Robustezza
ai cambiamenti
di [9]),
topologia
della calcola
rete e ail’offset
guastiTs
di [n] – Tr
[n]
e salva gli 8edata
collegamenti
nodipoint risultanti (Ts [n], offset [n]), i quali vengono
impiegati per il calcolo della retta di regressione, rappresentante la retta
• che
Elevata
precisione igrazie
al timestamping
a l’errore
livello MAC e
meglio approssima
dati sperimentali
(minimizza
compensazione del clock drift e della variabilità della comunicazione
 quadratico)
Invio di Ts [10], il receiver registra il proprio tempo locale
Tr
[10],
linea
di regressione
mediante la regressione lineare
point
calcola il termine di correzione Δ = mTs [10] + b usando data
i coefficienti
errore
calcolati con la regressione e corregge il proprio tempo Tr
[10] = Tr [10]
+Δ