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有线时间同步和无线时间同步的讲解

来源: | 发布日期:2022-03-07
所有有线或无线网络中的时间同步都很重要。它允许网络上节点之间的有效通信。然而,它对于无线网络尤其重要。无线节点中的同步允许在多跳无线网络上使用TDMA算法。无线时间同步用于许多不同的目的,包括位置、接近度、能源效率和移动性等等。

在部署节点的传感器网络中,它们的确切位置是未知的,因此使用时间同步来确定它们的位置。此外,时间戳消息将在节点之间传输,以确定它们彼此之间的相对接近程度。时间同步用于节能;它将允许节点休眠给定时间,然后定期唤醒以接收信标信号。许多无线节点都是电池供电的,因此节能协议是必要的。节点之间有共同的时序将允许确定移动节点的速度。

同步的需求是显而易见的。除了确定位置、接近度或速度等许多用途外,还需要它,因为硬件时钟并不。振荡器存在变化,时钟可能会漂移,并且在节点之间观察到的事件时间间隔的持续时间不会相同。需要时间和时间同步的概念,尤其是在无线网络中。

有线时间同步和无线时间同步的讲解

1.1 有线网络时间同步

对于有线网络,常见的两种时间同步方法。网络时间协议和全球定位系统 (GPS) 都用于时间同步。这两种协议都不适用于无线同步。两者都需要无线网络中不可用的资源。
网络时间协议需要一个准确的时钟,通常是带有原子钟的服务器。想要与服务器同步的客户端计算机将发送一个请求时间信息的UDP数据包。然后服务器将返回计时信息,因此计算机将同步。由于许多无线设备由电池供电,因此具有原子钟的服务器对于无线网络来说是不切实际的。

GPS 需要无线设备与卫星通信才能同步。这需要在每个无线设备中都有一个GPS接收器。同样由于功率限制,这对于无线网络来说是不切实际的。传感器网络也由廉价的无线节点组成。每个无线节点上的GPS接收器会很昂贵,因此不可行。GPS的时间精度取决于接收器在给定时间可以与多少卫星通信。这并不总是相同的,因此时间精度会有所不同。此外,全球定位系统设备依赖于与卫星的视线通信,这在部署无线网络的地方可能并不总是可用。

无线网络的限制不允许传统的有线网络时间同步协议。无线网络受限于大小、功率和复杂性。网络时间协议和GPS都不是针对这种限制而设计的。

1.2 无线网络时间同步

时间同步的定义并不一定意味着所有时钟在整个网络中都匹配。这将是严格的同步形式,也是难实现的。准确时钟同步并不总是必不可少的,因此可以使用从宽松到严格的协议来满足您的需求。
无线网络的同步方法有三种基本类型。个是相对时间,也是简单的。它依赖于消息和事件的顺序。基本思想是能够确定事件1是否在事件2之前发生。只需比较本地时钟以确定顺序即可。 时钟同步并不重要。
下一种方法是相对时序,其中网络时钟相互独立,节点跟踪漂移和偏移。通常,一个节点会保存有关其与相邻节点相对应的漂移和偏移量的信息。节点能够随时将其本地时间与另一个节点本地时间同步。大多数同步协议都使用这种方法。
一种方法是全局同步,其中整个网络都有一个恒定的全局时间尺度。这显然是复杂和难实现的。很少有同步算法使用这种方法,特别是因为这种类型的同步通常不是必需的。
图 1 - 数据包延迟组件的细分
图 1 - 数据包延迟组件的细分

如图 1 所示,所有的无线同步方案都有四个基本的数据包延迟分量:发送时间、访问时间、传播时间和接收时间。发送时间是发送者构造时间消息在网络上传输的时间。访问时间是访问网络时MAC层延迟的时间。这可能正在等待以 TDMA 协议传输。比特在介质上物理传输的时间被认为是传播时间。接收时间是接收节点处理消息并将其传送给主机。时间同步的主要问题不仅在于存在这种数据包延迟,而且难以预测每个数据包所花费的时间。任何这些将大大提高同步技术的性能。

如图所示,时间同步或无线网络有许多不同的变体。它们的范围从非常复杂且难以实施到更简单且易于实施。无论使用哪种方案,所有同步方法都有四个基本组成部分:发送时间、访问时间、传播时间和接收时间。
有许多同步协议,其中许多彼此没有太大区别。与任何协议一样,基本思想始终存在,但改进缺点是不断发展的。将详细讨论三种协议:参考广播同步 (RBS)、传感器网络定时同步协议 (TPSN) 和泛洪时间同步协议 (FTSP)。这三种协议是目前用于无线网络的主要定时协议。还有其他同步协议,但这三个很好地说明了不同类型的协议。这三个包括发送方到接收方的同步以及接收方到接收方。此外,它们还涵盖单跳和多跳同步方案。

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