Kommunikation in drahtlosen Sensornetzen Zeitsynchronisation in drahtlosen Sensornetzen (DSN) Michael Oeste - 674177 Michael Oeste 12.02.2007-1 / 27
Inhalt Problematik der Zeitsynchronisation Zeit Synchronisation (klassische Netze) Anforderungen in drahtlosen Sensornetzen Spezielle Verfahren RBS HRTS TPSN Fazit Michael Oeste 12.02.2007-2 / 27
Problematik der Zeitsynchronisation Zeit Physikalische Größe Mit Hilfe periodisch wiederkehrender Ereignisse gemessen: Cäsium 133 (Atomuhr) Quarz (Armbanduhr) Oszillatoren (Rechner) Die Zeit eines Rechner ist ein Zählerwert in einem Register Michael Oeste 12.02.2007-3 / 27
Problematik der Zeitsynchronisation Problem: diese Zustandswechsel finden unterschiedlich oft statt Mittelwertsbildung (UTC) Synchronisation (Rechner, Armbanduhren,...) Klassisch: Uhrenvergleich Rechner: Austausch von Zeitinformationen z.b.: NTP Michael Oeste 12.02.2007-4 / 27
Problematik der Zeitsynchronisation Intern synchron Mehrere Uhren zeigen die gleiche Zeit an Nicht orientiert an einer externen Quelle Z.B.: Rechnernetz mit Zeitserver Extern synchron Alle Uhren zeigen die gleiche Zeit an Diese Zeit wird von außen bereitgestellt Z.B.: Rechnernetz mit Zeitserver, der über das Internet synchronisiert Michael Oeste 12.02.2007-5 / 27
Problematik der Zeitsynchronisation NTP Zeitserver (primär) Genaue Zeitinformationen Funkuhr GPS-Empfänger Weitere Zeitserver Synchronisieren sich mit primärem Zeitserver Hierarchie: stratum (lat. Schicht) gibt Entfernung zum primären Server an Michael Oeste 12.02.2007-6 / 27
Problematik der Zeitsynchronisation Client schickt Anfrage: t 1 Server empfängt Anfrage: t 2 Server schickt Antwort: t 3 Client empfängt Antwort: t 4 Michael Oeste 12.02.2007-7 / 27
Problematik der Zeitsynchronisation Die geantwortete Zeitinformation ist ungenau (nicht aktuell zum Zeitpunkt t 4 ) Korrektur: Alle vier Zeiten werden gespeichert und übertragen Dadurch kann der Client die Zeit korrigieren Offset= t 2 t 1 t 4 t 3 2 Michael Oeste 12.02.2007-8 / 27
Problematik der Zeitsynchronisation Problem: unter allgemeinen Bedingungen noch ungenau Michael Oeste 12.02.2007-9 / 27
Anforderungen in DSN Energieeffizienz Begrenzte Energie durch Batterie Rechenunintensiv Begrenze Rechenleistung Dynamisch Sensornetze strukturiert wie ad hoc Netzwerk Michael Oeste 12.02.2007-10 / 27
Anforderungen in DSN Genauigkeit Je nach Anwendungsfall bis in den Mikrosekundenbereich Korrektur des Uhrendrifts Anders ist die geforderte Genauigkeit nicht möglich Linearität Die gleiche Zeit darf nicht zweimal auftreten Michael Oeste 12.02.2007-11 / 27
Spezielle Verfahren für DSN Warum nicht NTP Erreicht selbst unter optimalen Bedingungen in LANs nur eine Genauigkeit im Millisekundenbereich Statisches Verfahren (Client/Server) Hoher Energieverbrauch Michael Oeste 12.02.2007-12 / 27
Spezielle Verfahren für DSN GPS Sehr genau Je nach Anzahl verfügbarer Satelliten wird der Mikrosekundenbereich erreicht Zu teuer Sensornetz-Knoten sollten wenige Euro kosten Energieverbrauch Eingesetzt, um Masterzeiten in ein Sensornetz einzuspeisen Michael Oeste 12.02.2007-13 / 27
Spezielle Verfahren für DSN - RBS Zwei Strategien Sender-/Empfängersynchronisation (z.b.: NTP) Empfänger-/Empfängersynchronisation Reference broadcast synchronisation (RBS) 2002, University of California Umgehen der Signallaufzeiten Empfänger-/Empfängersynchronisation Multicastnachrichten Michael Oeste 12.02.2007-14 / 27
Spezielle Verfahren für DSN - RBS (R) sendet ein Datenpaket an alle direkten Nachbarn. Jeder Nachbar merkt sich seine lokale Empfangszeit. Michael Oeste 12.02.2007-15 / 27
Spezielle Verfahren für DSN - RBS (B) versendet an alle Knoten seine Empfangszeit. Das gleiche machen auch alle anderen Knoten. Michael Oeste 12.02.2007-16 / 27
Spezielle Verfahren für DSN - RBS Auf diese Weise können alle Knoten eine Tabelle erstellen, in der die Zeitdifferenzen zu den jeweiligen Knoten notiert sind Ereignisse stehen nun in einem zeitlichen Zusammenhang Signallaufzeiten spielen nun nur noch beim Versand des Reference-Becons eine Rolle Austausch der Empfangszeiten ist zeitunkritisch Genauigkeit von elf Mikrosekunden erreichbar Michael Oeste 12.02.2007-17 / 27
Spezielle Verfahren für DSN - HRTS Hierarchy referencing time synchronisation (HRTS) Entwickelt von Dai und Han Basiert ebenfalls auf Broadcast-Nachrichten Spezielle Synchronisationspakete Ausgehend von bestimmten Knoten (Basis) sync_begin-paket besteht aus Level und Empfänger Michael Oeste 12.02.2007-18 / 27
Spezielle Verfahren für DSN - HRTS (B) schickt sync_begin mit Empfänger (I) Michael Oeste 12.02.2007-19 / 27
Spezielle Verfahren für DSN - HRTS Alle Knoten in Reichweite von (B) empfangen das sync_begin (I) schickt eine Antwort (Ankunftszeit t 2, Sendezeit t 3 ) Alle anderen Knoten merken sich die lokale Empfangszeit des sync_begin-paketes Michael Oeste 12.02.2007-20 / 27
Spezielle Verfahren für DSN - HRTS (B) ist in der Lage, wie bei NTP den Offset zu berechnen Offset B, I = t 2 t 1 t 4 t 3 2 (B) überträgt den Offset zusammen mit der Empfangszeit des synch_begins von (I) als Broadcast (I) korrigiert seine Uhr Die Knoten (J-M) korrigieren ihre Uhren zunächst um den Betrag, um den die eigenen Empfangszeiten von sync_begin abweichen, dann um den Offset zwischen B und I Michael Oeste 12.02.2007-21 / 27
Spezielle Verfahren für DSN - HRTS Übertragungszeiten (B-I) und (B-J) sind gleich (Lichtgeschwindigkeit, Reichweite) Michael Oeste 12.02.2007-22 / 27
Spezielle Verfahren für DSN - HRTS Es können mehrere Knoten in einem Sensornetz Basis sein (Level 0) Übertragen Level 0 Jeder andere Empfänger initialisiert einen Level mit dem Wert Jeder Empfänger wird auch zum Sender, Level 1 Pakete werden nur empfangen, wenn der Level kleiner als der eigene ist Michael Oeste 12.02.2007-23 / 27
Spezielle Verfahren für DSN - TPSN Timing-sync protocol for sensor networks (TPSN) Synchronisation zwischen zwei Knoten wie bei NTP Synchronisation unterteilt sich in zwei Phasen Baum wird aufgespannt Synchronisation Michael Oeste 12.02.2007-24 / 27
Spezielle Verfahren für DSN - TPSN Baum aufspannen Jeder Master (Knoten mit genauer Zeitinformation) schickt ein level_discovery-paket Enthält seine Identität und den Level (Master 0) Jeder Knoten, der diese empfängt: Übernimmt den Level+1 Sendet wiederum ein level_discovery-paket Michael Oeste 12.02.2007-25 / 27
Spezielle Verfahren für DSN - TPSN Synchronisation Die Wurzeln (Level 0) initiieren die Synchronisation, sie schicken eine Aufforderung an alle direkten Nachbarn (Level 1) Alle direkten Nachbarn warten eine zufällige Zeit Dann synchronisieren sie analog zu NTP Die nun Synchronisierten (Level 1) starten ihrerseits eine Synchronisation mit den direkten Nachbarn (Level 2)... Optimierung: Zeitstempel werden auf der MAC-Ebene hinzugefügt Michael Oeste 12.02.2007-26 / 27
Fazit Unterschiedliche Verfahren für unterschiedliche Anwendungen Abwägung Energieverbrauch Genauigkeit Schichtenübergreifendes Problem Kein Zugriff auf untere Schichten RBS, HRTS Zugriff auf untere Schichten Nachteil der Sender-/Empfängersynchronisations- Verfahren größtenteils durch starke Verzahnung ausgleichbar Michael Oeste 12.02.2007-27 / 27