Applicazione dei protocolli TPSN ed FTSP per la

sincronizzazione di smart sensor nelle reti wireless

W1Wn

Power Line

Contesto:

Negli ultimi anni c’è stata grande diffusione delle reti di sensori per applicazioni di misura

Reti di sensori

molti nodi collaborazione

Problema

Nasce la necessità di sincronizzare i nodi sensori

Determinismo dell’inizio dell’operazione di misura

Determinismo della durata dell’operazione di misura

In tale ambito sincronismo vuol dire determinismo:

Disallineamento aleatorioSistemi sincronizzati

Nodo 1

Strumento di misura 1

Nodo 2

Strumento di misura 2

Nodo N

Strumento di misura N

Host PC

Bus di comunicazione

Se i nodi sono collegati in maniera wired con segnale di trigger allora sicuramente ogni strumento riceverà il comando nello “stesso” tempo degli altri compiendo così una misura coerente.

Se i nodi sono collegati in maniera wireless si perde la possibilità di ricevere il comando nello stesso istante temporale.

Stato dell’arte

Soluzioni software

E diverse sono le soluzioni possibili:

Soluzioni hardware

Uso di dispositivi GPS

Elevata precisione

Aumento costo Tempi di start-up Copertura del segnale

Uso di protocolli di sincronizzazione

Implementazione economica Prestazioni soddisfacenti

Complessità computazionele

A B

Problematiche della sincronizzazione wireless

• Esempio:• 2 orologi• Differenza di ora (offset)

orario

Attenzione:

B riceve l’ora non istantaneamente ma dopo un ritardo di propagazione quindi non si sincronizza perfettamente

1) B si vuole sincronizzare con A2) A invia la sua ora a B3) B riceve l’ora e modifica la sua

ora a quella di A

Problematiche della sincronizzazione wireless

• Esempio:• 2 orologi segnano la stessa ora

A B

Attenzione:

Necessità di sincronizzare dopo un periodo di tempo

Dopo un periodo di tempo gli orologi risultano non sincronizzati a causa della temperatura invecchiamento delcomponente ecc.

Protocolli di sincronizzazione

Si basano Scambio messaggi:

receiversender timestamp

one-way

receiversendertimestamp

two-way

Sincronizzazione :

Sender-Receiver Receiver-Receiver

protocolli

TPSN Timing-sync Protocol for Sensor Networks(S. Ganeriwal, R. Kumar, M.B. Srivastava)

FTSP Flooding Time Synchronization Protocol(M. Maròti, B. Kusy, G. Simon, À. Lédeczi)

BSB Broadcast Synchronization over Bluetooth(R. Casas, H.J. Gracia, A. Marco, J.L. Falco)

RBS Reference Broadcast Synchronization(J. Elson, L. Girod, D. Estrin)

PTP Precision Time Protocol(J. Kannisto, T. Vanhatupa, M. Hannikainen, T.D. Hamalainen)

ARSP Adaptive-Rate Time Synchronization Protocol(D. Macii, D. Petri)

TSECM Time Synchronization with Extended Clock Model(H. Liming)

Studi presenti in letteratura sulle reti di sensori wireless

Synchronization phase TPSN:funzionamento

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

tempi T2,T3.

4) “A”al tempoT4= T3-Δ+d ha a tuti

i timestamp,T1,T2,T3,T4

5) “A” calcola offset e propagation

delay e aggiorna il proprio timer

Δ = [(T2-T1) - (T4-T3)]/2

d = [(T2-T1) + (T4-T3)]/2

BA

Δ = offset d = prop. delay

Consideriamo una rete di due nodi

Perche?

[(T2-T1) - (T4-T3)]/2 =Δ +(SA-SB)/2+(RB-RA)/2

Δ = offset d = prop. delay

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

T4=T3-Δ+d+SB+RA

Calcolo offset

• 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 =d +(SA+SB)/2+(RB+RA)/2

Protocolli basati su regressione lineare: FTSP

Flooding Time Synchronization Protocol – Maróti, Kusy, Simon, Lédeczi

• Sincronizzazione temporale dell’intera rete con errori dell’ordine del µs

• Scalabilità fino a centinaia di nodi

• Robustezza ai cambiamenti di topologia della rete e ai guasti di collegamenti e nodi

• Elevata precisione grazie al timestamping a livello MAC e compensazione del clock drift e della variabilità della comunicazione mediante la regressione lineare

Invio di Ts [1] per l’allineamento dei clock

Ts = timestamp del sender (tempo globale)

Tr = timestamp del receiver = mTs + b(tempo locale)

Invio di 8 timestamp (Ts [2], Ts [9]), il receiver calcola l’offset Ts [n] – Tr [n] e salva gli 8 data point risultanti (Ts [n], offset [n]), i quali vengono impiegati per il calcolo della retta di regressione, rappresentante la retta che meglio approssima i dati sperimentali (minimizza l’errore quadratico)

linea di regressione

data point

errore

Invio di Ts [10], il receiver registra il proprio tempo locale Tr [10], calcola il termine di correzione Δ = mTs [10] + b usando i coefficienti calcolati con la regressione e corregge il proprio tempo Tr [10] = Tr [10] + Δ