Опыт создания схемы временной синхронизации для самоорганизующейся беспроводной сенсорной сети




Скачать 78.52 Kb.
Дата06.09.2016
Размер78.52 Kb.

Опыт создания схемы временной синхронизации для самоорганизующейся беспроводной сенсорной сети

Я.Р.Файзулхаков, аспирант Института точной механики и вычислительной техники им. С.А.Лебедвева РАН


Беспроводные сенсорные сети состоят из множества узлов, которые собирают данные о физическом мире, обрабатывают и передают информацию посредством радиосвязи. Беспроводные сенсорные сети представляют собой новое быстро развивающееся направление в области компьютерных сетей свободной конфигурации. Сенсорные сети используются для наблюдения какого-либо параметрического поля, где часто возникает задача с высокой точностью фиксировать время регистрации событий. Высокая точность локальных часов также необходима для работы протоколов связи (это связано с принципом экономии энергии, для чего узлы большую часть времени находятся в спящем режиме и на связь выходят только периодически). В докладе приводится описание особенности решения задачи временной синхронизации в сенсорных сетях; даются результаты численного и натурного экспериментов нового метода синхронизации для сенсорной сети, узлы которой были введены в состав измерительных каналов распределенной САУ.

1. Введение

Высокая точность показаний локальных часов узлов сенсорных сетей требуется для организации ресурсосберегающего режима взаимодействия узлов, при котором в целях экономии энергии большую часть времени узлы находятся в спящем состоянии и на связь выходят только эпизодически [1]. Но не для всех приложений сенсорных сетей точность синхронизации локальных часов их узлов, поддерживаемая для реализации протоколов сетевого взаимодействия, будет достаточной. Именно для такого класса решений и разработан метод многозвенной трансляции временных шкал, описанный в данной работе.

Вначале рассмотрим причины, приводящие к нарушению временной синхронизации узлов сенсорных сетей.

Точность синхронизации. На (Рис. 1) показан масштаб и жизненный цикл синхронизации в сенсорной сети. Масштаб определяет множество синхронизирующихся узлов, а жизненный цикл – период, на который требуется поддержка часов в состоянии синхронизации. Итак, необходимо оценить точность синхронизации для узлов, составляющих масштаб синхронизации. Точность – это величина, которая неявно связана с ошибкой синхронизации. В то время как точность – скалярная агрегированная величина, характеризующая всю сеть, то ошибка синхронизации – это функция времени для одного узла. В качестве оценки точности целесообразнее использовать максимальную разницу в показаниях между эталоном и локальными часами узлов.

2. Причины временной рассинхронизации в сенсорных сетях

В беспроводных сенсорных сетях временные расхождения локальных часов возникают по двум основным причинам: в первую очередь из-за нестабильности кварцевого осциллятора, который задает локальную временную шкалу сетевого узла, а так же из-за недетерминированности задержек информационного взаимодействия между узлами.

Влияние нестабильности аппаратных часов и недетерминированности сетевых задержек на погрешность синхронизации требует более детального рассмотрения.

Влияние нестабильности часов может доминировать над влиянием задержек сетевого взаимодействия, в том случае, если обмены сообщениями в сети осуществляется относительно редко. В этом случае составляющая погрешности, зависящая от задержек при обмене информацией может считаться постоянной, а погрешность, связанная с частотой задающего генератора, может накапливаться с течением времени.

Вычислительная сложность и объем памяти, необходимые для обеспечения синхронизации, могут возрастать (иногда не линейно) с числом обменов сообщений. Поэтому повышение точности синхронизации времени в беспроводных сенсорных сетях с весьма ограниче
нными вычислительными ресурсами – нетривиальная задача.

3. Метод многозвенной трансляции временных шкал


Не смотря на большое количество предложенных методов временной синхронизации в сенсорных сетях, остается ряд не решенных проблем. Основная из которых – проблема многозвенной синхронизации.

На практике для решения проблемы многозвенной синхронизации используются, так называемые, алгоритмы временной диффузии [2]. Однако, не смотря на их универсальность, эти алгоритмы характеризуются низкой скоростью сходимости и высоким уровнем энергопотребления (в случае сетей с большим числом узлов), а также накладывают ограничения на масштабируемость сети, мобильность и автономность узлов, динамику сетевой топологии.

Для синхронизации локальных часов САУ производственного назначения на базе сенсорной сети, был разработан новый метод временной синхронизации – метод многозвенной трансляции временных шкал [3].

В
процессе разработки метода была построена математическая модель локальных часов и процессов временной синхронизации, максимально учитывающие специфические свойства сенсорной сети и особенности ее функционирования. На основе построенных моделей был разработан метод временной синхронизации, обеспечивающий заданную точность работы локальных часов и поддерживающий такие свойства сенсорных сетей, как масштабируемость и энергосберегающий характер функционирования.



Общее описание метода многозвенной трансляции временных шкал. Весь цикл работы алгоритма представлен тремя фазами:

  1. оценка локальных характеристик;

  2. трансляция временных меток;

  3. анализ временной информации на узле-приемнике.

Первая фаза состоит в неявном накоплении синхронизирующей информацию об узлах-соседях на протяжении всего жизненного цикла сенсорной сети. На данной стадии оценивается разность в показаниях и относительный дрейф локальных часов. Такие оценки вычисляются выполнением парных циклов синхронизации, для снижения числа сетевых обменов используется вероятностный подход.

Во второй фазе выполняется трансляция временных меток от узла-источника к базовому узлу (Рис. 2). По мере передачи временной метки по многозвенному маршруту от узла-источника к базовому узлу над ней выполняются транслирующие (Тр) преобразования в локальные временные шкалы узлов-ретрансляторов.

На заключительной третьей фазе для уточнения результата синхронизации анализируются метки, полученные по разным маршрутам. При этом учитывается влияние длины маршрута на погрешность многозвенной синхронизации.

И
сследование характеристик предложенного алгоритма многозвенной трансляции временных шкал.

Исследование созданной программной реализации алгоритма многозвенной трансляции временных шкал проводилось в два этапа:



  1. Имитационным моделированием, на специально разработанном программном комплексе;

  2. Натурным испытанием в составе САУ производственного назначения.

Описание численного эксперимента. Моделирование выполнялось на специально разработанном имитационном программном комплексе [3], базовыми блоками которого являются блоки-источники модельного времени и блок агрегации оценок мгновенных погрешностей схемы синхронизации.

Преимуществом алгоритма трансляции шкал времени является низкая обусловленность ошибки синхронизации к сетевой топологии; для демонстрации этого факта моделирование производилось на различных тестовых топологиях (Рис. 3).

Для обеспечения передачи временных меток по нескольким маршрутам (в тех случаях, когда это допускает выбранная топология) максимальная степень узлов бралась равной пяти. Узлы, в среднем, накапливали статистику о трех соседях.

Эксперимент проводился на различных длинах маршрутов. Для моделирования задержек был применен подход, предложенный в [4], в котором сетевые задержки распределены по нормальному закону. Математическое ожидание и дисперсия для каждой пары локальных часов выбирались индивидуально случайным образом.

Результаты имитационного моделирования, представленные диаграммой (Рис. 4), демонстрируют лучшее масштабное соотношение синхронизирующихся узлов для алгоритма многозвенной трансляции временных шкал, а, следовательно, более эффективное использование системных ресурсов перед подходами, основанными на диффузии временных шкал.

Описание натурного эксперимента. Испытания радиомодулей (узлов сенсорной сети) проводились на лабораторном комплексе для исследования электронных системы автоматизированного управления. Радиомодули были введены в состав измерительных каналов распределенной САУ. Испытания многозвенной конфигурации сети проводились по схеме (Рис. 5). Вторым узлом выполнялась фиксация параметрических данных и ретрансляция на базовый узел через первый узел.

Для
измерения точности синхронизации алгоритмом трансляции временных шкал был применим внешний механизм синхронизации. Каждый узел (Рис. 6) выполняет две процедуры синхронизации для пары локальных часов. Первая процедура – испытываемый алгоритм синхронизации (алгоритм трансляции временных шкал), использующий только средства несущей платформы. Вторая процедура – алгоритм, дающий гарантированно более высокую точность, чем первый, благодаря использованию ресурсов, которые введены для испытаний (кабельное соединение с высокой детерминированностью сетевых задержек). Такой подход обладает тем достоинством, что каждый узел может оценивать и сохранять локальную оценку точности. В конце эксперимента локальные погрешности агрегируются на базовом узле.




Для демонстрации рассинхронизации времени в сенсорной сети в процессе многозвенной передачи сообщений на (Рис. 7) представлены результаты измерений параметра. Временная шкала параметра P взята непосредственно со второго узла (более темная сплошная линия), и с базового узла, т.е. содержащая временные искажения (более светлая ломаная линия). На диаграмме видны временные расхождения, вызванные рассинхронизацией локальных часов сетевых узлов.

Одной из задач натурного эксперимента было доказательство устойчивости схемы синхронизации к реконфигурации сетевой топологии. На (Рис. 8) представлены результаты временных измерений в условиях мобильности сетевых узлов. Периодичность колебаний погрешности обусловлена изменением длины маршрута. При этом максимальная разность в показаниях локальных часов не превышает 20 мкс, но и не достигает субмикросекундной точности (точности эталонного источника времени базового узла).

Таким образом, при проведении испытаний подтвердилась работоспособность алгоритма в заданном интервале точности на маломощных вычислительных средствах, использовавшихся в сенсорной сети. В частности, в заключении об испытании беспроводных датчиков отмечено, что созданные радиомодули измерения температуры и давления обеспечивают устойчивую работу в беспроводной сети САУ.

Заключение

Разработанный метод многозвенной трансляции временных шкал обеспечивает высокую точность синхронизации локальных часов узлов сенсорных сетей независимо от длительности цикла синхронизации, что позволяет эффективно использовать сенсорные сети в приложениях, требующих высокой точности фиксации временных событий, в частности в задачах автоматизации научных исследований и контроля параметрических пространств сложных объектов и систем. Практическая апробация данного метода, реализованного в составе программного обеспечения сенсорной сети производственного назначения, подтвердила теоретически исследованные свойства метода, а также его практичность.



Литература

  1. Файзулхаков Я.Р. “Обзор методов синхронизации времени в сенсорных сетях” // Программирование. -2007. -No. 4.

  2. W. Su and I. F. Akyildiz. Time-diffusion synchronization protocol for sensor networks. IEEE/ACM Transactions on Networking, 13(2): 384–397, 2005.

  3. Файзулхаков Я. Р. Многозвенная трансляция временных шкал в беспроводных сенсорных сетях //Сборник научных трудов 49-ой научной конференции МФТИ «современные проблемы фундаментальных и прикладных наук», секция «радиотехника и кибернетика», Москва—Долгопрудный 2006 г.

  4. K. Roemer. Time synchronization in ad hoc networks. In Proceedings of the 2nd ACM Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing (MobiHoc), pages 173–182, Long Beach, California, October 2001.



База данных защищена авторским правом ©infoeto.ru 2016
обратиться к администрации
Как написать курсовую работу | Как написать хороший реферат
    Главная страница