فهرست مطالب:

2. عنوان مقاله: مروری بر الگوریتم های همگامسازی ساعت در شبکه های حسگر بیسیماستاد : دکتر اسماعیل پوردانشجو :سمیه اسکندر نژاددانشگاه آزاد اسلامی واحد همدانزمستان 92

3. فهرست مطالب: • همگام سازی ساعت جهانی در شبکه های حسگر • پروتکل تحمل پذیر خطا برای شبکه های حسگر بدون سیم(FTSP) • همگام سازی ساعت اجماع برای شبکه های حسگر(CCS) • همگام سازی ساعت مبتنی بر SFD • مقایسه الگوریتم ها • نتیجه گیری • منابع • چکیده • مقدمه • انواع هماهنگ سازی • همگام سازی پخش فراگیر(RBS) • پروتکل همگام سازی Timingبرای شبکه های حسگر(TPSN) • همگام سازی بر اساس درخت سبک وزن(LTS) • پروتکل جاری شدن زمان همگام سازی (FTSP)

4. چکیده:مسئله همگام سازی یک مسئله مهم در شبکه های حسگر بی سیم به این دلیل که برای بسیاری از کارهای مشارکتی هماهنگی زمانی لازم داریم یک مسئله مهم محسوب می شود. به عنوان مثال در ترکیب داده ها، ردیابی هدف، تخمین سرعت، تنظیم کردن حالت خواب گره ها به منظور طولانی تر شدن عمر باتری آنها مواردی از این قبیل هستند.چندین روش برای همگام سازی ساعت در شبکه های حسگر بی سیم ارائه شده است که این روشها را در این مقاله بررسی می کنیم.

5. مقدمه:برای تعیین نوع همگام سازی باید عوامل زیر را در نظر داشتبهره وری انرژیمقیاس پذیریدقتپایداریطول عمردامنههزینه

6. انواع همگام سازی دو روش برای همگام سازی داریم:1) روش همگام سازی خارجی، در این روش گره ها زمان را از منبع دیگری که دارای یک زمان استاندارد است دریافت می کنند، که این روش تحت عنوان همگام سازی جهانی شناخته می شود.2) همگام سازی داخلی در این روش گره ها بروی یک ساعت خاص در شبکه به توافق می رسند. اگر چه ممکن است این زمان مطابق با زمان جهانی نباشد

7. الگوریتمهایی که تاکنون برای همگام سازی ارائه شده است:همگام سازی پخش فراگیر(RBS)پروتکل همگام سازی Timing برای شبکه های حسگر(TPSN)همگام سازی بر اساس درخت سبک وزن(LTS)پروتکل جاری شدن زمان همگام سازی (FTSP)همگام سازی ساعت جهانی در شبکه های حسگرپروتکل تحمل پذیر خطا برای شبکه های حسگر بدون سیم(FTSP)همگام سازی ساعت اجماع برای شبکه های حسگر(CCS)همگام سازی ساعت مبتنی بر SFD

8. همگام سازی پخش فراگیر(RBS)دو این روش توسط Elson و Estrin در سال 2002 پیشنهاد شد. در این روش فرض نمی شود فقط یک گره وجود دارد که مسئول ارائه زمان واقعی است. و به جای اینکه گره ها زمان دقیق UTC را نگهداری کنند یک همگام سازی داخلی انجام می شود.به این ترتیب که فرستنده پیام مرجعی را پخش فراگیر می کند و به گیرنده آن اجازه می دهد تا ساعت خود را تنظیم کند. مزیت ها:بزرگترین منبع تاخیر غیر قطعی را می توان با به کار بردن کانالهای پخش فراگیر از مسیر بحرانی حذف کرد.پخش های فراگیر متعدد همگام سازی بهتر و محکم تری را امکانپذیر می کند.RBSمی تواند با استفاده از مهرهای زمانی محلی کار کند و مرجع زمانی مطلق مورد نیاز نیست.معایب:این روش محدودیت های خاصی هم دارد من جمله اینکه فقط با شبکه هایی کار می کند که کانال پخش فراگیر فیزیکی داشته باشند و نمی تواند در شبکه های با لینک های نقطه به نقطه کار کند.

9. پروتکل همگام سازی Timingبرای شبکه های حسگر(TPSN)این روش توسط Ganeriwalو همکارانش در سال 2003 ارائه شده است. هدف این پروتکل به وجود آوردن یک همگام سازی در سطح شبکه است. تفاوت بین RBS و پروتکل TPSNاین است که،TPSN رویکرد کلاسیک همگام سازی گیرنده به فرستنده را استفاده می کند در حالی که RBSرویکرد گیرنده به گیرنده را به کار می برد. این الگوریتم دو فاز دارد، فاز اول"فاز تعیین سطح" نام دارد که طی این فاز به هر گره یک شماره سطح اختصاص داده می شود. و فاز دوم "فاز همگام سازی " نام دارد که در این فاز گره سطح i تا گره سطح i-1 هماهنگسازی می شود.معایب: در صورت خرابی گره ریشه باید گره جدیدی به عنوان ریشه انتخاب شده و فاز تعیین سطح دوباره تکرار شود.مزایا: با استفاده از تجزیه و تحلیل می توان نشان داد این روش تقریبا دو برابر روش rbs کارائی دارد.

10. همگام سازی بر اساس درخت سبک وزن(LTS)این روش توسط Greunen و Rabaey در سال 2003 ارائه شد و هدف آن به حداکثر رساندن میزان صحت دقت و صحت نیست بلکه هدف آن کاهش میزان پیچیدگی همگام سازی است. نویسنده ها اعتقاد دارند نیاز به دقت و صحت در شبکه های حسگر تقریبا کم است. دو الگوریتمLTSبرای همگام سازی گره های شبکه ارائه شده است.الگوریتم اول: این الگوریتم یک الگوریتم متمرکز است. یک درخت پوشا ابتدای کار ساخته می شود و سپس گره ها در طول (n-1) لبه از درخت پوشا همگام سازی می شوند. الگوریتم دوم: به یک شیوه توزیع شده کار می کند. هر گره ای می تواند برای زمان همگام سازی خود تصمیم بگیردعیب این روش این است که در مقابل خطا تحمل پذیر نیست مزیت این روش این است که ممکن است برخی از گره ها نیازی نداشته باشند تا مکراراً همگام سازی شود و از آنجائیکه که در این روش گره ها در مورد همگام سازی خودشان تصمیم می گیرند، تلاشی برای همگام سازی غیر ضروری انجام نمی شود.

11. پروتکل جاری شدن زمان همگام سازی(FTSP)این روش توسط Maroti و همکارانش در سال 2004 ارائه شده است. این روش یک همگام سازی multi-hop را فراهم می کند. گره ریشه به صورت پویا انتخاب می شود و زمان جهانی را نگهداری می کند و سایر گره ها ساعت خود را با گره ریشه هماهنگ می کنند. یک ساختار ad-hoc توسط گره برای انتقال زمان جهانی از ریشه به سایر گره ها به وجود آمده است . یک گره به منظور همگام سازی سایر گره ها یک پیام همگام سازی را پخش فراگیر می کند و این پیام حاوی سه فیلد است که عبارتند از: RootID و seqNum و مهر زمانی. مزایا: در برابر خرابی لینک ها . گره ها و تغییرات توپولوژی شبکه مقاوم تر است.

12. همگام سازی ساعت جهانی در شبکه های حسگراین روش در سال 2006 توسط Q. Li و همکارانش ارائه شده است. هدف این مقاله هماهنگ سازی جهانی در یک شبکه حسگر می باشد. و چهار روش بدین منظور ارائه شده است که این روشها عبارتند از :روش مبتنی بر تمام گره ها: این روش برای تمام گره های سیستم استفاده می شود و زمانی این روش می تواند کارآمد باشد که اندازه شبکه کوچک است. همزمان سازی بر مبنای خوشه: در این حالت یک روش یکسان برای همزمان­سازی تمام سرخوشه ها استفاده شده است. با طراحی یک مسیر پیام که شامل تمام سرخوشههاست اینکار انجام می گیرد. و در مرحله بعدی هر گره ای با سرخوشه خود هماهنگ می شود.

13. همگام سازی ساعت جهانی در شبکه های حسگر(2)این روش تحمل خطا: در اینجا بعضی از گره ها تحت عنوان Tamper-proof شناخته می شوند که به آنها گره N و به سایر گره های عادی گره M می گوییم. یک گره Tamper-proof وقتی در معرض خطر قرار بگیرد خودش را از بین می برد و اینکار متضمن این مطلب است که شبکه قابلیت اعتماد بالایی دارد. روش انتشار: ایده اصلی در این روش به محاسبه میانگین زمان خواندن تمام ساعتها است. یک گره با خواندن زمان ساعت زیاد زمانی را منتشر می کند که به همسایه او نسبت داده شده است و یک گره با خواندن زمان ساعت کمتر چند مقدار را از همسایگانش می گیرد و مقدار آنها را کاهش می دهد. و به این ترتیب بعد از چند دور معین از انتشار، ساعتهای شبکه ساعت یکسانی را خواهند داشت.عیب این روش این است که در مقابل خطا تحمل پذیر نیست و در برابر تغییر مقیاس شبکه کارائی آن کاهش می یابد. مزیت بزرگ این روش قابلیت اعتماد بالای آن است و با وجود برخی گره های مخرب که دارای خطای بیزانس هستند می توان به یک همگام سازی زمانی در طول شبکه رسید .

14. پروتکل تحمل پذیر خطا برای شبکه های حسگر بدون سیماین پروتکل در سال 2010 توسط L. Gheorghe و همکارانش معرفی شده است. و در واقع اصلاحیه ای بر پروتکل جاری شدن زمان همگام سازی می باشد به طوری که این روش حتی در صورت وجود گره های مخرب همگام سازی را به وجود می آورداین روش سه مرحله دارد که عبارتند از تشخیص خطا، درخواست کمک و دریافت کمک و تصمیم گیری.تشخیص خطا: در این مرحله گره آگاه می شود که یک مقدار را به عنوان ساعت دریافت کرده است که با ساعت خودش ناهماهنگ است در مرحله دوم یک پیام که حاوی درخواست کمک برای آخرین زمان جهانی دریافت شده از سوی یک گره همگام سازی شده است را ارسال می کند. دریافت کمک و تصمیم گیری: در این مرحله گره تصمیم می گیرد آیا مقدار واقعا اشتباه بوده است یا نه. و جدول رگرسیون پاک شده و مقدار جدید ذخیره می شود. و یا یک نقطه مرجع جدید محاسبه شده و در جدول رگرسیون درج می شود.مزیت این روش تحمل پذیری کامل الگوریتم در مقابل خطاست.

15. همگام سازی ساعت اجماع برای شبکه های حسگر(CCS)این مقاله در سال 2012 توسط M. K. Maggs و همکارانش ارائه شده است. در این روش به جای تلاش برای همزمان سازی با یک مرجع خارجی مثل زمان مطلقt و یا UTC، پروتکل CCS برای به دست آوردن یک اجماع داخلی درون شبکه بروی این مسئله که ساعت چند است و چطور می توان این ساعت را در شبکه به گردش درآورد کار می کند. ساعت اجماع یک ساعت فیزیکی نیست بلکه یک ساعت مجازی است که توسط گره های شبکه ایجاد شده است.این ساعت میزان انحراف و آفست خاص خود را نسبت به زمان مطلق دارد. عیب این روش این است که گم شدن بسته ها و ترتیب انتقال تصادفی گره ها میزان انحراف اجماع شده را تحت تاثیر قرار می دهد. مزایای این روش عبارتند از محاسبات کم، مقیاس پذیری و تحمل پذیری در مقابل خطا و عدم نیازمندی به یک گره اصلی و کنترل کننده است.

16. همگام سازی ساعت اجماع برای شبکه های حسگر(CCS)این مقاله در سال 2012 توسط M. K. Maggs و همکارانش ارائه شده است. در این روش به جای تلاش برای همزمان سازی با یک مرجع خارجی مثل زمان مطلقt و یا UTC، پروتکل CCS برای به دست آوردن یک اجماع داخلی درون شبکه بروی این مسئله که ساعت چند است و چطور می توان این ساعت را در شبکه به گردش درآورد کار می کند. ساعت اجماع یک ساعت فیزیکی نیست بلکه یک ساعت مجازی است که توسط گره های شبکه ایجاد شده است.این ساعت میزان انحراف و آفست خاص خود را نسبت به زمان مطلق دارد. عیب این روش این است که گم شدن بسته ها و ترتیب انتقال تصادفی گره ها میزان انحراف اجماع شده را تحت تاثیر قرار می دهد. مزایای این روش عبارتند از محاسبات کم، مقیاس پذیری و تحمل پذیری در مقابل خطا و عدم نیازمندی به یک گره اصلی و کنترل کننده است.

17. همگام سازی ساعت بر اساس SFDاین روش در سال 2013 توسط Shanshan Song و همکارانش ارائه گردید. روش ارائه شده یک روش همگام سازی بر اساس SFD می باشد. در این روش از یک گره سوم برای بررسی دقت و صحت دو گره ای که همگام سازی شده اند استفاده شده است. استفاده از گره سوم این مزیت را دارد که از تاخیر SFD بین گیرنده و فرستنده جلوگیری می کند. بعد از اینکه دو گره همگام سازی شدند یک گره سوم پیامی فراگیر را برای دو گره ارسال می کند و دریافت دو پیام در یک زمان محلی آنها که در ثبات SFD ذخیره شده است را نشان می دهد و تفاوت زمانی دو گره را نشان می دهد. این الگوریتم برای دو گره استفاده شده است اما می تواند برای همگام سازی کل شبکه استفاده شود.عیب این روش این است که انحراف فرکانس بین گره ها و تغییر فرکانس یک گره را نادیده گرفته است در حالی که در موارد واقعی فرکانس کریستالی گره از 1 تا 40 میکروثانیه در هر ثانیه را آفست خواهد کرد.مزیت این روش این است که در مقایسه با روش های RSB و TPSN ساده تر است و از دقت و صحت بالایی برخوردار است.

18. جدول مقایسه الگوریتم های ارائه شده

19. نتیجه گیری: همگام سازی در یک سیستم توزیع شده مثل شبکه های حسگر بی سیم برای عملکرد درست یک امر ضروری است.چندین روش برای این کار تا کنون ارائه شده است که برخی از این روش ها در این مقاله بررسی شد . هنوز جای کار بیشتر در حوزه های مختلف من جمله افزایش میزان دقت و صحت همگام سازی وجود دارد مثلا در الگوریتم مبتنی بر SFD می توان یک اصلاح برای فرکانس کریستالی به دست آورد و حتی می توان میزان تاخیر SFD را اندازه گرفت و به دقت بالایی برای همگام سازی رسید.

20. منابع • [pp. 393–400, 2013. 1]. M. K. Maggs, S. G. Keefe, and D. V. Thiel, “Consensus Clock Synchronization for Wireless Sensor Networks,” in Proc. IEEE Sensors Journal, vol. 12, no. 6, June 2012. • [2]. W. Su and I. Akyildiz, “Time-diffusion synchronization protocol for wireless sensor networks,” IEEE/ACM Trans. Netw., vol.13, no. 2, Apr 2005. • [3]. L. Schenato and G. Gamba, “A distributed consensus protocol for clock synchronization in wireless sensor network,” in Proc.46th IEEE Conf. Decis. Control, New Orleans, LA, Dec. 2007. • [4]. Q. Li and D. Rus, “Global clock synchronization in sensor networks,” in Proc. IEEE Conf. Comput. Commun., vol. 1. Hong Kong, China, Mar. 2004, pp. 564–574. • [5]. M. Maroti, G. Simon, B. Kusy, and A. Ledeczi, “The flooding time synchronization protocol,” in Proc. 2nd Int. Conf. Embed. Netw. Sensor Syst., Baltimore, MD, Nov. 2004, pp. 39–49. • [6]. J. Elson, L. Girod, and D. Estrin, “Finegrained network time synchronization using reference broadcasts,” in Proc. 5th ymp. Operat. Syst. Design Implement., vol. 36. Dec. 2002, pp. 147–163. • [7]. M. Sichitiu and C. Veerarittiphan, “Simple, accurate time synchronization for wireless sensor networks,” in Proc. IEEE Wireless Commun.Netw. Conf., Mar. 2003, pp. 1266–1273. • [8]. S. Ganeriwal, R. Kumar, and M. Srivastava, “Timing-sync protocol for sensor networks,” in Proc. 1st ACM Conf. Embed. Netw. Sensor Syst., Nov. 2003, pp. 138–149. • [9]. F. Sivrikaya and B. Yener, “Time synchronization in sensor networks: Asurvey,” IEEE Netw., vol. 18, no. 4, pp. 45–50, Jul.–Aug. 2004. • [10].s.Song and L. He, “Wireless Sensor Network Time Synchronization Algorithm Based on SFD”, CWSN 2012, CCIS 334,