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Applicazione dei protocolli TPSN ed FTSP per la sincronizzazione di smart sensor nelle reti wireless. Contesto:. Negli ultimi anni c’è stata grande diffusione delle reti di sensori per applicazioni di misura. Reti di sensori. W n. W 1. molti nodi collaborazione. Power Line.

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Presentation Transcript
slide1

Applicazione dei protocolli TPSN ed FTSP per la sincronizzazione di smartsensor nelle reti wireless

slide2

Contesto:

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

Wn

W1

  • molti nodi
  • collaborazione

Power Line

slide3

Problema

Nasce la necessità di sincronizzare i nodi sensori

Nodo N

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.

Strumento di misura N

Sistemi sincronizzati

Disallineamento aleatorio

In tale ambito sincronismo vuol dire determinismo:

Host PC

Bus di comunicazione

Nodo 1

Nodo 2

Determinismo dell’inizio dell’operazione di misura

Determinismo della durata dell’operazione di misura

Strumento di misura 1

Strumento di misura 2

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Stato dell’arte

E diverse sono le soluzioni possibili:

Soluzioni hardware

Soluzioni software

  • 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
slide5

B

Problematiche della sincronizzazione wireless

  • Esempio:
  • 2 orologi
  • Differenza di ora (offset)
  • B si vuole sincronizzare con A
  • A invia la sua ora a B
  • B riceve l’ora e modifica la sua ora a quella di A

orario

A

Attenzione:

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

slide6

Problematiche della sincronizzazione wireless

  • Esempio:
  • 2 orologi segnano la stessa ora

Dopo un periodo di tempo gli orologi risultano non sincronizzati a causa della temperatura invecchiamento del

componente ecc.

A

B

Attenzione:

Necessità di sincronizzare dopo un periodo di tempo

protocolli di sincronizzazione
Protocolli di sincronizzazione

Si basano Scambio messaggi:

two-way

one-way

sender

receiver

sender

receiver

timestamp

timestamp

Sincronizzazione :

Sender-Receiver

Receiver-Receiver

slide9

Synchronization phase TPSN:funzionamento

Consideriamo una rete di due nodi

  • “A” invia un messaggio a T1
  • “B” riceve questo pacchetto a T2= T1+Δ+d;
  • “B”risponde all’istante T3 con i tempi T2,T3.
  • “A”al tempoT4= T3-Δ+d ha a tuti i timestamp,T1,T2,T3,T4
  • “A” calcola offset e propagation delay e aggiorna il proprio timer

Δ = [(T2-T1) - (T4-T3)]/2

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

A

B

Δ = offset d = prop. delay

slide10

Perche?

Tra l'invio di un messaggio e la sua ricezione

c'è un ritardo aleatorio introdotto dal canale wireless

  • 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+Δ+d+SA+RB

T4=T3-Δ+d+SB+RA

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

Calcolo offset

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

Δ = offset d = prop. delay

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Protocolli basati su regressione lineare: FTSP

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

linea di regressione

data point

errore

Ts = timestamp del sender (tempo globale)

Tr = timestamp del receiver = mTs + b

(tempo locale)

  • Sincronizzazione temporale dell’intera rete con errori dell’ordine del µs
  • Scalabilità fino a centinaia di nodi
  • Invio di Ts [1] per l’allineamento dei clock
  • 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)
  • 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 [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