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

W1W1W1W1 WnWnWnWn 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 aleatorio Sistemi 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 A 2)A invia la sua ora a B 3)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 del componente ecc.

Protocolli di sincronizzazione Si basano Scambio messaggi: receiver sender timestamp one-way receiver sender timestamp 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 +(S A -S B )/2+(R B -R A )/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+S A +R B T4=T3-Δ+d+S B +R A 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 +(S A +S B )/2+(R B +R A )/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