I detta kapitel granskar vi tidssynkronisering och kalibrering för trådlösa sensornätverk. Vi kommer först att överväga tidssynkronisering i avsnitt 1.1-1.6, innan vi vänder oss till kalibrering i avsnitt 1.7. Vi kommer att visa att tidssynkronisering kan betraktas som ett kalibreringsproblem och många observationer om tidssynkronisering kan överföras till kalibrering. I avsnitt 1.1 diskuterar vi applikationer av synkroniserad tid i sensornätverk, aktuella utmaningar för sensornätverk, och diskuterar varför traditionella synkroniseringsstrategier misslyckas med att möta dessa utmaningar. I avsnitt 1.2 presenteras modeller av sensornoder, hårdvaruur och kommunikation. I avsnitt 1.3 ges en översikt över de olika synkroniseringsklasserna. I Avsnitt 1.4 presenterar vi vanliga synkroniseringstekniker. Avsnitt 1.5 undersöker aktuella synkroniseringsalgoritmer. I avsnitt 1.6 presenteras gemensamma tekniker för utvärdering av synkroniseringsalgoritmer och utvalda utvärderingsresultat. Sensornätverk används för att övervaka verkliga fenomen. För sådana övervakningstillämpningar spelar den fysiska tiden ofta en avgörande roll. Vi kommer att diskutera dessa tidstillämpningar i avsnitt 1.1.1. Att tillhandahålla synkroniserad fysisk tid är en komplex uppgift på grund av olika utmanande egenskaper hos sensornätverk. I avsnitt 1.1.2 presenterar vi dessa utmaningar och diskuterar varför synkroniseringsalgoritmer för traditionella distribuerade system ofta inte möter dessa utmaningar.  Fysisk tid spelar en avgörande roll för många sensor-nätverk applikationer. Även om många traditionella tidstillämpningar även gäller sensornätverk kommer vi här att fokusera på områden som är specifika för sensornätverk. Figur 1.1 visar en grov klassificering av tillämpningar av fysisk tid: a) vid gränssnittet mellan sensornätverket och en extern observatör, b) bland noderna i sensornätverket och c) vid gränssnittet mellan sensornätverket och den observerade fysiska världen. Följande punkter kommer att behandla ansökningar om tid inom dessa tre områden. Observera att vissa program är svåra att tilldela en enda domän. I sådana fall valde vi den lämpligaste domänen. Sensornätverk -observer I många applikationer, ett sensornätverk gränssnitt till en extern observatör för att ta itu med, rapportera resultat, och ledning. Denna observatör kan vara en mänsklig operatör eller ett autonomt datorsystem. Att ta itu med ett sensornätverk innebär ofta att man specificerar tidsfönster av intresse såsom "endast under natten". När ett sensornätverk rapporterar observationsresultat till en extern observatör, kan tidsmässiga egenskaper hos observerade fysiska fenomen vara av intresse. Till exempel är tidpunkterna för fysiska händelser ofta avgörande för att observatören ska kunna koppla händelserapporter till de ursprungliga fysiska händelserna. Fysisk tid är också avgörande för att bestämma egenskaper som hastighet eller acceleration. Sensornätverk - verklig värld I sensornätverk, många sensornoder kan observera en enda fysisk fenomen. En av de viktigaste funktionerna i ett sensornätverk är därför monteringen av de distribuerade observationerna i en sammanhållen uppskattning av det ursprungliga fenomenet - denna process kallas datafusion. Tid är en viktig ingrediens för datafusion. Till exempel, om sensorer bara kan upptäcka närheten av ett objekt, då högre nivå information (såsom hastighet, storlek, eller form) kan erhållas genom att korrelera data från flera sensornoder. Hastigheten hos ett mobilt objekt, till exempel, kan uppskattas av kvoten mellan rumsliga och tidsmässiga avstånd mellan två på varandra följande observationer av objektet av olika sensornoder. Eftersom många fall av ett fysiskt fenomen kan inträffa inom en kort tid, en av uppgifterna för ett sensornätverk är separation av sensorprover, det är INTRODUCTION iii uppdelning av sensorprover i grupper som vardera representerar en enda fysisk fenomen. Temporala relationer (t.ex. avstånd) mellan sensorprov är ett nyckelelement för separation. Temporal samordning mellan sensornoder kan också vara nödvändigt för att säkerställa korrekthet och konsekvens av distribuerade mätningar [11]. Om t.ex. provtagningsfrekvensen för sensorer är låg jämfört med frekvensen för ett observerat fenomen, kan det vara nödvändigt att säkerställa att sensoravläsning sker samtidigt vid alla sensornoder för att undvika felaktiga observationsresultat (t.ex. för kalibrering, se avsnitt 1.7.5.2). Man räknar med att storskaliga, komplexa aktiveringsfunktioner kommer att genomföras genom samordnad användning av många enkla ställdonsnoder. Detta kräver tidsmässig samordning. Inom sensornätverk är Time också ett värdefullt verktyg för intranätverkssamordning mellan olika sensornoder. Många tidstillämpningar kända från traditionella distribuerade system gäller även för trådlösa sensornätverk. [17] pekar på ett antal tidstillämpningar i distribuerade system, t.ex. konvergenskontroll (t.ex. atomäritet, ömsesidigt uteslutande), säkerhet (t.ex. autentisering), datakonsistens (t.ex. cachekonsistens, konsistens av replikerade data) och kommunikationsprotokoll (t.ex. Ett särskilt viktigt exempel för konvergenskontroll är användningen av tidsdelning multiplexing i trådlös kommunikation, där flera åtkomster till det delade kommunikationsmediet vanligtvis uppnås genom att man tilldelar ankomst- och avgångstider till de kommunicerande noderna. Detta kräver att de deltagande sensornoder att dela en gemensam syn på fysisk tid. Ett antal metoder syftar till att förbättra energieffektiviteten genom att ofta byta sensornoder eller komponenter till energisnåla vilolägen (t.ex. [35] ). För att säkerställa att sensornätverket fungerar smidigt kan det dock krävas tidsmässig samordning av viloperioderna mellan sensornoder. En annan viktig tjänst för sensornätverkstillämpningar är tidsbeställning av meddelanden (t.ex. [28] ). Många data-fusionsalgoritmer måste bearbeta sensoravläsningar som beställts vid tidpunkten för händelsen (t.ex. inflygningen för hastighetsuppskattning skissad ovan). De mycket varierande meddelandeförseningarna i sensornätverk innebär dock att meddelanden från distribuerade sensornoder ofta inte kommer fram till en mottagare i den ordning de sändes. Omordning meddelanden enligt tiden för sensoravläsning kräver temporal samordning mellan sensorn noder. Metoder för lokalisering av sensornoder baserat på mätning av flygtid eller skillnad i ankomsttid för vissa signaler kräver också synkroniserad tid (t.ex. [13] ). Tidssynkronisering är ett forskningsområde med en mycket lång historia. Med tiden har många algoritmer föreslagits och använts i stor skala. Network Time Protocol (NTP) [21] är kanske en av de mest avancerade och tidsprövade sysiv tems. Flera unika egenskaper hos sensornätverk utesluter dock ofta användningen av befintliga synkroniseringstekniker inom detta område. I det följande diskuterar vi utmaningar för sensornätverk som påverkar designen av tidssynkroniseringsmetoder. Med NTP som exempel kommer vi att beskriva varför traditionella metoder ofta inte uppfyller kraven i sensornätverk (se även [9] ). Observera att vissa av de illustrerade bristerna i NTP är relativt lätta att åtgärda, medan andra inte är det. För att ge den nödvändiga bakgrunden kommer vi först att ge en översikt över NTP. NTP utformades för storskaliga nätverk med en ganska statisk topologi (t.ex. Internet). Noder synkroniseras externt till en global referenstid som injiceras i nätverket på många platser via en uppsättning huvudnoder (s.k. "stratum 1"-servrar). Dessa masternoder synkroniseras utanför bandet, till exempel via GPS (som ger global tid med en precision som är betydligt lägre än 1 μs). Noder som deltar i NTP bildar en hierarki: blad noder kallas klienter, inre noder kallas stratum L-servrar, där L är nivån på noden i hierarkin. Föräldrarna till varje nod måste anges i konfigurationsfiler vid varje nod. Noder utbyter ofta synkroniseringsmeddelanden med sina föräldrar och använder den erhållna informationen för att justera sina klockor genom att regelbundet öka dem. Energi och andra resurser Sensornätverkstillämpningar kräver ofta att sensornoder är små och billiga. Detta har ett antal viktiga konsekvenser. För det första är den mängd energi som kan lagras i eller skövlas av små apparater vanligtvis mycket begränsad på grund av den låga energitätheten hos tillgänglig och förutsebar teknik. För att säkerställa livslängd trots denna begränsade energibudget, energieffektiv design både i hårdvara och programvara blir ett dominerande mål. Dessutom är dator-, lagrings- och kommunikationskapaciteten hos enskilda sensornoder ganska begränsad på grund av storlek och energibegränsningar. Dessa begränsningar kan utesluta användning av GPS eller annan teknik för utombandssynkronisering av NTP-masternoder. NTP är inte heller optimerad för energieffektivitet, helt enkelt eftersom detta inte är en fråga i infrastrukturbaserade distribuerade system. Energi omkostnader i NTP är resultatet av flera källor. För det första kan den tjänst som tillhandahålls av NTP normalt inte dynamiskt anpassas till de olika behoven hos en applikation. Därför, med NTP alla noder skulle kontinuerligt synkroniseras med maximal precision, även om endast delmängder av noder kan ibland behöva synkroniserad tid med mindre än maximal precision. För det andra använder NTP processorn och nätverket på ett sätt som skulle leda till betydande omkostnader för energi i sensornät. Till exempel, NTP upprätthåller en synkroniserad systemklocka genom att regelbundet lägga till små steg i system-klocka räknaren. Detta beteende hindrar processorn från att bytas till ett effektbesparande tomgångsläge. Dessutom måste NTP-servrar vara beredda att ta emot synkroniseringsförfrågningar när som helst. Men ständigt lyssnande är en energimässigt kostsam drift i sensornätverk; många sensor-nätverk protokoll därför stänga av radion när det är möjligt.
Utvärdering av prestanda av tidssynkronisering protokoll i WSNs är en icke-trivial uppgift REF.
Time Synchronization and Calibration in Wireless Sensor Networks
{'venue': 'Handbook of Sensor Networks', 'journal': None, 'mag_field_of_study': ['Computer Science']}