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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

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

  2. 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

  3. 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

  4. 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

  5. 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

  6. 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

  7. Protocolli di sincronizzazione Si basano Scambio messaggi: two-way one-way sender receiver sender receiver timestamp timestamp Sincronizzazione : Sender-Receiver Receiver-Receiver

  8. Studi presenti in letteratura sulle reti di sensori wireless

  9. 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

  10. 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

  11. 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

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