A Decentralized Single-Hop Time Synchronization Protocol based on Asynchronous Consensus Control in Wireless Sensor Networks. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF A_Decentralized_Single-Hop_Time_Synchronization_Protocol_based_on_Asynchronous_Consensus_Control_in_Wireless_Sensor_Networks_by_Ramadan_Abdul-Rashid.pdf - Accepted Version Download (6MB) | Preview

Arabic Abstract

يعتبر التزامن الوقتي مطلباً حاسماً في شبكات الاستشعار اللاسلكية (WSNs) في جميع التطبيقات تقريباً. و هو تزامن الساعة الافتراضية لكل عقدة شبكة مع ساعة عقدة البوابة لشبكات الاستشعار اللاسلكية. تهتم هذه الأطروحة بالتصميم البسيط لبروتوكول تزامنٍ وقتيٍّ مرتكزٍ على مفهوم التحكم التوافقي، مناسبٍ للعمل في بيئاتٍ قاسيةٍ باستخدام اتصالات القفزة الواحدة في شبكات الاستشعار اللاسلكية الموزعة. تستخدم الأطروحة خوارزمية المتوسط المستخدمة في المزامنة التوافقية كخوارزميةٍ رئيسيةٍ. أولاً، تقدم الأطروحة خوارزمية المتوسط المعدّلة للمزامنة التوافقية و التي تحسن دقة خوارزمية المتوسط. يُطلق على الخوارزمية المعدلة "طريقة تحسين الدقة للمزامنة الوقتية في شبكات الاستشعار اللاسلكية باستخدام تحكم التعدادات التوافقية المتزامنة". و توفر مقايضةً بين وقت التقارب و دقة التزامن. هذه الطريقة مستوحاة من إدراك أن معادلة الحالة التي تمثل خطأ التزامن بالنسبة لوقت البوابة يمكن تقليلها بتقليل مدة الاستجابة القسرية من خلال إدخال معاملٍ جديدٍ، جزءٍ من دورة وقت الاتصال، في تحديث الوقت المحليّ لكل عقدة. مع اقتراب هذا الجزء من واحد، يُلاحظ من خلال عمليات المحاكاة و التجارب العملية أنه سيؤدي إلى خطأٍ ذي قيمةٍ أسيةٍ أقل في منطقة الانخفاض، و لكن مع زيادةٍ مقابلةٍ في عدد حالات الاتصالات اللازمة للوصول إلى خطأ تزامن الانخفاض. بالرغم من أدائه الممتاز و بساطته، فإن بروتوكول المتوسط ليس عملياً لأنه يفترض تحديث الوقت التزامني للعقدة. للتغلب على هذه المشكلة، تقترح الأطروحة ثلاثة مخططاتٍ عمليةٍ غير متزامنةٍ تدعى: التحديث غير المتزامن للتوقيت التسلسلي (TSAU)، و التحديث غير المتزامن أحادي الاتجاه (UAF)، و الفيض غير المتزامن ثنائي الاتجاه (BAF). جميع هذه الطرق المقترحة هي لامركزيةٌ و خفيفة الوزن من حيث التصميم. في TSAU، تحديثات الوقت تُجرى تتابعياً بطريقةٍ ذريةٍ، في حين أن عقد UAF الواقعة بقرب البوابة يتم تحديثها في نفس الوقت. تتطلب طريقة UAF تنظيماً للتفعيلات غير المتزامنة، و لكن طريقة BAF تزيل الحاجة للتنظيم و هي متكيفةٌ لديناميكية البُنية. تم تقييم هذه الطرق المقترحة باستخدام المحاكاة و التجارب العملية على برنامج مستشعر ميكاز MicaZ، و تم تقديم تقييمٍ شاملٍ لاستهلاك الطاقة، و متطلبات الذاكرة، و وقت التقارب، و أخطاء التزامن المحلية و العالمية لطرقنا المقترحة مقارنةً بطرق FTSP، و EGTSP، و FloodPISync، و AvgPISync. المخططات المقترحة تستهلك حوالي 80% طاقةً أقل و تقريباً 35% تخصيص ذاكرةٍ أقل من FTSP و EGTSP، و لكن لديها متطلباتٍ مماثلةٍ من الطاقة و الذاكرة لكلٍ من FloodPISync و AvgPISync. علاوةً على ذلك، فإن أداء الطرق المقترحة يفوق أداء جميع هذه البروتوكولات من حيث وقت التقارب، و أخطاء التزامن المحلية و العالمية.

English Abstract

Time synchronization is a crucial requirement in Wireless Sensor Networks (WSNs) in almost all applications. It is the synchronization of the virtual clock of each network node to the clock of the gateway node of the WSNs. This thesis concerns with the design of simple time synchronization protocol based on consensus control concept suited for operation in harsh environments using single hop communication in distributed WSNs. The thesis uses the averaging algorithm used for synchronous synchronization as the main algorithm. First, the thesis presents a modified averaging algorithm for synchronous synchronization that improves the accuracy of the averaging algorithm. The modified algorithm is termed “Accuracy-Enhanced Method for Time Synchronization in WSN using synchronous average censuses control”. It provides a trade-off between the convergence time and synchronization accuracy. This method is inspired by the realization that, the state equation representing the synchronization error with respect to the gateway time can be reduced further by reducing the forced response term by introducing a new parameter, a fraction of the time communication cycle, in the local time update of each node. As this fraction approaches one, it is observed through simulations and practical experiments that it will lead to orders of magnitude less error in the dip region but with a corresponding increase in the number of communications instances needed to reach the dip synchronization error. Despite its excellent performance and simplicity, the averaging protocol is impractical since it assumes synchronous node time update. To overcome this problem, the thesis proposes three practical asynchronous schemes named Timed Sequential Asynchronous Update (TSAU), Unidirectional Asynchronous Update (UAF) and Bidirectional Asynchronous Flooding (BAF). All these proposed methods are decentralized and light weight by design. In TSAU, time updates are carried out in atomic fashion sequentially, whereas in UAF nodes within the same proximity to the gateway update simultaneously. UAF requires regulation of asynchronous activations but BAF removes the need for regulation and is adaptive to topology dynamics. These proposed methods were evaluated using simulations and practical experiments on the MicaZ sensor node platform and present a comprehensive evaluation of the energy consumption, memory requirements, convergence time, local and global synchronization errors of our proposed methods against FTSP, EGTSP, FloodPISync and AvgPISync. The proposed schemes consume about 80\% less power and approximately 35\% less memory allocation than FTSP and EGTSP but have similar energy and memory requirements as FloodPISync and AvgPISync. Further, the proposed methods outperform all these protocols in terms of convergence time, global and local synchronization errors.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Computer Engineering Math Physics Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Al-Shaikhi, Ali
Committee Members:	Masoud, Ahmad and Alghadhban, Samir
Depositing User:	RAMADAN ABDUL-RASHID (g201409740)
Date Deposited:	14 Jan 2018 05:50
Last Modified:	30 Dec 2020 12:46
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140602