Time synchronization is an important technology for wireless sensor networks. Wireless sensor networks have many requirements such as low power, low cost, long lifetime, and small packet size. In order to fulfill these requirements, time synchronization has become a basic technology to develop other protocols. Recently, IP-based wireless sensor networks have been spotlighted and representative of them is 6LoWPAN. It intends to use existing internet technologies to use the current infrastructure. Because 6LoWPAN should also satisfy these requirements, time synchronization is necessary. NTP and SNTP in the internet for time synchronization are popular protocols. They are application level time protocols that use UDP as the transport layer and support global time using multi-hop communication based on IP technology. However, since they are complex and have accuracy for time synchronization in the order of milliseconds, it is difficult to use them directly in 6LoWPAN. Sensor networks require the high accuracy for several reasons: long life cycle, energy efficiency, efficient scheduling, calculation of accurate location. Currently, sensor networks support single-hop and use MAC layer time synchronization protocols and the protocols support the network-wide time synchronization by repeating the single-hop synchronization. They have some weaknesses ?? no algorithms to forward the processing delay, change of root node, too many exchanges of message between sensor nodes for accuracy, and impossibility of multi-hop communication due to the characteristics of the MAC layer communication. In order to solve these problems, we propose a new global time synchronization protocols to support multi-hop synchronization. These protocols are MATS and 6LNTP. Our protocols are server-to-client models, and they have a scheme of forwarding the processing delays like NTP or SNTP to support high accuracy. Also they support multi-hop time synchronization with the mesh addressing in the RFC standard of 6LoWPAN. Our protocols use "on-demand" time synchronization. The first algorithm, MATS, uses two-way message exchange like NTP. However, the message of the first algorithm has two root delay fields: request and reply root delays. When sensor nodes calculated the clock offset, they removed almost all the root delay. The second algorithm, 6LNTP, uses "sowing and harvesting" method. It uses three messages: request, response, and follow-up. The request message triggers time synchronization, the response message sows the reference time and leaves timestamps of the traces behind it, and the follow-up message harvests the timestamps of the traces. Sensor nodes on the route calculate the real reference time including almost all the root delays and adjust its local clock with the real reference time. Our protocols were implemented on MSP430F5438 boards. The accuracy was in the order of milliseconds, because we used only one system clock that could express time in the order of milliseconds. Although the results were in the order of milliseconds, they can support multi-hop and global time synchronization that variable applications in 6LoWPAN require. Also when we use a stable clock, they can support high accuracy through calculating and forwarding the accumulated processing delays which sensor nodes used.
시각동기 기술은 무선센서네트워크에서 중요한 기술이다. 무선센서네트워크는 저전력, 저비용, 긴 수명, 작은 패킷 크기 등의 많은 요구사항들을 가지고 있다. 이러한 요구사항들을 충족시키고 위치인식처럼 다른 프로토콜을 개발하는데 있어 시각동기 기술은 그 기반이 되는 기술이다. 최근에는 IP 기반의 무선센서네트워크인 6LoWPAN이 부각되고 있으며, 이는 현재 기반구조를 활용할 수 있도록 인터넷 기술을 활용하고자 한다. 6LoWPAN 또한 무선센서네트워크의 여러 요구사항을 충족해야 하기 때문에 시각동기 기술은 6LoWPAN을 위해서도 필수적인 기술이다. 인터넷에서 널리 사용되고 있는 NTP와 SNTP는 응용계층에서의 시각동기 기술로 IP 주소를 기반으로 다중홉 시각동기를 지원하고 있으나, 알고리즘이 복잡하고 밀리 초 단위의 정확도를 가질 수 있기 때문에 6LoWPAN에 바로 적용하기는 어렵다. 무선센서네트워크는 긴 수명주기, 에너지 효율성, 효과적인 스케줄링, 정확한 위치 인식 등의 이유로 마이크로초 단위의 정확도를 요한다. 현재 개발된 MAC 계층의 단일 홉 시각동기 기술들은 마이크로 초 단위의 정확도를 가지고 있으나, 노드 자체의 처리시간의 전달이 되지 않고, 기준 노드의 변경되거나, 높은 정확도를 유지하기 위해 많은 패킷을 사용한다는 등의 문제점이 있다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해서 2개의 6LoWPAN에서 다중홉 글로벌 시각동기 기술인 MATS와 6LNTP를 제안한다. 제안된 알고리즘은 서버-클라이언트 모델이며 각 센서노드에서 메시지 전송에 사용된 처리시간을 메시지로 전송함으로써 정확도를 향상시킬 수 있으며, 메쉬 주소 체계를 사용함으로써 다중 홉 시각동기를 지원할 수 있다. 이 기술들은 “on-demand" 방식으로 라우팅 경로에 있는 말단의 단말장치로부터 시각동기가 시작되고, 응답메시지를 통해서 중간노드들도 시각동기를 함으로써 에너지 효율성을 유지하고자 하였다. 제안된 첫 번째 알고리즘인 MATS는 수정된 NTP 메시지 형식을 사용하였다. 메시지에는 요청 지연 및 응답 지연시간 필드를 통하여 지연시간이 누적 전송되고 이를 통하여 각 노드들은 기준노드와의 시각오차를 계산하여 자신의 시각을 수정한다. 두 번째 알고리즘인 6LNTP는 요청, 응답, 응답-후속 메시지를 사용하며 기준노드가 응답메시지를 생성한 시각과 각 센서노드가 시각을 수정하기 전까지 대부분의 지연시간을 응답 및 응답-후속 메시지를 통하여 누적 전송하고 이 정보를 통하여 각 센서노드들은 시각정보를 수정하는 시점에서의 기준노드 시간을 계산하여 자신의 시간을 수정한다. 이렇게 센서노드에서 사용된 처리시간으로 인한 지연시간을 누적하여 전송하고 이를 시각 오차 계산 및 현재 시각 계산에 활용함으로써 센서노드들은 기준 시간을 정확히 알 수 있다. 이 기술들은 MSP430F5438 보드에 구현되었으며, 밀리 초 단위의 시간을 제공하는 하나의 시스템 클럭만을 사용하였기 때문에 정확도는 밀리초 단위의 결과를 나타내었다. 비록 결과는 밀리 초 단위의 정확도를 나타내었지만, 6LoWPAN의 다양한 응용에서 요구하는 시각 동기 정확도를 지원하면서 다중홉 시각동기를 할 수 있는 기술이다. 또한 안정적인 클럭을 사용할 경우 센서 노드에서 사용되는 전송지연시간을 누적하여 계산하고 이를 전송함으로써 마이크로 초 단위의 정확도를 지원할 수 있는 시각동기 기술이다.
