Feedforward temperature compensation in high-precision clock synchronization schemes

Time synchronization is an important tool for the functioning of distributed systems. Since the origins of computer networks, computer scientists have designed algorithms to keep the various devices synchronized. The most famous and still used are NTP (Network Time Protocol) and PTP (Precise Time Protocol). Nevertheless, with the evolution and spread of distributed systems and the introduction of wireless sensor networks, the requirements for synchronization have changed radically. The main purpose of a WSN (Wireless Sensor Network) is to collect data from the sensors and route them across the network to their destination, for example a server. The nodes can be equipped with various types of sensors and possibly also actuators. One of the fundamental constraints for WSNs is the low energy available in the sensors, since they are often battery powered and must be able to operate for long periods without maintenance. Synchronization is a useful tool not only for the emph {timestamping} of events and for coordination, operations, but also for reducing the energy consumption of the nodes. This is because a precise synchronization allows the nodes to remain in a state of low energy consumption for longer and switch on the radio only in the instant of time in which they expect to receive a packet. In most WSNs the time spent communicating is short and communication is made without the possibility of ensuring that the recipient is listening. Therefore, a poor synchronization requires to increase the time margins in which one remains active in reception in order not to risk losing packets. For this reason, synchronization has been the subject of intense research in the field of WSNs. In this thesis we will start from the state of the art of synchronization for WSN, which makes it possible to achieve excellent synchronization and to maintain an accurate notion of time even with low energy consumption. In particular, we will dedicate a section to describe FLOPSYNC-2, which is a synchronization scheme based on the control theory. This scheme was combined with Glossy (a flooding scheme that uses constructive interference) and VHT (Virtual High-resolution Timer), a hardware timer management scheme to reduce power consumption without losing resolution. These concepts will be briefly illustrated, before focusing on the effect of temperature changes on FLOPSYNC-2. In this thesis we will characterize the temperature-frequency relationship of a quartz oscillator, using the Wandstem wireless node as an example, and design an emph {feed-forward} controller to compensate for the effect of sudden temperature variations on time synchronization. The basic idea is to add a temperature sensor near the quartz, and and use this measure to reduce the accumulation of time errors. The feed-forward approach is integrated into the FLOPSYNC-2 controller, which instead works in a closed loop and leads to an overall improvement in performance. The last section presents simulation tests to characterize in detail the performance of the proposed solution, considering also the case of a temperature-frequency characteristic different from the nominal one.

La sincronizzazione temporale è un'importante strumento per il buon funzionamento dei sistemi distribuiti. Fin dalle origini delle reti di calcolatori gli informatici hanno progettato algoritmi per mantenere sincronizzati i vari dispositivi. I più famosi e tutt'ora utilizzati sono NTP (Network Time Protocol) e PTP (Precise Time Protocol). Ciònonostante, con l'evoluzione e la diffusione dei sistemi distribuiti e l'introduzione delle reti di sensori senza fili, i requisiti per la sincronizzazione sono radicalmente cambiati. Lo scopo principale di una WSN (Wireless Sensor Network) è quello di raccogliere dati dai sensori e instradarli attraverso la rete fino a raggiungere la loro destinazione, per esempio un server. I nodi possono essere equipaggiati con vari tipi di sensori e eventualmente anche attuatori. Uno dei vincoli fondamentali per le WSN è la scarsa energia disponibile nei sensori, dato che essi sono spesso alimentati a batteria e devono poter funzionare per lunghi periodi senza manutenzione. La sincronizzazione è un'utile strumento non solo per il \emph{timestamping} degli eventi e per la coordinazione, delle operazioni, ma anche per la riduzione del consumo energetico dei nodi. Questo perchè una precisa sincronizzazione consente ai nodi di rimanere in uno stato di basso consumo energetico più a lungo e accendere la radio solo nell'istante di tempo in cui si aspettano di ricevere un pacchetto. Nella maggior parte delle WSN il tempo passsato a comunicare è breve e la comunicazione viene effettuata senza la possibilità di accertarsi che il destinatario sia in ascolto. Dunque, una scarsa sincronizzazione richiede di incrementare i margini di tempo in cui si rimane attivi in ricezione per non rischiare di perdere pacchetti. Per questo motivo, la sincronizazione è stata oggetto di intensa ricerca nel campo delle WSN. In questa tesi partiremo dallo stato dell'arte della sincronizzazione per WSN, che rende possibile di ottenere un'eccellente sincronizzazione e di mantenere un'accurata nozione del tempo pur con un basso consumo energetico. In particolare, dedicheremo una sezione a descrivere FLOPSYNC-2, che è uno schema di sincronizzazione basato sulla teoria del controllo. Questo schema è stato combinato con Glossy (uno schema di flooding che fa uso dell'interferenza costruttiva) e VHT (Virtual High-resolution Timer), uno schema di gestione dei timer hardware per ridurre il consumo energetico senza perdere risoluzione. Questi concetti saranno brevemente illustrati, prima di concentrarsi sull'effetto delle variazioni di temperatura su FLOPSYNC-2. In questa tesi caratterizzeremo la relazione temperatura-frequenza di un'oscillatore a quarzo, utilizzando il nodo wireless Wandstem come esempio, e progetteremo un controllore \emph{feed-forward} per compensare l'effetto di repentine variazioni di temperatura sulla sincronizzazione temporale. L'idea di base consiste nell'aggiungere un sensore di temperatura in prossimità del quarzo, e e usare questa misura per ridurre l'accumularsi di errori temporali. L'approccio feed-forward viene integrato nell controllore di FLOPSYNC-2, che invece funziona ad anello chiuso e porta a un miglioramento complessivo delle prestazioni. L'ultima sezione presenta delle prove in simulazione per caratterizzare nel dettaglio le prestazioni della soluzione proposta, considerando anche il caso di una caratteristica temperatura-frequenza diversa da quella nominale.