Gradient Clock Synchronization (GCS) is the task of minimizing the local skew, i.e., the clock offset between neighboring clocks, in a larger network. While asymptotically optimal bounds are known, from a practical perspective they have crucial shortcomings: - Local skew bounds are determined by upper bounds on offset estimation that need to be guaranteed throughout the entire lifetime of the system. - Worst-case frequency deviations of local oscillators from their nominal rate are assumed, yet frequencies tend to be much more stable in the (relevant) short term. State-of-the-art deployed synchronization methods adapt to the true offset measurement and frequency errors, but achieve no non-trivial guarantees on the local skew. In this work, we provide a refined model and novel analysis of existing techniques for solving GCS in this model. By requiring only stability of measurement and frequency errors, we can circumvent existing lower bounds, leading to dramatic improvements under very general conditions. For example, if links exhibit a uniform worst-case estimation error of $\Delta$ and a change in estimation errors of $\delta\ll \Delta$ on relevant time scales, we bound the local skew by $O(\Delta+\delta \log D)$ for networks of diameter $D$, effectively ``breaking'' the established $\Omega(\Delta\log D)$ lower bound, which holds when $\delta=\Delta$. Similarly, we show how to limit the influence of local oscillators on $\delta$ to scale with the change of frequency of an individual oscillator on relevant time scales, rather than a worst-case bound over all oscillators and the lifetime of the system. Moreover, we show how to ensure self-stabilization in this challenging setting. Last, but not least, we extend all of our results to the scenario of external synchronization, at the cost of a limited increase in stabilization time.


翻译:梯度时钟同步(GCS)的任务是在大规模网络中最小化本地偏移,即相邻时钟之间的时钟偏差。尽管已知渐近最优的界限,但从实际角度来看,这些界限存在关键缺陷:- 本地偏移界限由偏移估计的上界决定,这些上界需要在系统整个生命周期内得到保证。- 假设本地振荡器相对于其标称频率存在最坏情况下的频率偏差,然而在(相关的)短期内频率往往更为稳定。当前已部署的最先进同步方法能够适应真实的偏移测量和频率误差,但无法对本地偏移提供非平凡的保证。在本研究中,我们针对该模型中解决GCS的现有技术,提出了一个精炼的模型和新的分析。通过仅要求测量和频率误差的稳定性,我们能够规避现有的下界,从而在非常一般的条件下实现显著的改进。例如,若链路在相关时间尺度上表现出均匀的最坏情况估计误差Δ以及估计误差变化δ≪Δ,我们将直径为D的网络中的本地偏移限制为O(Δ+δ log D),这实质上“打破”了当δ=Δ时成立的Ω(Δ log D)下界。类似地,我们展示了如何将本地振荡器对δ的影响限制为与单个振荡器在相关时间尺度上的频率变化成比例,而非基于所有振荡器及系统生命周期的最坏情况界限。此外,我们展示了如何在这种具有挑战性的环境中确保自稳定性。最后但同样重要的是,我们将所有结果扩展到外部同步场景,代价是稳定时间的有限增加。

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