面向無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的IEEE1588時(shí)間同步優(yōu)化和OMNeT仿真.pdf

1、隨著無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和成熟，尤其是無(wú)線傳輸和易于快速組網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。在很多新的應(yīng)用中，需要在各分布式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘上保持很高的一致性，從而實(shí)現(xiàn)更精確的數(shù)據(jù)采樣，提高數(shù)據(jù)獲取的質(zhì)量，同時(shí)也能夠更好的調(diào)度數(shù)據(jù)傳輸，降低功耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。因此，作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)新興研究領(lǐng)域，面向無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步技術(shù)近年來(lái)得到了越來(lái)越多的重視，尤其在對(duì)時(shí)間敏感的分布式應(yīng)用中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步已經(jīng)成為一

2、項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)。
　　盡管已經(jīng)有了較多的時(shí)間同步算法，比如應(yīng)用最廣泛的NTP、近年來(lái)提出的精確時(shí)間同步協(xié)議(Precise Time Protocol，PTP)、以及FTSP等。NTP的精度較低，通常在幾十個(gè)毫秒，F(xiàn)TSP對(duì)通信帶寬要求較高，而作為IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)提出的PTP是針對(duì)高精度的時(shí)間同步而設(shè)計(jì)的，能夠以相對(duì)較低的通信帶寬獲取較高的同步精度，有望成為未來(lái)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的標(biāo)準(zhǔn)。然而，PTP是針對(duì)有線工業(yè)Ether

3、net設(shè)計(jì)的，對(duì)傳輸延遲的對(duì)稱性和時(shí)間戳的準(zhǔn)確性有很高的要求。但是無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸通常會(huì)受到信道共享、無(wú)線信道衰落、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)、數(shù)據(jù)包沖突和重傳等因素的影響，從而造成較大的傳輸延遲抖動(dòng)，難以滿足PTP的要求。同時(shí)，在低成本的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于資源受限，難以獲取精確的時(shí)間戳。因此需要深入研究延遲抖動(dòng)、時(shí)間標(biāo)記不確定性等因素對(duì)PTP協(xié)議的影響，從而為改進(jìn)PTP算法提供指導(dǎo)。然而，由于在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中普遍采用的CSMA/CA媒介訪問(wèn)控制協(xié)議本

4、身就具有較高的復(fù)雜度和隨機(jī)性，因此由CSMA/CA帶來(lái)的延遲抖動(dòng)與時(shí)間同步精度之間的關(guān)系通常只能通過(guò)大量的仿真得到。
　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的PTP時(shí)間同步所面臨的主要挑戰(zhàn)是:1）針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，如何建立晶振時(shí)鐘和PTP同步協(xié)議的數(shù)學(xué)模型，如何建立一個(gè)更加真實(shí)的軟件仿真平臺(tái)對(duì)延遲抖動(dòng)、時(shí)間標(biāo)記不確定性和同步精度進(jìn)行高精度仿真，以揭示三者之間的關(guān)系，并通過(guò)大量仿真來(lái)驗(yàn)證時(shí)間同步算法的性能。2）將現(xiàn)代控制理論中的閉環(huán)反饋控制和狀

5、態(tài)估計(jì)技術(shù)與時(shí)間同步相結(jié)合，從而研究如何改進(jìn)和提高PTP同步算法。這也是本論文研究的主要內(nèi)容。更具體地說(shuō)，本文的主要內(nèi)容和特點(diǎn)就是:
　　(1)對(duì)時(shí)間同步本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。時(shí)間同步就是一個(gè)通過(guò)估計(jì)有偏的本地時(shí)鐘與全局參考時(shí)間的差異并對(duì)本地時(shí)鐘進(jìn)行調(diào)整，從而使得本地時(shí)鐘與全局參考時(shí)間的差異保持在一個(gè)較小范圍的過(guò)程，其本質(zhì)是一個(gè)從一系列帶有噪聲的時(shí)間測(cè)量值中濾除噪音，準(zhǔn)確估計(jì)出時(shí)鐘偏移的過(guò)程。針對(duì)基于包交換的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，大多數(shù)時(shí)鐘同步算法都

6、是通過(guò)交換特定的帶時(shí)間戳的數(shù)據(jù)包來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘偏移的估計(jì)，因此時(shí)間同步的過(guò)程也是一個(gè)以通信帶寬和軟硬件消耗為代價(jià)換取時(shí)間精度的過(guò)程。
　　(2)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的晶振時(shí)鐘和PTP同步協(xié)議的狀態(tài)空間建模。這部分的工作主要是詳細(xì)分析物理時(shí)鐘的連續(xù)模型的離散化過(guò)程，從而建立晶振時(shí)鐘和PTP協(xié)議的離散時(shí)間數(shù)學(xué)模型。另一方面，基于前述對(duì)時(shí)間同步的本質(zhì)認(rèn)識(shí)，在建立時(shí)鐘模型和PTP協(xié)議模型時(shí)，將時(shí)鐘模型轉(zhuǎn)換為狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程，將PTP協(xié)議模型轉(zhuǎn)換為觀測(cè)方

7、程，從而創(chuàng)新性地建立了時(shí)間同步的狀態(tài)空間模型，為更好的運(yùn)用閉環(huán)反饋控制和狀態(tài)估計(jì)等技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。
　　(3)搭建了一個(gè)基于OMNeT++的離散事件仿真器TS2(Time SynchronizationSimulator，時(shí)間同步仿真器)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)基于IEEE802.15.4(TI CC2420)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的PTP時(shí)間同步的高真實(shí)度仿真。該仿真器具有高真實(shí)度，易于擴(kuò)展和模塊重用，支持移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn)。
　　(