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

1、隨著無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和成熟，尤其是無線傳輸和易于快速組網(wǎng)的優(yōu)勢，無線傳感器網(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)的時鐘上保持很高的一致性，從而實現(xiàn)更精確的數(shù)據(jù)采樣，提高數(shù)據(jù)獲取的質(zhì)量，同時也能夠更好的調(diào)度數(shù)據(jù)傳輸，降低功耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。因此，作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個新興研究領(lǐng)域，面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步技術(shù)近年來得到了越來越多的重視，尤其在對時間敏感的分布式應(yīng)用中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步已經(jīng)成為一

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

3、net設(shè)計的，對傳輸延遲的對稱性和時間戳的準(zhǔn)確性有很高的要求。但是無線數(shù)據(jù)傳輸通常會受到信道共享、無線信道衰落、節(jié)點(diǎn)移動、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，難以滿足PTP的要求。同時，在低成本的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于資源受限，難以獲取精確的時間戳。因此需要深入研究延遲抖動、時間標(biāo)記不確定性等因素對PTP協(xié)議的影響，從而為改進(jìn)PTP算法提供指導(dǎo)。然而，由于在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中普遍采用的CSMA/CA媒介訪問控制協(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帶來的延遲抖動與時間同步精度之間的關(guān)系通常只能通過大量的仿真得到。
　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的PTP時間同步所面臨的主要挑戰(zhàn)是:1）針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，如何建立晶振時鐘和PTP同步協(xié)議的數(shù)學(xué)模型，如何建立一個更加真實的軟件仿真平臺對延遲抖動、時間標(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，并通過大量仿真來驗證時間同步算法的性能。2）將現(xiàn)代控制理論中的閉環(huán)反饋控制和狀

5、態(tài)估計技術(shù)與時間同步相結(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，本文的主要內(nèi)容和特點(diǎn)就是:
　　(1)對時間同步本質(zhì)的認(rèn)識。時間同步就是一個通過估計有偏的本地時鐘與全局參考時間的差異并對本地時鐘進(jìn)行調(diào)整，從而使得本地時鐘與全局參考時間的差異保持在一個較小范圍的過程，其本質(zhì)是一個從一系列帶有噪聲的時間測量值中濾除噪音，準(zhǔn)確估計出時鐘偏移的過程。針對基于包交換的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，大多數(shù)時鐘同步算法都

6、是通過交換特定的帶時間戳的數(shù)據(jù)包來實現(xiàn)時鐘偏移的估計，因此時間同步的過程也是一個以通信帶寬和軟硬件消耗為代價換取時間精度的過程。
　　(2)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的晶振時鐘和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)分析物理時鐘的連續(xù)模型的離散化過程，從而建立晶振時鐘和PTP協(xié)議的離散時間數(shù)學(xué)模型。另一方面，基于前述對時間同步的本質(zhì)認(rèn)識，在建立時鐘模型和PTP協(xié)議模型時，將時鐘模型轉(zhuǎn)換為狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程，將PTP協(xié)議模型轉(zhuǎn)換為觀測方

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