无线传感器网络环境下基于MATLAB和OMNeT++的IEEE1588时间同步仿真

摘要

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是一种典型的低成本、自组织的分布式网络，其优点是部署灵活，缺点是系统能源受限以及稳定性较差。作为分布式系统的关键技术，时间同步在高精度的现代工业无线局域网中扮演着十分重要的角色。无线网络的许多应用程序依赖于时间同步，如数据融合、TDMA调度、TOA定位等。基于时间包交换技术，IEEE1588精密时钟同步协议(IEEE1588Precision Clock Synchronization Protocol)，简称PTP(Precision Timing Protocol),能在有线以太网中实现高精度和低功耗的时间同步。
　　跟有线以太网相比，无线传感器网络遭受更多的无线信道共享，数据退避和数据包冲突，从而导致难以修复的传输时延抖动，也无疑会影响无线传感器节点得到时间标记的精确度。从而对无线传感器网络的PTP性能分析造成一定挑战性和必要性，通过仿真实验来评估PTP的性能，对开展真实环境下的开发和应用具有极强的现实意义。
　　本研究，分析了无线传感器网络以及PTP，并尝试将针对有线网的PTP协议应用于无线传感器网络中;基于开源的网络仿真工具OMNeT++，开发了一个无线传感器网络的仿真器，并经过卡尔曼滤波器的优化处理，对PTP时间同步过程，仿真结果和影响PTP性能的因素进行评估，与MATLAB仿真平台做了协同分析。
　　本文致力于在以下方面做出一定贡献:
　　(1)通过对PTP协议的研究，尝试将PTP同步机制移植入无线传感器网络，并对无线传感器网络中影响PTP的因素进行分析。
　　(2)分别建立无线传感器网络的节点时钟和PTP的时间包信息交换过程的模型，并针对无线传感器网络的信道特征，实现PTP的系统建模，并采用卡尔曼滤波器对其进行优化。
　　(3)基于无线传感器网络环境中时间标记不确定性的特征，在已有研究的基础上，重构了参数系统和调节机制，在MATLAB和OMNeT++两个仿真平台中开发了面向无线传感器网络的PTP的仿真平台，并对仿真结果进行对比分析。
　　实验结果表明，在无线传感器网络环境下，时间标记不确定性较小时，时钟偏移噪声和时钟偏移率噪声对时间同步精度的影响较大，而在时间标记不确定性较大时，运用卡尔曼滤波器能够明显提升时间同步的性能;另外，在OMNeT++平台下的仿真比在MATLAB平台下更能反映实际的无线传感器网络信道特征及包交换机制，更适合下一步面向真实无线传感器网络研究的拓展。

目录

声明

摘要

第1章 序言

1.1 研究背景

1.2 研究内容

1.3 文章结构

第2章 无线传感器网络

2.1 无线传感器网络概述

2.1.1 无线传感器网络的系统结构

2.1.2 无线传感器网络的节点结构

2.1.3 无线传感器网络的协议枝

2.1.4 无线传感器网络的特点

2.2 无线传感器网络时钟同步协议

2.2.1 无线传感器网络时间同步概述

2.2.2 无线传感器网络时间同步的技术挑战

2.2.3 典型无线传感器网络时间同步的算法

2.3 本章小结

第3章 IEEE1588精密时钟同步协议

3.1 IEEE1588精密时钟同步协议时间同步过程描述

3.2 IEEE1588精密时钟同步协议应用到无线传感器网络的可行性分析

3.3 无线传感器网络中影响IEEE1588精密时钟同步的因素分析

3.4 本章小结

第4章 系统建模

4.1 时钟节点建模

4.2 IEEE1588精密时钟同步的时间标记不确定性建模

4.3 伺服时钟算法

4.3.1 时钟偏移率估计

4.3.2 带时钟偏移率估计的伺服时钟算法

4.4 基于卡尔曼滤波器的时间同步优化建模

4.4.1 晶振时钟的状态转移方程模型

4.4.2 PTP时间同步协议的观测方程模型

4.4.3 基于卡尔曼滤波器的时间同步优化建模

4.5 本章小结

第5章 基于卡尔曼滤波器的MATLAB和OMNeT++平台下IEEE1588精密时钟同步协议的设计与实现

5.1 基于MATLAB的IEEE1588精密时钟同步协议的设计与实现

5.2 基于OMNeT++的IEEE1588精密时钟同步协议的设计与实现

5.2.1 主节点的实现

5.2.2 从节点的实现

5.2.3 IEEE1588精密时钟同步协议的实现

5.2.4 OMNeT++平台下仿真模型的优点

5.3 基于卡尔曼滤波器的精确时钟同步协议仿真和分析

5.3.1 基于MATLAB的仿真实验

5.3.2 基于OMNeT++的仿真实验

5.3.3 MATLAB和OMNeT++的对比分析

5.4 本章小结

第6章 总结

6.1 本文的主要工作

6.2 下一步工作展望

参考文献

致谢

攻读预士学位期间已发表的论文

攻读硕士学位期间参加的科研项目