基于OMNeT的多跳无线传感网络IEEE1588时间同步优化

摘要

无线传感器网络作为典型的分布式网络，具有自组织、部署灵活、成本低等优势，其最大的弱点是系统的稳定性和可靠性较差。时间同步是解决无线传感器网络稳定性和可靠性的关键技术，尽管已经有了较多的时间同步算法，比如NTP、FTSP及近年来提出的PTP(Precise Time Protocol，PTP)等。NTP的精度较低，通常在几十个毫秒范围内，FTSP对通信带宽要求较高，而IEEE1588 PTP能够以相对较低的通信带宽获取较高的同步精度，有望成为未来无线传感器网络时间同步的标准。然而，IEEE1588 PTP是针对有线工业Ethernet设计的，对传输延迟的对称性和时间戳的准确性有很高的要求。如何找到合理的解决方案，将其应用于多跳无线传感器网络环境中以提高时间同步精度尚无定论。
　　本文研究了如何构建一个更加真实的仿真平台来仿真PTP协议在多跳无线传感器网络中的时间同步性能，并具此提出改善同步性能的措施。更具体地说，本文的主要内容和贡献是:
　　(1)基于对无线传感器网络节点时钟和PTP同步协议的分析，建立了传感器节点的不精确时钟模型及其离散模型，时间标记不确定性模型以及PTP时间同步协议的状态空间模型，且将时钟模型转换为状态转移方程，将PTP协议模型转换为观测方程，为把状态估计技术和卡尔曼滤波技术相结合奠定了基础，从而可以研究如何改进和提高PTP同步算法。
　　(2)搭建了一个基于OMNeT的离散事件仿真器TS3(Time SynchronizationSimulator，时间同步仿真器)，该仿真器实现了对多跳无线传感器网络的时间同步仿真，通过仿真实验验证了:IEEE1588 PTP在多跳无线传感器网络中能达到较高的时间同步精度，但是适应性有待提高。
　　(3)在所建状态空间模型的基础上，提出了基于卡尔曼滤波器的PTP伺服时钟算法。仿真结果表明:相对于仅有PTP的同步算法，基于卡尔曼滤波器优化的PTP算法能显著改善多跳时间同步的精度，并且能很好的适用于多跳无线传感器网络。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．3 时间同步中存在的问题及解决思路

1．4 论文结构

第2章 无线传感器网络及其时钟建模

2．1 无线传感器网络简介

2．1．1 无线传感器网络的结构

2．1．2 无线传感器网络的特点

2．2 无线传感器网络的节点时钟

2．2．1 节点时钟的概念

2．2．2 节点时钟的相关特性

2．3 无线传感器网络的节点时钟建模

2．3．1 节点的不精确时钟建模

2．3．2 不精确时钟的离散化建模

2．4 本章小结

第3章 PTP时间同步研究及其数学建模

3．1 PTP时间同步协议概述

3．1．1 PTP时间同步协议特点

3．1．2 PTP应用于多跳无线传感器网络的可行性分析

3．2 PTP时间同步原理

3．3 多跳无线传感器网络中影响PTP同步的关键因素

3．3．1 传输时延及其不对称性(抖动)

3．3．2 CPU处理延时和时间戳的精度

3．4 PTP时间标记不确定性建模

3．5 PTP多跳时间同步的状态空间建模

3．5．1 晶振时钟的状态转移方程建模

3．5．2 时钟偏移θ的观测方程建模

3．5．4 时钟偏移率γ的观测方程建模

3．5．5 PTP状态空间模型的噪音分析

3．6 时钟偏移率γ的伺服时钟算法

3．7 本章小结

第4章 基于OMNeT的PTP多跳同步仿真器的设计与仿真

4．1 OMNeT简介

4．2 基于OMNeT的PTP多跳时间同步仿真器TS3的设计

4．2．1 PTP多跳时间同步仿真器TS3的结构和节点设计

4．2．2 PTP多跳时间同步仿真器TS3的包交换过程

4．3 PTP协议在多跳时间同步中的性能仿真及分析

4．3．1 PTP多跳时间同步的仿真平台

4．3．2 PTP协议在多跳无线传感网中的同步性能仿真

4．4 本章小结

第5章 基于卡尔曼滤波的PTP多跳时间同步优化及仿真

5．1 基于卡尔曼滤波的PTP状态空间模型

5．1．1 基于卡尔曼滤波的PTP时间同步建模

5．1．2 基于卡尔曼滤波器的PTP伺服时钟算法

5．2 仿真结果及分析

5．2．1 同一时钟类型的多跳同步实验

5．2．2 不同时钟类型的多跳同步实验

5．3 本章小结

第6章 总结

6．1 本文的主要工作

6．2 下一步工作思路

参考文献

致谢

攻读硕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