面向无线传感器网络的IEEE 1588时间同步优化和OMNeT仿真

【摘要】随着无线通信网络技术的发展和成熟,尤其是无线传输和易于快速组网的优势,无线传感器网络的应用领域不断扩展。在很多新的应用中,需要在各分布式网络节点的时钟上保持很高的一致性,从而实现更精确的数据采样,提高数据获取的质量,同时也能够更好的调度数据传输,降低功耗,延长网络寿命。因此,作为无线传感器网络的一个新兴研究领域,面向无线传感器网络的时间同步技术近年来得到了越来越多的重视,尤其在对时间敏感的分布式应用中,无线传感器网络的时间同步已经成为一项关键核心技术。尽管已经有了较多的时间同步算法,比如应用最广泛的NTP、近年来提出的精确时间同步协议(PreciseTimeProtocol,PTP)、以及FTSP等。NTP的精度较低,通常在几十个毫秒,FTSP对通信带宽要求较高,而作为IEEE1588标准提出的PTP是针对高精度的时间同步而设计的,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,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。但是无线数据传输通常会受到信道共享、无线信道衰落、节点移动、数据包冲突和重传等因素的影响,从而造成较大的传输延迟抖动,难以满足PTP的要求。同时,在低成本的无线传感器网络中,由于资源受限,难以获取精确的时间戳。因此需要深入研究延迟抖动、时间标记不确定性等因素对PTP协议的影响,从而为改进PTP算法提供指导。然而,由于在无线传感器网络中普遍采用的CSMA/CA媒介访问控制协议本身就具有较高的复杂度和随机性,因此由CSMA/CA带来的延迟抖动与时间同步精度之间的关系通常只能通过大量的仿真得到。无线传感器网络的PTP时间同步所面临的主要挑战是：1)针对无线传感器网络的特点,如何建立晶振时钟和PTP同步协议的数学模型,如何建立一个更加真实的软件仿真平台对延迟抖动、时间标记不确定性和同步精度进行高精度仿真,以揭示三者之间的关系,并通过大量仿真来验证时间同步算法的性能。2)将现代控制理论中的闭环反馈控制和状态估计技术与时间同步相结合,从而研究如何改进和提高PTP同步算法。这也是本论文研究的主要内容。更具体地说,本文的主要内容和特点就是：(1)对时间同步本质的认识。时间同步就是一个通过估计有偏的本地时钟与全局参考时间的差异并对本地时钟进行调整,从而使得本地时钟与全局参考时间的差异保持在一个较小范围的过程,其本质是一个从一系列带有噪声的时间测量值中滤除噪音,准确估计出时钟偏移的过程。针对基于包交换的计算机网络,大多数时钟同步算法都是通过交换特定的带时间戳的数据包来实现时钟偏移的估计,因此时间同步的过程也是一个以通信带宽和软硬件消耗为代价换取时间精度的过程。(2)无线传感器网络的晶振时钟和PTP同步协议的状态空间建模。这部分的工作主要是详细分析物理时钟的连续模型的离散化过程,从而建立晶振时钟和PTP协议的离散时间数学模型。另一方面,基于前述对时间同步的本质认识,在建立时钟模型和PTP协议模型时,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,从而创新性地建立了时间同步的状态空间模型,为更好的运用闭环反馈控制和状态估计等技术奠定了基础。(3)搭建了一个基于OMNeT++的离散事件仿真器TS2(TimeSynchronizationSimulator,时间同步仿真器),实现了对基于IEEE802.15.4(TICC2420)的无线传感器网络的PTP时间同步的高真实度仿真。该仿真器具有高真实度,易于扩展和模块重用,支持移动节点和大规模网络等特点。(4)在所建状态空间模型的基础上,提出了两种PTP时间同步的改进算法,分别为基于比例控制器和卡尔曼滤波器的伺服时钟算法。仿真结果表明：相对于仅有PTP的同步算法,基于比例控制器和卡尔曼滤波器优化的PTP同步算法在同步精度和稳定性上均表现出显著优势。
【作者】黄艺文；
【导师】李太华；
【作者基本信息】西南大学，信号与信息处理，2014，硕士
【关键词】无线传感器网络；时间同步；PTP；OMNeT++；TS2(时间同步仿真器)；状态空间模型；状态估计；反馈控制；

【参考文献】
[1]王俊秋.虹影小说的追寻情结解读[D].吉林大学,中国现当代文学,2004,硕士.
[2]常畅.激光雷达散射截面测量的一种补偿方法[D].西安电子科技大学,光学工程,2012,硕士.
[3]方琼杰.清肺止痉活血法治疗儿童支原体肺炎的临床研究及其对PLT及D-二聚体的影响[D].北京中医药大学,中医儿科学,2014,硕士.
[4]张维力.均热炉燃烧控制的改进[J].冶金自动化,1993,04:11-14+22-56.
[5]钟晶.云南省城市化与经济发展相互影响的关系[D].云南财经大学,应用统计（专业学位）,2014,硕士.
[6]满建楠.出口弯管对离心通风机性能影响的研究[D].华东理工大学,流体机械及工程,2014,硕士.
[7]聂祝青.Survivin和Caspase-3在结直肠癌中表达及意义[D].桂林医学院,外科学,2012,硕士.
[8]王若韫.女性中医养生文化的新媒体传播实证研究[D].浙江工业大学,传播学,2012,硕士.
[9]毕静.小城市绿地系统规划初探[D].西北农林科技大学,风景园林,2012,硕士.
[10]陈密.天津市部门预算管理问题研究[D].天津大学,公共管理,2013,硕士.
[11]陈桂珍.运用信息技术提升高中英语阅读与写作教学效果的研究[D].华中师范大学,教育管理,2014,硕士.
[12]陈伟.泸天化股份有限公司尿素一车间增产节能改造方案研究[D].四川大学,化学工程,2003,硕士.
[13]陈梅花.银行关系、货币政策与企业债务结构研究[D].苏州大学,会计学,2013,硕士.
[14]张杰.房地产商品住宅价格市场分析及房地产市场泡沫[J].江西建材,2014,15:232.
[15]常文杰.面向智慧果业的智慧商务模型与关键技术研究[D].西北大学,计算机软件与理论,2014,硕士.
[16]吕津,孟婷婷,郑文轩,刘媛媛.对西部地区高校研究生招生生源问题的思考——以塔里木大学为例[J].新疆农机化,2014,03:62-64.
[17]王嘉琦.固—液两相磨粒流中对于颗粒碰撞结构化表面的研究[D].浙江工业大学,机械电子工程,2012,硕士.
[18]赵婷婷.化合物9714对海马和皮质M、N型乙酰胆碱受体各亚基及类神经细胞调节作用的研究[D].河北师范大学,运动人体科学,2004,硕士.
[19]王哲.从当前城中村改造探究我国拆迁行政补偿制度[D].河北师范大学,马克思主义基本原理,2012,硕士.
[20]张璇.基于社会网络分析的舆情管理研究[D].合肥工业大学,信息管理与信息系统,2013,硕士.
[21]李英会.基于时间序列高分辨率SAR影像的地表形变监测技术研究[D].辽宁工程技术大学,摄影测量与遥感,2012,硕士.
[22]聂小保.深圳市给水厂生产废水高效处理技术实验研究[D].西安建筑科技大学,市政工程,2004,硕士.
[23]赵莉莉.土左旗民族中学高中生英语写作问题的调查研究[D].内蒙古师范大学,教育（专业学位）,2013,硕士.
[24]刘宁.装备制造业上市公司会计盈余持续性的实证研究[D].沈阳理工大学,会计学,2013,硕士.
[25]王晓俊.传统庭院景观在当代餐饮空间中的应用研究[D].西南交通大学,艺术设计,2013,硕士.
[26]曹雪梅.CCPC保险公司审计部员工绩效考核体系优化设计研究[D].山东大学,工商管理（专业学位）,2012,硕士.
[27]韩潮.胰腺体尾部肿瘤切除70例报告[D].苏州大学,普通外科（专业学位）,2013,硕士.
[28]周方莲.大学生对一些典型社会污名的责任归因[D].华中师范大学,基础心理学,2003,硕士.
[29]侯振华.变换域图像半脆弱性数字水印研究[D].西安电子科技大学,信号与信息处理,2004,硕士.
[30]郭延春.改革开放以来马克思主义哲学中国化及经验研究[D].延安大学,马克思主义哲学,2014,硕士.
[31]张同云.足薄层矢状面解剖与MRI对照研究[D].青海大学,影像医学与核医学,2013,硕士.
[32]孟小前.基于行程时间实时预测的露天矿调度服务研究[D].中国矿业大学（北京）,地图制图学与地理信息工程,2014,博士.
[33]胡浩纹,魏军,胡涛.模糊数据挖掘算法在人力资源管理中的应用[J].计算机与数字工程,2002,05:25-28+40.
[34]李兆阳.基于复杂网络的向量地址平均长度研究[D].北京交通大学,2015.
[35]洪锦端.广东出口贸易低碳化发展研究[D].广东工业大学,企业管理,2014,硕士.
[36]肖艺君.长沙电信公司无线市话业务拓展及策略研究[D].湖南大学,工商管理,2003,硕士.
[37]钱海忠,王家耀.空间信息系统中的Agent技术[J].测绘科学,2004,01:10-12+16-4.
[38]孙雪.红缘拟层孔菌（Fomitopsis pinicola）抑制肿瘤保健品的研制[D].吉林农业大学,生药学,2012,硕士.
[39]魏亦辰.论检察机关量刑建议制度的完善[D].辽宁大学,法律,2012,硕士.
[40]谢雪.ERP人力资源模块的设计与实现[D].吉林大学,软件工程,2014,硕士.
[41]王芳.浅析器乐伴奏艺术中的钢琴演奏[D].中央音乐学院,器乐伴奏艺术,2012,硕士.
[42]初丽春.集安市农村水利建设问题研究[D].吉林农业大学,农村与区域发展,2012,硕士.
[43]徐惠琳.高新技术企业融资策略研究[D].山东大学,工商管理（专业学位）,2012,硕士.
[44]胡耀明.中学数学研究型课堂教学理论与实践[D].福建师范大学,教育,2003,硕士.
[45]赵小刚.地方政府债务问题研究[D].内蒙古大学,公共管理,2014,硕士.
[46]赵朱园.城市化进程中的城郊村庄治理研究[D].中国矿业大学,行政管理,2014,硕士.
[47]地丽热巴·地里夏提.盐穗木谷胱甘肽过氧化物酶（HcGPX）和谷胱甘肽转硫酶（HcGST）基因的克隆与功能研究[D].新疆大学,生物学,2013,硕士.
[48]吴忠锴.应变测试系统关键技术研究[D].中北大学,测试计量技术及仪器,2013,硕士.
[49]张学兵.试析奥巴马政府的阿富汗政策[D].新疆大学,国际政治,2013,硕士.
[50]韩焦.20世纪90年代以来中国工艺美术行业研究文献综述[D].山东工艺美术学院,艺术学,2014,硕士.