基于卡爾曼濾波優(yōu)化的IEEE1588PTP在多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的同步性能分析.pdf

1、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，帶來(lái)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為典型的分布式網(wǎng)絡(luò)，具有自組織、部署靈活、成本低等優(yōu)勢(shì)，其最大的弱點(diǎn)是系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性較差。時(shí)間同步是解決無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。而傳統(tǒng)的GPS和NTP算法由于復(fù)雜度及能量問(wèn)題，對(duì)節(jié)點(diǎn)能量及能力受限的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)并不適用。尋求適于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高精度的時(shí)間同步算法勢(shì)在必行。 IEEE1588精確時(shí)間同步協(xié)議(Precision Time Syn

2、chronization Protocol，PTP)，在一定條件下，其同步精度可控制在微秒級(jí)，遠(yuǎn)高于NTP算法。同時(shí)，相比于FTSP、TPSN等算法，IEEE1588 PTP操作更為簡(jiǎn)單、對(duì)帶寬要求相對(duì)較低，更加適于運(yùn)行在通信帶寬和能量受限的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上。但I(xiàn)EEE1588 PTP是針對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境提出的，需要對(duì)稱的通信路徑和精確的時(shí)間標(biāo)記。如何找到合理的解決方案，將其應(yīng)用于多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中以提高無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步

3、精度尚無(wú)定論。
　　面對(duì)這一現(xiàn)狀，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗的特點(diǎn)以及對(duì)時(shí)鐘同步算法高精度的要求，本研究提出了一種基于卡爾曼濾波技術(shù)優(yōu)化的IEEE1588 PTP的時(shí)間同步方法，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證該方法的可行性。論文主要工作如下:
　　1.基于對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘硬件特征的分析，本研究構(gòu)建了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘的數(shù)學(xué)模型;
　　2.基于對(duì)IEEE1588 PTP同步報(bào)文交換機(jī)制的分析，本研究構(gòu)建了多跳無(wú)線傳

4、感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的IEEE1588 PTP同步報(bào)文交換的數(shù)學(xué)模型，并在MATLAB/SIMULINK平臺(tái)搭建IEEE1588 PTP同步報(bào)文交換的狀態(tài)空間模型，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:IEEE1588 PTP在多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中能達(dá)到較高的時(shí)間同步精度，表現(xiàn)了良好的適應(yīng)性;
　　3.基于上述IEEE1588 PTP模型以及對(duì)卡爾曼濾波技術(shù)工作原理的分析，本研究采用卡爾曼濾波器對(duì)IEEE1588 PTP的同步性能進(jìn)行優(yōu)化，并在MATL

5、AB/SIMULINK平臺(tái)上搭建基于卡爾曼濾波優(yōu)化的IEEE1588 PTP的空間模型。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:針對(duì)不同子時(shí)鐘標(biāo)記的不確定性，相對(duì)于無(wú)卡爾曼濾波器優(yōu)化的IEEE1588 PTP，基于卡爾曼濾波優(yōu)化的IEEE1588 PTP在同步精度和穩(wěn)定性上均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。由此可知，基于卡爾曼濾波優(yōu)化的IEEE1588 PTP在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，能較好地濾除同步噪聲，抑制同步誤差的傳遞，在保持同步精度的前提下適用于更大規(guī)模的多跳無(wú)線傳感