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

1、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進步，帶來了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展。無線傳感器網(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，其最大的弱點是系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性較差。時間同步是解決無線傳感器網(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算法由于復雜度及能量問題，對節(jié)點能量及能力受限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)并不適用。尋求適于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高精度的時間同步算法勢在必行。 IEEE1588精確時間同步協(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，遠高于NTP算法。同時，相比于FTSP、TPSN等算法，IEEE1588 PTP操作更為簡單、對帶寬要求相對較低，更加適于運行在通信帶寬和能量受限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上。但IEEE1588 PTP是針對有線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境提出的，需要對稱的通信路徑和精確的時間標記。如何找到合理的解決方案，將其應用于多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中以提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步

3、精度尚無定論。
　　面對這一現(xiàn)狀，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗的特點以及對時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的時間同步方法，并通過仿真實驗來驗證該方法的可行性。論文主要工作如下:
　　1.基于對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時鐘硬件特征的分析，本研究構(gòu)建了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點時鐘的數(shù)學模型;
　　2.基于對IEEE1588 PTP同步報文交換機制的分析，本研究構(gòu)建了多跳無線傳

4、感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的IEEE1588 PTP同步報文交換的數(shù)學模型，并在MATLAB/SIMULINK平臺搭建IEEE1588 PTP同步報文交換的狀態(tài)空間模型，通過仿真實驗結(jié)果可知:IEEE1588 PTP在多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中能達到較高的時間同步精度，表現(xiàn)了良好的適應性;
　　3.基于上述IEEE1588 PTP模型以及對卡爾曼濾波技術(shù)工作原理的分析，本研究采用卡爾曼濾波器對IEEE1588 PTP的同步性能進行優(yōu)化，并在MATL

5、AB/SIMULINK平臺上搭建基于卡爾曼濾波優(yōu)化的IEEE1588 PTP的空間模型。仿真實驗結(jié)果顯示:針對不同子時鐘標記的不確定性，相對于無卡爾曼濾波器優(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。由此可知，基于卡爾曼濾波優(yōu)化的IEEE1588 PTP在無線傳感器網(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)模的多跳無線傳感