摘 要

无线传感器网络（WSN)作为自组织而且低成本的一种分布式网络，其技术随着应用飞速发展。由于可以很容易地快速组网并拥有无线传输这一特性，其在军事、医疗以及城市建设上应用的也十分广泛。在其应用过程中，各节点互相之间独立并且用无线的方式通信，由于各节点都使用晶体振荡器来为本时钟模块计时，各个节点初始计时时刻的不同和晶振频率的误差会使彼此本地时钟无法同步。因此时间同步在现代测量和控制系统中起着重要作用，现代测量和控制系统需要高精度的时间以保持最佳的采样，信号控制和安全保护性能。

针对这种问题，目前提出的比较成熟的方法包括TPSN协议、RBS协议、DMTS协议和FTPS协议等。而本论文旨在应用IEEE1588协议，先依据常规WSN时间同步协议的研究方法，分析IEEE1588协议在WSN时间同步中的应用，再依据分析结果对IEEE1588时间同步过程进行优化。其中使用MABLAB/OMNet 对节点时钟和同步过程进行建模和仿真，分析同步误差。

关键词：无线传感器网络；IEEE1588协议；时间同步

Abstract

As a self-organizing and low-cost distributed network, wireless sensor network (WSN) has developed rapidly with the application of technology. Because it can be easily networked quickly and has the feature of wireless transmission, it is also widely used in military, medical and urban construction. In its application process, each node is independent of each other and communicates wirelessly. Since each node uses a crystal oscillator to time the clock module, the difference in the initial timing of each node and the error in the crystal frequency will make The local clock cannot be synchronized.

In response to this problem, the more mature methods currently proposed include TPSN protocol, RBS protocol, DMTS protocol and FTPS protocol. The purpose of this thesis is to apply IEEE1588 protocol, first analyze the application of IEEE1588 protocol in WSN time synchronization according to the conventional WSN time synchronization protocol research method, and then optimize the IEEE1588 time synchronization process based on the analysis results. Among them, use MABLAB / OMNet to model and simulate the node clock and synchronization process, and analyze the synchronization error.

Keywords: wireless sensor network; IEEE1588 protocol; time synchronization

目录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 无线传感器网络研究现状 1

1.2.1 国内研究现状 1

1.2.2国外研究现状 3

1.3 研究内容 3

第二章 无线传感器网络 4

2.1 无线传感器网络概述 4

2.2 无线传感器网络特性 4

2.3 无线传感器网络与现有无线自组网的区别 4

2.4 无线传感器网络结构 5

2.4.1 无线传感器网络拓扑结构 5

2.4.2 无线传感器网络节点基本组成单元 5

2.5 无线传感器网络协议栈 6

2.6 无线传感器网络时间同步协议 7

2.6.1 无线传感器网络时间同步概述 7

2.6.2 无线传感器网络时间同步相关协议 7

2.6.3 无线传感器网络典型时间同步协议比较分析 8

2.6.4 无线传感器网络时间同步存在的问题 9

2.7 无线传感器网络时间同步研究现状 9

2.8 章末小结 10

第三章 IEEE1588精确时钟同步协议 11

3.1 网络时间协议 11

3.1.1 网络时间协议简介 11

3.1.2 网络同步技术发展 11

3.2 IEEE1588协议概述 11

3.3 IEEE1588协议时间同步过程 12

3.4 IEEE1588协议在WSN时间同步中的应用分析 13

3.5 PTP在无线传感器网络中可能遇到的问题 13

3.6 章末小结 13

第四章 建模 14

4.1 时钟节点建模 14

4.2 IEEE1588协议时钟标记不确定性建模 14

4.3 伺服时钟算法 14

4.3.1 时钟偏移率估计 14

4.3.2 带偏移率的伺服时钟算法 15

4.4 基于卡尔曼滤波器的建模 15

4.4.1 节点时钟状态转移方程建模 15

4.4.2 精确时钟同步协议观测方程模型 16

4.4.3 时间同步建模优化 17

4.5 章末小结 17

第五章 IEEE1588协议在MATLAB及OMNet 中的实现 18

5.1 MATLAB的IEEE1588协议仿真 18

5.1.1 节点时钟构造 18

5.1.2 精确时钟同步协议在matlab中的仿真过程 18

5.2 OMNet 的IEEE1588协议仿真 19

5.3 精确时钟同步协议仿真与分析 20

5.3.1 MATLAB仿真结果 20

5.3.2 OMNet 仿真结果 21

5.3.3 仿真结果对比分析 23

5.4 章末小结 23

第六章 结论 24

致谢 25

参考文献 26

1. 绪论
   1. 研究背景

在分布式系统中，无论是节点与节点之间的协同工作，还是正确地处理数据，或者准确地传播信息，时间同步都是十分重要的。作为重要的技术支撑，时间同步的目的是将节点的时钟偏移控制的很小。在无线传感器网络中，节点的数量有时十分庞大，但由于成本以及晶体振荡器的原因，时钟偏移可能很大。此外，由于网络节点的计算资源以及通信容量较低。因此如何将无线传感器网络的时间同步精度变得更高值得研究。

现如今时间同步算法主要采用的是时间包交换技术，比如早期广泛运用的网络时间协议（NTP），但NTP的精度只能控制在毫秒级，对于精度要求较低的传感器网络可以采用，但对于工业网络等精度要求高的地方无法满足。因此需要一种能够满足精度需求的技术。

在无线传感器网络的研究中，已经有几种比较成熟的时间同步协议，如TPSN协议、RBS协议、DMTS协议和FTSP协议等，RBS与TPSN同步精度高，但同时能量开销相对较大，DMTS在能量开销与同步精度方面做了折中，同步精度较弱^[1]，FTPS能量开销小，但精度比DMTS精度高，位于RBS与TPSN之间。除此之外国内还提出了改进的时间同步算法TSP-GDM（带有高斯延迟模型的时间同步协议），通过MATLAB仿真验证了该方法的同步精度，发现TSP-GDM可以应用于大规模光伏组件监测的同步拓扑，具有较高的同步精度。与RBS（参考广播同步）、TPSN（传感器网络的定时同步协议）和RTSP(WSN的递归时间同步协议)相比，其内层同步精度分别提高了22.57μs、15.7μs和4.26μs。但由于以上协议均无法在精度和耗能两方面都得到满意的结果，因此本次主要研究的是IEEE1588协议在无线传感器网络（WSN）的时间同步中的应用并根据情况进行优化。

• 1. 无线传感器网络研究现状
     1. 国内研究现状

在我国较早开展无线传感器网络研究的包括中科院研究所、计算所和合肥研究所等研究机构^[2]。

具体的项目有如延安大学与西安邮电大学合作的智能家居的无线传感器网络的设计。用户通过云端下发指令，指令经过PAN协调器转换之后再次传递到许多个传感器子设备，传感器子设备负责收集数据和分析数据，在得到数据后将数据传输给PAN协调器，PAN协调器收集并整理数据后将数据汇总给服务器，再由服务器上传到云端。