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无线传感器网络环境下基于卡尔曼滤波器的精确时间同步协议研究

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摘要

第一章 引言

1.1 研究背景

1.2 问题分析及解决思路

1.3 论文结构

第二章 无线传感器网络及时间同步问题

2.1 无线传感器网络

2.1.1 无线传感器网络简介和特点

2.1.2 无线传感器网络时间同步需求分析

2.2 无线传感器网络时间同步协议

2.2.1 经典无线传感器网络时间同步协议

2.2.2 时间同步评价指标

2.2.3 信息包传输延迟分析

2.2.4 无线传感器网络时间同步的挑战

2.3 本章小结

第三章 精确时间同步协议及其优化

3.1 精确时间协议分析

3.1.1 同步过程描述

3.1.2 同步误差分析

3.1.3 应用于无线传感器网络中的可行性分析

3.2 运用动力学系统优化的理论

3.2.1 动力学在时间同步中的应用

3.2.2 滤波器的结构和设计

3.3 本章小结

第四章 系统建模

4.1 时钟的概念

4.1.1 时钟特性

4.1.2 时钟建模

4.2 精确时间同步协议建模

4.2.1 理论建模

4.2.2 实验建模

4.3 基于卡尔曼滤波器的时间同步建模

4.4 本章小结

第五章 基于卡尔曼滤波器的精确时间同步协议仿真和分析

5.1 仿真环境及其说明

5.2 单跳同步仿真实验

5.1.1 同步估计误差的均值分析

5.1.2 同步估计误差的标准差分析

5.1.3 结论

5.2 多跳同步仿真实验

5.2.1 同步误差分析

5.2.2 不同时钟类型的多跳同步实验分析

5.2.3 结论

5.3 本章小结

第六章 总结

6.1 本文的主要工作

6.2 下一步的工作

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

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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,但其最大的弱点是系统的稳定性和可靠性较差。无线通信自身固有的随机性易导致信道可靠性降低,信道共享引发数据包冲突,降低吞吐量,造成节点能源浪费,使得网络性能低,生命周期缩短。时间同步是解决无线传感器网络系统稳定性和可靠性难题的关键技术之一。此外,无线传感器网络众多应用和通信协议要求时间同步为前提,特别是对时间敏感的工业系统,其通信网络的实时性和可靠性要求远远高于普通家庭和商业网络。因此,获取高精度的时间同步,改善同步性能,是无线传感器网络相关领域的研究热点和难点。
   本研究分析了针对工业有线网络环境,基于同步信息包交换的IEEE1588精确时间同步协议(PrecisionTimeProtocol,PTP)同步误差产生的机制,从动力学角度出发,将时间作为动态系统的状态变量,进而将时间同步转化成动态系统的状态估计,在所建状态空间模型的基础上运用Kalman滤波器实现无线传感器网络环境下的精确时间同步。论文主要贡献如下:
   1)基于对IEEE1588精确时间同步协议(PTP)机制及特点的分析,论证并尝试将其应用于无线传感器网络。
   2)基于无线传感器网络节点时钟硬件特征及其数学模型,对IEEE1588精确时间同步协议(PTP)同步信息包交换的动态行为特征进行建模,并应用卡尔曼滤波技术对其进行优化。
   3)基于MATLAB/SIMULINK平台,搭建无线传感器网络环境下IEEE1588精确时间同步协议(PTP)的仿真框架。仿真实验结果显示:相对于无卡尔曼滤波器优化的精确时间同步协议,基于卡尔曼滤波器优化的精确时间同步协议在同步精度和稳定性上均表现出显著优势。

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