第9卷第2期 智能系统学报 Vol.9 No.2 2014年4月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Apr.2014 D0I:10.3969/j.issn.1673-4785.201310025 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3969/j.issn.1673-4785.201310025.html 多跳无线传感器网络下基于KF优化的PTP协议 杨玉景，黄艺文，李太华，代学武 (西南大学电子信息工程学院，重庆400715) 摘要：保持各节点时间上的同步在分布式系统中具有十分关键的地位，是保证各节点间协同工作，处理数据正确 和传输可靠的前提。无线传感器网络的时间同步，由于获取精确时钟戳难度大、传输延迟抖动明显等问题，导致精 度不够。针对无线传感器网络低功耗的特点及对时钟同步算法精度的要求，提出了一种基于卡尔曼滤波器优化的 EEE1588PTP时间同步方法，研究了无线网络中PTP的性能与时间戳精度之间的关系，在单跳同步实验基础上，将 同步网络拓展到多跳，以验证不同协议模式下的多跳同步性能。仿真结果表明，针对不同时钟标记的不确定性，基 于卡尔曼滤波器优化的PTP协议能够较好地滤除同步噪声，抑制同步误差的传递，在保持同步精度的前提下适用于 更大规模的无线传感器网络。 关键词：无线传感器网络；PTP协议；卡尔曼滤波器：多跳：时间同步：同步噪声 中图分类号：TP393文献标志码：A文章编号：1673-4785(2014)02-0174-06 中文引用格式：杨玉景，黄艺文，李太华，等.多跳无线传感器网络下基于KF优化的TP协议[J].智能系统学报，2014,9(2)：174179. 英文引用格式：YANG Yujing,HUANG Yiwen,.LI Taihua,teal.Precision time protocol(PTP)on the basis of Kalman filtering in the multi-hop wireless sensor network[J].CAAI Transactions on Intelligent Systems,2014,9(2):174-179. Precision time protocol (PTP)on the basis of Kalman filtering in the multi-hop wireless sensor network YANG Yujing,HUANG Yiwen,LI Taihua,DAI Xuewu (School of Electronic and Information Engineering,Southwest University,Chongqing 400715,China) Abstract:Precise time synchronization plays a central role in the distributed system.It is vital to maintain time syn- chronization for collaborative work between nodes,process data correctly,and transmit information reliably.The low accuracy of time synchronization among wireless sensor nodes is caused by obvious transmission delay jitters, low timestamp accuracy,etc.In accordance with the high accuracy and low power consumption requirements,an IEEE 1588 PTP solution for applying the Kalman filtering based precision time protocol (PTP)in multi-hop wire- less sensor network has been proposed for researching the relationship between the performances of PTP in wireless networks and the accuracy of timestamps.The synchronization network is expanded to the multi-hop network based on the single-hop synchronization experiment for the purpose of validating the multi-hop synchronization performance with different protocol modes.The simulation results show that while focusing on the uncertainty of the marker for different clocks,the PTP based on Kalman filter optimization can fiterout the synchronization noise and decrease the synchronization errors,and this method is suitable for larger-scale wireless sensor networks with the goal of ensuring synchronization precision. Keywords:wireless senor network;PTP;Kalman filter;multi-hop wireless network;time synchronization;syn- chronization noise 作为分布式系统的重要组成部分，时间的同步是 收稿日期：2013-10-10.网络出版日期：2014-03-31. 对时间敏感的工业无线网络的关键支撑技术。时间 基金项目：国家自然科学基金资助项目(61101135)：西南大学基本科 研业务费专项资金资助项目(XDJK2012C065). 同步山是解决无线传感器网络系统可靠性和稳定性 通信作者：李太华.E-mail:catalyst(@swu.edu.cm 难题的关键，是一个将所有节点各自不同的局部时间第 ９ 卷第 ２ 期 智 能 系 统 学 报 Ｖｏｌ．９ №．２ ２０１４ 年 ４ 月 ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ａｐｒ． ２０１４ ＤＯＩ：１０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３⁃４７８５．２０１３１００２５ 网络出版地址：ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ ／ ｋｃｍｓ／ ｄｏｉ ／ １０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３⁃４７８５．２０１３１００２５．ｈｔｍｌ 多跳无线传感器网络下基于 ＫＦ 优化的 ＰＴＰ 协议 杨玉景，黄艺文，李太华，代学武 （西南大学 电子信息工程学院，重庆 ４００７１５） 摘 要：保持各节点时间上的同步在分布式系统中具有十分关键的地位，是保证各节点间协同工作，处理数据正确 和传输可靠的前提。 无线传感器网络的时间同步，由于获取精确时钟戳难度大、传输延迟抖动明显等问题，导致精 度不够。 针对无线传感器网络低功耗的特点及对时钟同步算法精度的要求，提出了一种基于卡尔曼滤波器优化的 ＩＥＥＥ １５８８ ＰＴＰ 时间同步方法，研究了无线网络中 ＰＴＰ 的性能与时间戳精度之间的关系，在单跳同步实验基础上，将 同步网络拓展到多跳，以验证不同协议模式下的多跳同步性能。 仿真结果表明，针对不同时钟标记的不确定性，基 于卡尔曼滤波器优化的 ＰＴＰ 协议能够较好地滤除同步噪声，抑制同步误差的传递，在保持同步精度的前提下适用于 更大规模的无线传感器网络。 关键词：无线传感器网络；ＰＴＰ 协议；卡尔曼滤波器；多跳；时间同步；同步噪声 中图分类号： ＴＰ３９３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３⁃４７８５（２０１４）０２⁃０１７４⁃０６ 中文引用格式：杨玉景，黄艺文，李太华，等． 多跳无线传感器网络下基于 ＫＦ 优化的 ＰＴＰ 协议［Ｊ］． 智能系统学报， ２０１４， ９（２）： １７４⁃１７９． 英文引用格式： ＹＡＮＧ Ｙｕｊｉｎｇ，ＨＵＡＮＧ Ｙｉｗｅｎ，ＬＩ Ｔａｉｈｕａ， ｔｅ ａｌ． Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｔｉｍｅ ｐｒｏｔｏｃｏｌ （ＰＴＰ） ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ Ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ⁃ｈｏｐ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ［Ｊ］． ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ， ２０１４， ９（２）： １７４⁃１７９． Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｔｉｍｅ ｐｒｏｔｏｃｏｌ （ＰＴＰ） ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ Ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ⁃ｈｏｐ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ＹＡＮＧ Ｙｕｊｉｎｇ， ＨＵＡＮＧ Ｙｉｗｅｎ， ＬＩ Ｔａｉｈｕａ， ＤＡＩ Ｘｕｅｗｕ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４００７１５， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｒｅｃｉｓｅ ｔｉｍｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｐｌａｙｓ ａ ｃｅｎｔｒａｌ ｒｏｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｓｙｓｔｅｍ． Ｉｔ ｉｓ ｖｉｔａｌ ｔｏ ｍａｉｎｔａｉｎ ｔｉｍｅ ｓｙｎ⁃ ｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｗｏｒｋ ｂｅｔｗｅｅｎ ｎｏｄｅｓ， ｐｒｏｃｅｓｓ ｄａｔａ ｃｏｒｒｅｃｔｌｙ， ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｔ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｒｅｌｉａｂｌｙ． Ｔｈｅ ｌｏｗ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｉｍｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ａｍｏｎｇ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｏｄｅｓ ｉｓ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｏｂｖｉｏｕｓ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｄｅｌａｙ ｊｉｔｔｅｒｓ， ｌｏｗ ｔｉｍｅｓｔａｍｐ ａｃｃｕｒａｃｙ， ｅｔｃ． Ｉｎ ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ， ａｎ ＩＥＥＥ １５８８ ＰＴＰ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｆｏｒ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｔｈｅ Ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｂａｓｅｄ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｔｉｍｅ ｐｒｏｔｏｃｏｌ （ＰＴＰ） ｉｎ ｍｕｌｔｉ⁃ｈｏｐ ｗｉｒｅ⁃ ｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆｏｒ ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ ＰＴＰ ｉｎ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ａｎｄ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｉｍｅｓｔａｍｐｓ． Ｔｈｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｓ ｅｘｐａｎｄｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ⁃ｈｏｐ ｎｅｔｗｏｒｋ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ⁃ｈｏｐ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｖａｌｉｄａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ⁃ｈｏｐ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｍｏｄｅｓ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｗｈｉｌｅ ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｒｋｅｒ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｌｏｃｋｓ， ｔｈｅ ＰＴＰ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｃａｎ ｆｉｔｅｒｏｕｔ ｔｈｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｎｏｉｓｅ ａｎｄ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｅｒｒｏｒｓ， ａｎｄ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｌａｒｇｅｒ⁃ｓｃａｌｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｇｏａｌ ｏｆ ｅｎｓｕｒｉｎｇ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ； ＰＴＰ； Ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒ； ｍｕｌｔｉ⁃ｈｏｐ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｎｅｔｗｏｒｋ； ｔｉｍｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ； ｓｙｎ⁃ ｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｎｏｉｓｅ 收稿日期：２０１３⁃１０⁃１０． 网络出版日期：２０１４⁃０３⁃３１． 基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１１０１１３５）；西南大学基本科 研业务费专项资金资助项目（ＸＤＪＫ２０１２Ｃ０６５）． 通信作者：李太华． Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｃａｔａｌｙｓｔ＠ ｓｗｕ．ｅｄｕ．ｃｎ． 作为分布式系统的重要组成部分，时间的同步是 对时间敏感的工业无线网络的关键支撑技术。 时间 同步［１］是解决无线传感器网络系统可靠性和稳定性 难题的关键，是一个将所有节点各自不同的局部时间