随着无线通信网络技术的发展和成熟,尤其是无线传输和易于快速组网的优势,无线传感器网络的应用领域不断扩展。在很多新的应用中,需要在各分布式网络节点的时钟上保持很高的一致性,从而实现更精确的数据采样,提高数据获取的质量,同时也能够更好的调度数据传输,降低功耗,延长网络寿命。因此,作为无线传感器网络的一个新兴研究领域,面向无线传感器网络的时间同步技术近年来得到了越来越多的重视,尤其在对时间敏感的分布式应用中,无线传感器网络的时间同步已经成为一项关键核心技术。尽管已经有了较多的时间同步算法,比如应用最广泛的NTP、近年来提出的精确时间同步协议(Precise Time Protocol, PTP)、以及FTSP等。NTP的精度较低,通常在几十个毫秒,FTSP对通信带宽要求较高,而作为IEEE1588标准提出的PTP是针对高精度的时间同步而设计的,能够以相对较低的通信带宽获取较高的同步精度,有望成为未来无线传感器网络时间同步的标准。然而,PTP是针对有线工业Ethernet设计的,对传输延迟的对称性和时间戳的准确性有很高的要求。但是无线数据传输通常会受到信道共享、无线信道衰落、节点移动、数据包冲突和重传等因素的影响,从而造成较大的传输延迟抖动,难以满足PTP的要求。同时,在低成本的无线传感器网络中,由于资源受限,难以获取精确的时间戳。因此需要深入研究延迟抖动、时间标记不确定性等因素对PTP协议的影响,从而为改进PTP算法提供指导。然而,由于在无线传感器网络中普遍采用的CSMA/CA媒介访问控制协议本身就具有较高的复杂度和随机性,因此由CSMA/CA带来的延迟抖动与时间同步精度之间的关系通常只能通过大量的仿真得到。无线传感器网络的PTP时间同步所面临的主要挑战是：1)针对无线传感器网络的特点,如何建立晶振时钟和PTP同步协议的数学模型,如何建立一个更加真实的软件仿真平台对延迟抖动、时间标记不确定性和同步精度进行高精度仿真,以揭示三者之间的关系,并通过大量仿真来验证时间同步算法的性能。2)将现代控制理论中的闭环反馈控制和状态估计技术与时间同步相结合,从而研究如何改进和提高PTP同步算法。这也是本论文研究的主要内容。更具体地说,本文的主要内容和特点就是：(1)对时间同步本质的认识。时间同步就是一个通过估计有偏的本地时钟与全局参考时间的差异并对本地时钟进行调整,从而使得本地时钟与全局参考时间的差异保持在一个较小范围的过程,其本质是一个从一系列带有噪声的时间测量值中滤除噪音,准确估计出时钟偏移的过程。针对基于包交换的计算机网络,大多数时钟同步算法都是通过交换特定的带时间戳的数据包来实现时钟偏移的估计,因此时间同步的过程也是一个以通信带宽和软硬件消耗为代价换取时间精度的过程。(2)无线传感器网络的晶振时钟和PTP同步协议的状态空间建模。这部分的工作主要是详细分析物理时钟的连续模型的离散化过程,从而建立晶振时钟和PTP协议的离散时间数学模型。另一方面,基于前述对时间同步的本质认识,在建立时钟模型和PTP协议模型时,将时钟模型转换为状态转移方程,将PTP协议模型转换为观测方程,从而创新性地建立了时间同步的状态空间模型,为更好的运用闭环反馈控制和状态估计等技术奠定了基础。(3)搭建了一个基于OMNeT++的离散事件仿真器TS2(Time Synchronization Simulator,时间同步仿真器),实现了对基于IEEE802.15.4(TI CC2420)的无线传感器网络的PTP时间同步的高真实度仿真。该仿真器具有高真实度,易于扩展和模块重用,支持移动节点和大规模网络等特点。(4)在所建状态空间模型的基础上,提出了两种PTP时间同步的改进算法,分别为基于比例控制器和卡尔曼滤波器的伺服时钟算法。仿真结果表明：相对于仅有PTP的同步算法,基于比例控制器和卡尔曼滤波器优化的PTP同步算法在同步精度和稳定性上均表现出显著优势。