基于贝叶斯估计的工业无线网络时间同步研究

摘要

工业无线网络是继现场总线之后，工业控制领域的又一个研究热点，是降低工业测控系统成本、提高工业测控系统应用范围的革命性技术，也是未来几年工业自动化产品新的增长点。WIA-PA(Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation)网络是在国家863项目的支持下由中科院、西南大学等10余家单位共同研究开发的、具有自主知识产权的工业无线网络。
　　 时间同步是任何分布式系统的重要组成部分，更是主要采用TDMA(Time DivisionMultiple Access)访问控制方法的WIA-PA网络的一项重要支撑技术，对节点间时隙通信的成功与否起着决定性的作用。现有的无线传感器网络时间同步算法都是基于网络的广播特性来发送时间同步分组，但是鉴于WIA-PA网络的Mesh网络部分在一个时隙只有两个邻居节点能够进行通信的限制，在对WIA-PA网络实现时，这些已有的算法并不能很好的满足其时间同步需求。
　　 本文在深入分析FTSP算法直接运用于WIA-PA网络时的不足之处的基础上，针对WIA-PA网络的簇间通信时隙均为专用时隙、一个时隙只能同时与一个邻居路由进行通信的特点，在FTSP(Flooding Time Synchronization Protocol)算法的基础上，提出对WIA-PA网络的Mesh网络建立逻辑同步树、使FTSP算法的同步分组沿着逻辑同步树进行传输的方法，达到了避免大量冗余时间同步分组传输的目的，降低了花费在时间同步上的能量开销。同时，为了进一步提高时间同步的精度，本文还把贝叶斯估计(Bayesian Estimation)引入到时间同步算法中，通过使用贝叶斯估计来降低对同步分组在网络中传输延迟时间的估计误差和节点对本地时间的测量误差，并使用贝叶斯估计优化后的时间戳数据来进行线性拟合，从而有效提高了节点间的时间同步精度。
　　 本文首先介绍了目前正在研究开发的三种主要工业无线网络技术、WIA-PA网络的主要架构和技术特征。然后介绍了节点逻辑时钟的定义，并分析和比较了几种无线传感器网络时间同步机制及其典型的同步算法，在此基础上提出了以FTSP算法为基础进行改进来满足WIA-PA网络的时间同步需求的思想。首先，根据WIA-PA网络的Mesh路由设备在一个簇间时隙中只能与一个邻居路由节点进行通信的特点，在WIA-PA新节点加入Mesh网络必须经由已在网路由转发其加入请求的基础上，通过构建逻辑同步树，使FTSP算法的时钟同步分组只发送给在逻辑同步树中为自己的子节点的邻居路由节点，有效解决了大量无用的冗余同步分组的传输问题，降低了网络在时间同步上的传输开销。
　　 此外，基于同步分组在网络中传输延迟估计误差和本地时间测量误差满足正态分布这一特点，本文结合贝叶斯估计来提高对同步分组在网络中传输延迟的估计数据和本地时间测量数据的准确度，并使用经贝叶斯估计优化后的节点时间戳对数据来对两个节点时钟的关系进行线性拟合，从而可以更为真实的反映两个节点时钟之间的关系，节点在获知时钟关系后，可以在同步周期内动态调整自身时间以保证和参考节点的时间偏差维持在较小的范围内。本文对提出的FTSP-Bayes(贝叶斯)时间同步算法使用NS2(Network Simulator version2)仿真软件进行了仿真验证，从仿真结果看，该算法解决了FTSP算法的大量冗余同步分组传输问题，使网络中同步分组的传输数量减少了50％以上。另外，相比于未采用贝叶斯估计的同步算法，本文算法的时间同步精度提高了2μs左右，并且节点间的时间误差更加稳定，时间偏差的漂移速度变慢。
　　 最后，在作者参与WIA-PA网络研究开发的工作过程中，为解决网络节点间的时间同步问题，在所构建的一个WIA-PA网络原型系统中实现了本文提出的FTSP-Bayes时间同步算法。通过对网络节点间时间偏差数据的测试，表明该算法实际应用在WIA-PA中时间精度效果优异，网络节点间的时间偏差小于3.7μs；通过对网络运行状况的监测，表明该算法完全满足了WIA-PA网络对时间同步的需求，为网络的可靠运行提供了坚实的基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 引言

1.1.研究背景

1.2.工业无线网络的研究现状

1.2.1.工业无线技术

1.2.2.工业无线网络的技术标准

1.3.WIA-PA网络

1.3.1.WIA-PA主要技术架构

1.3.2.WIA-PA主要技术特征

1.3.3.WIA-PA网络时间同步

1.4.论文的组织结构

1.5小结

第2章 无线传感器网络时间同步算法

2.1.节点的时间模型

2.1.1.节点的本地时钟

2.1.2.节点的逻辑时钟

2.1.3.同步时钟相关定义

2.2.节点间同步技术

2.2.1.单程同步

2.2.2.双程同步

2.2.3.参考广播同步

2.2.4.参数拟合同步

2.3.无线传感器网络时间同步机制

2.3.1.基于发送者的时间同步机制

2.3.2.基于发送者-接收者的时间同步机制

2.3.3.基于接收者-接收者的时间同步机制

2.3.4.时间同步算法的比较

2.4.小结

第3章 WIA-PA网络FTSP-Bayes时间同步算法

3.1.FTSP算法使用在WIA-PA网络的不足

3.1.1.WIA-PA网络Mesh部分通信特点

3.1.2.FTSP算法运用在WIA-PA网络出现的问题

3.2.Mesh网络逻辑同步树的建立

3.3.FTSP算法和Mesh网络的逻辑同步树相结合的时间同步过程

3.4.贝叶斯估计

3.5.FTSP-Bayes算法

3.5.1.星型结构同步过程

3.5.2.Mesh网络同步过程

3.6.FTSP-Bayes算法的仿真及结果

3.7.小结

第4章 FTSP-Bayes算法的实现

4.1.硬件平台

4.1.1.CC2430介绍

4.1.2.开发板晶振说明

4.2.算法实现

4.2.1.关键技术

4.2.2.软件架构

4.2.3.主要流程图

4.3.测试结果

4.3.1.节点时间误差的测量方法

4.3.2.实验数据

4.4.小结

第5章 总结与展望

5.1.总结

5.2.展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参加项目和发表论文