基于貝葉斯估計的工業(yè)無線網(wǎng)絡時間同步研究.pdf

1、工業(yè)無線網(wǎng)絡是繼現(xiàn)場總線之后，工業(yè)控制領域的又一個研究熱點，是降低工業(yè)測控系統(tǒng)成本、提高工業(yè)測控系統(tǒng)應用范圍的革命性技術，也是未來幾年工業(yè)自動化產(chǎn)品新的增長點。WIA-PA(Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation)網(wǎng)絡是在國家863項目的支持下由中科院、西南大學等10余家單位共同研究開發(fā)的、具有自主知識產(chǎn)權的工業(yè)無線網(wǎng)絡。
　　 時間同步是任何

2、分布式系統(tǒng)的重要組成部分，更是主要采用TDMA(Time DivisionMultiple Access)訪問控制方法的WIA-PA網(wǎng)絡的一項重要支撐技術，對節(jié)點間時隙通信的成功與否起著決定性的作用。現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡時間同步算法都是基于網(wǎng)絡的廣播特性來發(fā)送時間同步分組，但是鑒于WIA-PA網(wǎng)絡的Mesh網(wǎng)絡部分在一個時隙只有兩個鄰居節(jié)點能夠進行通信的限制，在對WIA-PA網(wǎng)絡實現(xiàn)時，這些已有的算法并不能很好的滿足其時間同步需求。

3、r>　　 本文在深入分析FTSP算法直接運用于WIA-PA網(wǎng)絡時的不足之處的基礎上，針對WIA-PA網(wǎng)絡的簇間通信時隙均為專用時隙、一個時隙只能同時與一個鄰居路由進行通信的特點，在FTSP(Flooding Time Synchronization Protocol)算法的基礎上，提出對WIA-PA網(wǎng)絡的Mesh網(wǎng)絡建立邏輯同步樹、使FTSP算法的同步分組沿著邏輯同步樹進行傳輸?shù)姆椒?，達到了避免大量冗余時間同步分組傳輸?shù)哪康?，降低了?/p>

4、費在時間同步上的能量開銷。同時，為了進一步提高時間同步的精度，本文還把貝葉斯估計(Bayesian Estimation)引入到時間同步算法中，通過使用貝葉斯估計來降低對同步分組在網(wǎng)絡中傳輸延遲時間的估計誤差和節(jié)點對本地時間的測量誤差，并使用貝葉斯估計優(yōu)化后的時間戳數(shù)據(jù)來進行線性擬合，從而有效提高了節(jié)點間的時間同步精度。
　　 本文首先介紹了目前正在研究開發(fā)的三種主要工業(yè)無線網(wǎng)絡技術、WIA-PA網(wǎng)絡的主要架構和技術特征。然后介

5、紹了節(jié)點邏輯時鐘的定義，并分析和比較了幾種無線傳感器網(wǎng)絡時間同步機制及其典型的同步算法，在此基礎上提出了以FTSP算法為基礎進行改進來滿足WIA-PA網(wǎng)絡的時間同步需求的思想。首先，根據(jù)WIA-PA網(wǎng)絡的Mesh路由設備在一個簇間時隙中只能與一個鄰居路由節(jié)點進行通信的特點，在WIA-PA新節(jié)點加入Mesh網(wǎng)絡必須經(jīng)由已在網(wǎng)路由轉發(fā)其加入請求的基礎上，通過構建邏輯同步樹，使FTSP算法的時鐘同步分組只發(fā)送給在邏輯同步樹中為自己的子節(jié)點的鄰

6、居路由節(jié)點，有效解決了大量無用的冗余同步分組的傳輸問題，降低了網(wǎng)絡在時間同步上的傳輸開銷。
　　 此外，基于同步分組在網(wǎng)絡中傳輸延遲估計誤差和本地時間測量誤差滿足正態(tài)分布這一特點，本文結合貝葉斯估計來提高對同步分組在網(wǎng)絡中傳輸延遲的估計數(shù)據(jù)和本地時間測量數(shù)據(jù)的準確度，并使用經(jīng)貝葉斯估計優(yōu)化后的節(jié)點時間戳對數(shù)據(jù)來對兩個節(jié)點時鐘的關系進行線性擬合，從而可以更為真實的反映兩個節(jié)點時鐘之間的關系，節(jié)點在獲知時鐘關系后，可以在同步周期內(nèi)動

7、態(tài)調(diào)整自身時間以保證和參考節(jié)點的時間偏差維持在較小的范圍內(nèi)。本文對提出的FTSP-Bayes(貝葉斯)時間同步算法使用NS2(Network Simulator version2)仿真軟件進行了仿真驗證，從仿真結果看，該算法解決了FTSP算法的大量冗余同步分組傳輸問題，使網(wǎng)絡中同步分組的傳輸數(shù)量減少了50％以上。另外，相比于未采用貝葉斯估計的同步算法，本文算法的時間同步精度提高了2μs左右，并且節(jié)點間的時間誤差更加穩(wěn)定，時間偏差的漂移速