基于貝葉斯估計(jì)的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步研究.pdf

1、工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)是繼現(xiàn)場(chǎng)總線之后，工業(yè)控制領(lǐng)域的又一個(gè)研究熱點(diǎn)，是降低工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)成本、提高工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用范圍的革命性技術(shù)，也是未來幾年工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品新的增長(zhǎng)點(diǎn)。WIA-PA(Wireless Networks for Industrial Automation-Process Automation)網(wǎng)絡(luò)是在國(guó)家863項(xiàng)目的支持下由中科院、西南大學(xué)等10余家單位共同研究開發(fā)的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)。
　　 時(shí)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(luò)的一項(xiàng)重要支撐技術(shù)，對(duì)節(jié)點(diǎn)間時(shí)隙通信的成功與否起著決定性的作用?，F(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步算法都是基于網(wǎng)絡(luò)的廣播特性來發(fā)送時(shí)間同步分組，但是鑒于WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的Mesh網(wǎng)絡(luò)部分在一個(gè)時(shí)隙只有兩個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)能夠進(jìn)行通信的限制，在對(duì)WIA-PA網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)時(shí)，這些已有的算法并不能很好的滿足其時(shí)間同步需求。

3、r>　　 本文在深入分析FTSP算法直接運(yùn)用于WIA-PA網(wǎng)絡(luò)時(shí)的不足之處的基礎(chǔ)上，針對(duì)WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的簇間通信時(shí)隙均為專用時(shí)隙、一個(gè)時(shí)隙只能同時(shí)與一個(gè)鄰居路由進(jìn)行通信的特點(diǎn)，在FTSP(Flooding Time Synchronization Protocol)算法的基礎(chǔ)上，提出對(duì)WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的Mesh網(wǎng)絡(luò)建立邏輯同步樹、使FTSP算法的同步分組沿著邏輯同步樹進(jìn)行傳輸?shù)姆椒?，達(dá)到了避免大量冗余時(shí)間同步分組傳輸?shù)哪康模档土嘶?/p>

4、費(fèi)在時(shí)間同步上的能量開銷。同時(shí)，為了進(jìn)一步提高時(shí)間同步的精度，本文還把貝葉斯估計(jì)(Bayesian Estimation)引入到時(shí)間同步算法中，通過使用貝葉斯估計(jì)來降低對(duì)同步分組在網(wǎng)絡(luò)中傳輸延遲時(shí)間的估計(jì)誤差和節(jié)點(diǎn)對(duì)本地時(shí)間的測(cè)量誤差，并使用貝葉斯估計(jì)優(yōu)化后的時(shí)間戳數(shù)據(jù)來進(jìn)行線性擬合，從而有效提高了節(jié)點(diǎn)間的時(shí)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(luò)技術(shù)、WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的主要架構(gòu)和技術(shù)特征。然后介

5、紹了節(jié)點(diǎn)邏輯時(shí)鐘的定義，并分析和比較了幾種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步機(jī)制及其典型的同步算法，在此基礎(chǔ)上提出了以FTSP算法為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)來滿足WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步需求的思想。首先，根據(jù)WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的Mesh路由設(shè)備在一個(gè)簇間時(shí)隙中只能與一個(gè)鄰居路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的特點(diǎn)，在WIA-PA新節(jié)點(diǎn)加入Mesh網(wǎng)絡(luò)必須經(jīng)由已在網(wǎng)路由轉(zhuǎn)發(fā)其加入請(qǐng)求的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建邏輯同步樹，使FTSP算法的時(shí)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(diǎn)的鄰

6、居路由節(jié)點(diǎn)，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(luò)在時(shí)間同步上的傳輸開銷。
　　 此外，基于同步分組在網(wǎng)絡(luò)中傳輸延遲估計(jì)誤差和本地時(shí)間測(cè)量誤差滿足正態(tài)分布這一特點(diǎn)，本文結(jié)合貝葉斯估計(jì)來提高對(duì)同步分組在網(wǎng)絡(luò)中傳輸延遲的估計(jì)數(shù)據(jù)和本地時(shí)間測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，并使用經(jīng)貝葉斯估計(jì)優(yōu)化后的節(jié)點(diǎn)時(shí)間戳對(duì)數(shù)據(jù)來對(duì)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘的關(guān)系進(jìn)行線性擬合，從而可以更為真實(shí)的反映兩個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘之間的關(guān)系，節(jié)點(diǎn)在獲知時(shí)鐘關(guān)系后，可以在同步周期內(nèi)動(dòng)

7、態(tài)調(diào)整自身時(shí)間以保證和參考節(jié)點(diǎn)的時(shí)間偏差維持在較小的范圍內(nèi)。本文對(duì)提出的FTSP-Bayes(貝葉斯)時(shí)間同步算法使用NS2(Network Simulator version2)仿真軟件進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，從仿真結(jié)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(luò)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(jì)的同步算法，本文算法的時(shí)間同步精度提高了2μs左右，并且節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間誤差更加穩(wěn)定，時(shí)間偏差的漂移速