無線區域網路中同步機制的研究
随着面向流程行業無線通信标準的成熟應用、“中國制造2025”和“網際網路+”的提出，工業過程自動化無線網絡已經引起了學界和業界廣泛的關注。
目前，在工業通信系統的設計中，一個常用的設計方案是使用混合“有線-無線”工業網絡，有線網絡通常使用實時以太網。
而現有的無線通信技術，包括三大工業過程自動化無線通信标準，都僅适用于低速的工業過程自動化，無法滿足高速工廠自動化無線網絡的實時性和高采樣率要求。
是以，在面向高速控制的工廠自動化應用中，無線通信技術仍面臨着巨大技術挑戰。
在無線區域網路中，引入TDMA通信機制和集中式信道管理，通過使用時鐘同步協定保持全網節點的本地時鐘對齊，保證網絡節點按照TDMA機制劃分的時隙準确工作而互不幹擾。
同時，在給定的時隙中獨占信道通路，保證無沖突和确定性網絡通信，完成資料實時傳輸。
是以，在面向高速控制的工業生産應用背景下，研究無線區域網路中的時鐘同步，是一個非常有意義的研究課題。
基于IEEE802.11協定的無線區域網路具有媲美以太網的傳輸速度，且Wi-Fi裝置可以提供高采樣率保證。
但是，由于IEEE802.11協定MAC層發送時延具有随機性，導緻其不具備實時操作的能力。
本文的研究目的就是在IEEE802.11硬體基礎上，完成基于TDMA機制的MAC層設計與實作。
保證MAC層确定性發送時延，并提出新的時鐘同步算法，實作無線區域網路中Station時鐘和AP時鐘對齊。
保證TDMA時隙排程的準确性，進而滿足高速工廠自動化無線網絡的實時性要求。
為了達到本文的研究目的，本文在充分分析國内外關于無線區域網路中資料傳輸實時性和時鐘同步技術研究的基礎上，主要完成如下工作。
本文在TDMA機制的MAC層中添加了同步子產品，該子產品保證了無線區域網路中各Station時鐘與AP時鐘對齊，給TDMA時隙排程提供準确的時間資訊。
針對無線區域網路中TSF模式同步精度低的問題，提出基于改進局部權重線性回歸的時鐘同步算法，該算法的特點是通過減少矩陣運算等措施，減少了時鐘調節耗時。
實驗結果表明，CS-ILWLR算法的同步精度比TSF模式高，可以将同步誤差降低到27µs。
本文提出了一種兩階段時鐘同步算法（TSCSA算法），即樣本資料采集階段同步和最小二乘法線性回歸同步。
TSCSA算法在運作過程中，動态更新樣本資料，選取最新的資料進行拟合計算。在實時Wi-Fi平台上進行了實驗測試，結果表明TSCSA算法的同步誤差低于23µs。
由于在兩次時鐘校準的時間間隔内，Station端的本地時鐘會産生漂移，故本文基于TSCSA算法，提出了時鐘漂移補償算法（CDCA算法）。
利用一次指數平滑法，預測下一個周期的時鐘漂移量，達到補償從時鐘漂移的目的。TSCSA算法與CDCA算法相結合得到基于多階段補償的時鐘同步算法（CS-MSC算法）。
通過對CS-MSC算法的測試，結果表明CS-MSC算法實作了低于21µs的同步誤差。
目前，在低速的工業過程自動化領域已經出現了相對成熟的三大無線标準，而在面向高速控制的工廠自動化應用中，現有的無線網絡技術仍面臨着巨大的挑戰。
本文利用IEEE802.11協定具有的高速性，在IEEE802.11硬體上實作了TDMA機制的MAC層，并提出相關時鐘同步算法。
雖然達到了一定的同步精度，但有許多問題還需要更進一步的研究和探讨。
TDMA時隙配置設定方式。本文采用的是固定時隙配置設定方式，該種方式可以滿足實驗要求，但不具備實際應用的能力，主要是因為固定配置設定方式不能及時适應網絡節點的動态變化，一旦網絡中裝置的增加或者因故障減少，就需要手動更新時隙，增加了系統維護難度。
是以，設計一種新的時隙配置設定方式，提高對網絡動态變化的适應性是接下來研究的重點問題。
本文提出的時鐘同步算法是基于TSF同步模式，而TSF模式并沒有對Beacon幀傳播時延做補償。
雖然Beacon幀傳播時延未補償造成的計算誤差可以忽略不計，但是在實際應用中，同步精度越高肯定越好。是以在接下來的研究中，補償傳播時延提高同步精度是一個有意義的工作。
本文提出的時鐘同步算法綜合考慮了時鐘漂移、時鐘偏移和硬體時間戳，但是對于影響時鐘準确性的外界因素沒有考慮在内，比如溫度、噪音等。
