无线局域网中同步机制的研究
随着面向流程行业无线通信标准的成熟应用、“中国制造2025”和“互联网+”的提出，工业过程自动化无线网络已经引起了学界和业界广泛的关注。
目前，在工业通信系统的设计中，一个常用的设计方案是使用混合“有线-无线”工业网络，有线网络通常使用实时以太网。
而现有的无线通信技术，包括三大工业过程自动化无线通信标准，都仅适用于低速的工业过程自动化，无法满足高速工厂自动化无线网络的实时性和高采样率要求。
所以，在面向高速控制的工厂自动化应用中，无线通信技术仍面临着巨大技术挑战。
在无线局域网中，引入TDMA通信机制和集中式信道管理，通过使用时钟同步协议保持全网节点的本地时钟对齐，保证网络节点按照TDMA机制划分的时隙准确工作而互不干扰。
同时，在给定的时隙中独占信道访问，保证无冲突和确定性网络通信，完成数据实时传输。
所以，在面向高速控制的工业生产应用背景下，研究无线局域网中的时钟同步，是一个非常有意义的研究课题。
基于IEEE802.11协议的无线局域网具有媲美以太网的传输速度，且Wi-Fi设备可以提供高采样率保证。
但是，由于IEEE802.11协议MAC层发送时延具有随机性，导致其不具备实时操作的能力。
本文的研究目的就是在IEEE802.11硬件基础上，完成基于TDMA机制的MAC层设计与实现。
保证MAC层确定性发送时延，并提出新的时钟同步算法，实现无线局域网中Station时钟和AP时钟对齐。
保证TDMA时隙调度的准确性，从而满足高速工厂自动化无线网络的实时性要求。
为了达到本文的研究目的，本文在充分分析国内外关于无线局域网中数据传输实时性和时钟同步技术研究的基础上，主要完成如下工作。
本文在TDMA机制的MAC层中添加了同步模块，该模块保证了无线局域网中各Station时钟与AP时钟对齐，给TDMA时隙调度提供准确的时间信息。
针对无线局域网中TSF模式同步精度低的问题，提出基于改进局部加权线性回归的时钟同步算法，该算法的特点是通过减少矩阵运算等措施，减少了时钟调节耗时。
实验结果表明，CS-ILWLR算法的同步精度比TSF模式高，可以将同步误差降低到27µs。
本文提出了一种两阶段时钟同步算法（TSCSA算法），即样本数据采集阶段同步和最小二乘法线性回归同步。
TSCSA算法在运行过程中，动态更新样本数据，选取最新的数据进行拟合计算。在实时Wi-Fi平台上进行了实验测试，结果表明TSCSA算法的同步误差低于23µs。
由于在两次时钟校准的时间间隔内，Station端的本地时钟会产生漂移，故本文基于TSCSA算法，提出了时钟漂移补偿算法（CDCA算法）。
利用一次指数平滑法，预测下一个周期的时钟漂移量，达到补偿从时钟漂移的目的。TSCSA算法与CDCA算法相结合得到基于多阶段补偿的时钟同步算法（CS-MSC算法）。
通过对CS-MSC算法的测试，结果表明CS-MSC算法实现了低于21µs的同步误差。
目前，在低速的工业过程自动化领域已经出现了相对成熟的三大无线标准，而在面向高速控制的工厂自动化应用中，现有的无线网络技术仍面临着巨大的挑战。
本文利用IEEE802.11协议具有的高速性，在IEEE802.11硬件上实现了TDMA机制的MAC层，并提出相关时钟同步算法。
虽然达到了一定的同步精度，但有许多问题还需要更进一步的研究和探讨。
TDMA时隙分配方式。本文采用的是固定时隙分配方式，该种方式可以满足实验要求，但不具备实际应用的能力，主要是因为固定分配方式不能及时适应网络节点的动态变化，一旦网络中设备的增加或者因故障减少，就需要手动更新时隙，增加了系统维护难度。
因此，设计一种新的时隙分配方式，提高对网络动态变化的适应性是接下来研究的重点问题。
本文提出的时钟同步算法是基于TSF同步模式，而TSF模式并没有对Beacon帧传播时延做补偿。
虽然Beacon帧传播时延未补偿造成的计算误差可以忽略不计，但是在实际应用中，同步精度越高肯定越好。所以在接下来的研究中，补偿传播时延提高同步精度是一个有意义的工作。
本文提出的时钟同步算法综合考虑了时钟漂移、时钟偏移和硬件时间戳，但是对于影响时钟准确性的外界因素没有考虑在内，比如温度、噪音等。
