面向硬实时工业无线网络的高精度时间同步方法研究与实现

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题名	面向硬实时工业无线网络的高精度时间同步方法研究与实现
作者	杨雨沱
学位类别	硕士
答辩日期	2013-05-28
授予单位	中国科学院沈阳自动化研究所
导师	梁炜
关键词	工业无线网络工厂自动化无线网络 IEEE 802.1 TDMA 时间同步
其他题名	Research and Implementation of High Precision Time Synchronization Method Oriented to Hard Real-time Industrial Wireless Network
学位专业	控制理论与控制工程
中文摘要	工业无线网络技术是一种面向工厂设备间信息交互的无线网络技术。工业无线网络以其低成本、易使用、易维护等特点，已成为降低工业测控系统成本、扩展应用范畴的革命性技术。然而，工业应用的特殊性对无线技术提出了高可靠、硬实时、低能耗等严格的性能需求。针对这一问题，自20世纪以来，先进工业国家投入巨资开展了该方面的研究，工业无线网络技术获得了突飞猛进的发展。但目前的工业无线技术的应用还仅局限于过程自动化领域监测等具有软实时特征的应用，还无法满足具有硬实时通信要求的离散制造业工厂自动化应用需求。时间同步是实现硬实时通信的基础技术。工厂自动化应用对时间同步提出了更高的要求，现有技术还无法应对这一挑战。本文针对面向工厂自动化的工业无线网络的硬实时通信要求，设计了一套高精度时间同步方法，并在网络原型系统实现了该方法，最终通过软硬件测试平台验证了其有效性，取得的具体成果如下：1.概述了工业无线网络的概念、挑战及其发展现状；阐述了时间同步技术及其在工业无线网络中的重要作用；详细介绍和分析了现有无线传感器网络的时间同步方法；并进一步归纳了面向离散制造业控制系统的工业无线网络的时间同步需求。2.针对网络节点间的时钟相位偏移以及网络特性，分别面向小规模和大规模网络提出了两种高精度、低开销的时间同步方法。所提基于TDMA的小规模网络高精度双向时间同步方法通过时戳信息聚合与解聚、过程数据捎带等低开销双向时戳获取机制，可精确测算时钟源与网络节点间的时钟偏差值，消除同步报文传输的不确定性时延，且具有低开销的优点。基于接收者的大规模网络低开销时间同步方法充分利用星型网络的结构特征，将原本是时钟源的接入设备作为接收者，并利用其广播它与其他接受者的时间偏差，消除了任意接受者间一对一的时间偏差获取过程，降低了时间同步开销，提高了时间同步方法的可扩展性。3.针对恶劣工厂环境下网络节点间时钟频率偏移的不确定性，提出了基于预测补偿的自适应鲁棒时间同步方法。该方法采用指数加权移动平均算法预测时钟偏差，通过所提权重参数的自适应选取机制，实现了节点时钟频率漂移的线性补偿，使时钟漂移率趋于0。实验表明该方法可在通信不可靠等不确定环境下仍可保证时间同步的精度，并通过与之前所提时间相位偏移校准算法的结合，时间同步精度最高可达7us，能够满足工厂自动化无线网络的要求。4.为验证本文提出的时间同步算法，搭建了面向工厂自动化的工业无线网络原型系统；在此基础上，设计并开发了时间同步测试验证平台。该平台分别用软、硬件两种方法，测试时间同步精度，验证了本文所提出的时间同步算法的有效性。
语种	中文
公开日期	2013-08-19
页码	65页
分类号	TN926
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.sia.ac.cn/handle/173321/10743]
专题	沈阳自动化研究所_工业控制网络与系统研究室
推荐引用方式 GB/T 7714	杨雨沱. 面向硬实时工业无线网络的高精度时间同步方法研究与实现[D]. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2013.