工業無線網絡的精確時間同步方法

2023-05-07 06:29:51

專利名稱：工業無線網絡的精確時間同步方法
技術領域：
本發明屬於工業無線網絡通信技術領域，尤其涉及工業無線網絡中的一 種精確時間同步方法。
技術背景工業無線通信技術作為工業通信技術領域的一個全新的方向，是新興學 科與傳統學科進行領域間學術交叉的結果，己經引起了學術界和工業界的廣 泛關注，並成為當前國內外研究的熱點技術之一。網絡系統的時間同步問題無論在理論上還是在實際應用中都具有重要的 價值，它是保證任何一個通信網絡或分布系統各種性能的基礎。時間同步機制在傳統網絡中已經得到廣泛應用，NTP(Network Time Protocol )是Internet 採用的時間同步協議，具有精度高、魯棒性好和易擴展等優點，已經廣泛使 用，但是它依賴的條件在工業無線網絡中難以滿足，例如，NTP協議應用在已 有的有線網絡中，網絡鏈路失敗的概率很小，NTP協議的網絡結構相對穩定， NTP協議需要通過頻繁交換消息來不斷校準時鐘頻率偏差帶來的誤差，CPU使 用、信道監聽和佔用都不受任何約束等；RBS (Reference Broadcast Synchronization)雖然消除了發送端傳播延遲引入的同步誤差，提高了同歩 精度，但是這種方法只適用於小規模的網絡，擴展性差，交換消息數量多； TPSN (Timing-sync Protocol for Sensor Networks)將NTP時間同歩方法 引入到無線網絡中，取得了比較好的精度，但是同步過程複雜度相對較大， 交換的消息數量多，收斂速度慢。因此，本發明針對工業無線網絡的無線鏈 路質量受環境影響往往較差、網絡拓撲結構動態變化、資源能量有限等獨特 性提出了工業無線的 一種時間同步方法。 發明內容本發明針對現有技術的上述缺陷，根據工業無線網絡能源供應有限、動態變化的網絡環境、無線網絡介質的開放性等特點，提出適合工業無線網絡 的一種精確時間同步方法，對系統進行分層分級管理，逐級進行時間同步， 最後達到全網時間同步，在滿足工業無線網絡性能要求的前提下確保整個網 絡按照統一的時間標尺運行，有效解決工業無線網絡內部時鐘統一的問題， 保障系統正常運行，是確定性調度、自適應跳信道等其它技術的基礎。本發明所採用的技術方案是根據工業現場網絡層次結構設置網絡中各層 設備的級別，對系統進行分層分級管理，上一級設備作為父設備，下一級設 備作為子設備，設置父設備的時鐘為子設備的標準時鐘，父設備周期性發送 附帶時間同步信息的信標幀，在發送信標幀過程中，利用SFD中斷捕捉發送 時間戳，並將發送時間戳放入信標幀尾部和信標幀一併發送，子設備在接收信標幀過程中，記錄下利用SFD中斷捕捉的接收時間戳，接收完成後解析信標幀獲得發送時間戳，得到一對發送接收時間戳對，子設備採用最小二乘法擬合最近N次的時間戳對，得到本設備時鐘與標準時鐘的頻率偏差和時間偏 差，補償本地時鐘，實現子設備與其父設備的時鐘同步；對網絡中所有子設 備循環執行上述與父設備的同步過程，直至網絡中所有的下一級設備都完成 與其上一級設備的時鐘同步，實現全網的時間同步。本發明設計的工業無線網絡時間同步方法，通過動態估計工業無線網絡設 備之間的時鐘頻率偏差和當前時間偏差，並利用估計的偏差值對設備時鐘進 行補償，從而遏制了在兩次同步操作之間時間段內同步誤差的自由增長，有 效提高了工業無線網絡時間同步的精度。這種方法具有良好的自適應性、可 擴展性和較高的同步精度，在低能量消耗的情況下得到較高的時間同步精度。將FTSP協議與本發明提供的工業無線網絡時間同步方法相結合，可以在 不增加報文個數的前提下，大幅度地提高FTSP時間同步算法的同步精度，大 幅度提高在兩次同步操作之間的時間段內的同步精度，使得即使在深度休眠 的狀況下或者很低的同步操作頻率下，也能獲得很高的同步精度。能提高確 定性調度的精度、數據融合的程度、低功耗的協議性能等直接關係到工業無 線網絡性能的各項指標。


圖l:時間同步處理流程2:信標幀結構3:信標幀發送示意4:星型網絡同步精度對比示意圖具體實施方式
本發明基於FTSP協議的信標幀附帶時間同步信息，子設備通過動態地估 計與其父設備之間的時鐘速率偏差，並利用估計的時鐘速率偏差對本地時鐘 進行補償，從而遏制了在兩次同步操作之間時間段內時鐘誤差的自由增長， 有效地提高了工業無線網絡時間同步的精度。本發明提供的工業無線網絡的精確時間同步方法，獨立於具體的時間同步 算法，通過動態估計設備之間的時鐘速率偏差，根據已經估計出的時鐘速率 偏差信息對設備時間進行補償，從而達到提高時間同步算法精度的目的。由於受到生產工藝及外界環境如電壓、溫度、溼度、晶體老化等因素的影 響，晶體振蕩器的實際震蕩頻率與其標稱頻率不能一致。通過大量的統計後發現即使是具有相同標稱頻率的晶體振蕩器，它們的實際震蕩頻率也是有差值的，而該值就是設備時鐘偏差不斷增大的主要原因。若能獲得設備間時 鍾頻率偏差並利用該信息對設備的時鐘進行補償，將會大幅度地提高時間同 步的精度。在工業現場網絡層次結構中，根據設備在網絡中所處的位置，設置網絡 中各層設備的級別，上一級設備作為下一級設備的父設備，下一級設備作為 上一級設備的子設備，將網絡中最上層層次結構中的父設備的時鐘設置為標 準時鍾，父設備周期性發送附帶時間同步信息的信標幀，並將發送時間戳放入信標幀尾部和信標幀一併發送；子設備在接收信標幀過程中，記錄下利用 SFD中斷捕捉的接收時間戳，接收完成後解析信標幀獲得發送時間戳，得到一 對發送接收時間戳，這樣接收到N次信標幀就有N對發送接收時間戳，子設 備採用最小二乘法擬合最近N次的時間戳對，得到本設備時鐘與標準時鐘的頻率偏差和時間偏差，補償本地時鐘，實現子設備與其父設備的時鐘同步；網絡中其他子設備循環執行上述過程，實現與其父設備的時鐘同步，直至網 絡中所有的下一級設備都完成與其上一級設備的時鐘同步，實現全網的時間 同步。以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。 如圖1所示為本發明所述的時間同步處理流程圖，在工業網絡層次結構 中，最上層的父設備將信標幀放入發送緩衝區進行發送，信標幀中附帶有時間同步信息，當發送到SFD部分時產生中斷，將發送時間戳加入信標幀預留 的時間戳位置，與信標幀一併發送。子設備接收信標幀，在接收到SFD部分 時產生中斷，記錄下子設備的接收時間戳，子設備根據接收到的信標幀解析 發送時間戳，發送時間戳與接收時間戳組合成一對接收發送時間戳，採用最 小二乘法對最近的N次接收發送時間戳進行擬合得到時鐘頻率偏差和當前時 間偏差，對本地時鐘進行補償校準，達到和標準時鐘的精確時間同歩。設備休眠時，利用休眠前最後N次的發送接收時間戳進行擬合，對本地 時鐘進行頻率偏差補償。如圖2所示為本發明提供的信標幀結構圖，物理層的信標包(PPDU)由前 同步碼、定界符(SFD)、幀長和物理層信標包載荷(PSDU)構成，物理層信 標包載荷是MAC層生成的MAC層信標幀，MAC層信標幀由MAC層幀頭(M服)、 MAC層服務數據單元(MSDU)、時間戳和幀校驗序列(FCS)構成。當發送方發 送到信標幀的定界符時，自動產生SFD中斷，接收方接收到信標幀定界符時， 也產生SFD中斷，發送方和接收方通過SFD中斷捕捉各自的時間戳。信標幀由父設備的MAC層生成，在信標幀中預留髮送時間戳位置，在父設 備發送信標幀到定界符SFD時，產生中斷，把發送時間戳加入到信標幀中預 留的時間戳位置，由於IEEE802. 15.4協議在2. 4G頻段上的傳輸速度為 250kbps，每個比特4us，當發送到時間戳部分時中斷程序已經運行結束，時 間戳已經加入預留位置，中斷加入時間戳過程和發送過程互不影響；接收信 標幀時，在SFD中斷記錄下接收時間戳，以便解析信標幀時與發送時間戳組合成一對時間戳進行處理。由於發送點和接收點之間存在一定距離，發送和接收時間戳之間必然存在一定誤差，根據光在空氣中的傳播速度3X108m/s， 一微秒可以傳播300米，運用於工業現場設備之間的傳播耗時相對於整個時鐘誤差完全可以忽略不計。如圖3所示為本發明提供的基於最近N次FTSP同步操作估計出設備間的 時鐘相對頻率偏差的示意圖。發送方按本地時鐘間隔時間T周期性發送信標幀，對第一級設備，父設備 在i;時刻發送，子設備在^時刻接收，上一級的子設備成為下一級的父設備， 對第二級設備，間隔時間T後，父設備在7;時刻發送，子設備在^時刻接收， 直至7;時刻，在發送過程中，利用SFD中斷將發送時間戳加入報文預留的時 間戳位置一併發送，接收方接收到信標幀，利用SFD中斷記錄下接收的時間 戳，解析信標幀報文獲得發送時間戳。這樣每接收一次信標幀就得到一對發 送接收時間戳，根據每次信標幀發送間隔T採用最小二乘法擬合最近N次時 間戳，得到本地時鐘與標準時鐘的頻率偏差Ar和當前時間偏差A"本地時鐘 加上"補償本地時鐘實現與父設備的時間同步。調用以下公式計算第i級設備的標準時鐘頻率偏差Ar和當前時間偏差A"formula see original document page 7式中，r,表示父設備第i次發送的時間戳，,,表示子設備第1次接收的時間戳，N表示時間戳對的個數。當設備休眠時，通過休眠前最後N次的擬合結果，對設備本地時鐘周期性的加上Ar，對當前子設備的時鐘頻率偏差進行補償，達到精確時鐘同步的目 的。以下以幾種具體的網絡結構為例對網絡中設備的時間同步處理過程作具體描述。在星型網絡中，只有一層父設備和一層子設備，父設備周期性的發送信 標幀，各個子設備接收到父設備發送的信標幀後，利用接收發送時間戳計算 時鐘頻率偏差和當前時間偏差，對本地時鐘進行補償，實現網絡中所有子設 備與父設備之間的時鐘同步。在樹型層次結構網絡中，每個設備都設置有惟一的標識號ID，整個網絡 內所有設備按照層次結構進行時間同步。首先將協調器賦予最高級別(第0 級)，協調器的子設備設置為第1級，以此類推，第i級的設備至少能夠與一 個第(i-l)級的設備通信；第1級設備作為子設備接收其父設備協調器發送的信標幀，並同步到協調器，第i級的所有設備同步到第(i-l)級的設備，最終所有設備都同步到協調器，實現整個網絡的時間同步。以下對上述同步的過程進行具體描述。在協調器形成網絡，其他設備加 入網絡後，協調器通過廣播級別發現數據包啟動層次發現階段，級別發現數 據包中包含設備的ID和級別(第0級)；協調器的子設備收到協調器發送的 級別發現數據包後，將其設備級別設置為協調器的級別加l，即為第1級，第 1級設備然後廣播新的級別發現數據包，其中包含的設備級別為1;第i級設備收到第(i-l)級設備廣播的級別發現數據包後，記錄發送這個數據包的設備ID，將其設置為自己的父設備，並設置自己的級別為i;持續上述層次識 別和級別設置過程，直到網絡內的每個設備都賦予一個級別。設備一旦建立 自己的級別，就忽略任何其他級別發現，以防止網絡產生洪泛擁塞。層次結 構建立以後，級別為0的協調器作為父設備，周期性的發送信標幀，級別為l 的設備根據接收到的信標幀，全部建立與父設備協調器的同步，級別為1的設備同步到協調器後，向自己的下一級設備廣播信標幀，級別為2的設備根據接收到的信標幀實現與級別為1的設備的同步。以此類推，級別為i的設 備通過接收到的信標幀同步到級別為(i-l)的設備。協調器周期性廣播帶有時間同步消息的信標幀，1級設備在收到協調器廣播的信標幀後時間同步到協調器，同樣，2級設備在收到1級設備的信標幀後同步到其父設備1級設備，這樣，每個設備與其父設備進行時間同步，最終 所有設備都時間同步到協調器。為了更好地對本發明的優勢進行描述，我們使用第三方測試平臺對同步精度誤差進行了實際的網絡測量，如圖4所示為本發明工業無線網絡的時間同步方法長期運行檢測的時間同步精度結果。第三方測試平臺在網絡完成時間 同步後廣播一個消息，然後收集網絡中各個設備收到該消息的時間戳，測試時間為150min，每個設備收到消息的時間戳與協調器收到消息的時間戳進行 比較，得到網絡中設備的同步精度誤差，整個網絡時間同步精度誤差控制在 4.5^is以內，很好的實現了工業無線網絡的精確時間同步。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進 一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並 不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同 替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1、一種工業無線網絡的精確時間同步方法，根據設備在網絡中所處的位置，設置網絡中各層設備的級別，並將上一級設備作為父設備，下一級設備作為其子設備，設置父設備的時鐘為標準時鐘，其特徵在於，父設備的MAC層生成信標幀，父設備周期性發送信標幀，利用SFD中斷將發送時間戳加入信標幀一併發送，其子設備在接收信標幀過程中利用SFD中斷記錄接收時間戳，並解析信標幀獲得發送時間，子設備得到一對發送接收時間戳；採用最小二乘法擬合最近N次的發送接收時間戳，得到本設備時鐘與標準時鐘的頻率偏差和時間偏差，補償本地時鐘，實現子設備與其父設備的時鐘同步；對網絡中所有子設備執行上述與其父設備的時鐘同步過程，直至所有的下一級設備都完成與協調器的時鐘同步。
2、 根據權利要求l所述的精確時間同步方法，其特徵在於，父設備在發 送信標幀的過程中，利用SFD中斷將發送時間戳加入信標幀報文預留的時間 戳位置一併發送。
3、 根據權利要求l所述的精確時間同步方法，其特徵在於，根據以下公 式計算本設備時鐘與標準時鐘的頻率偏差Ar和時間偏差A,:Afg 〃)g O-g W式中，r,表示父設備第i次發送的時間戳，f,表示子設備第i次接收的時間戳，N表示時間戳對的個數。
4、 根據權利要求l所述的精確時間同步方法，其特徵在於，在節點設備 休眠時依據休眠前最近N次的發送接收時間戳數據擬合的時鐘頻率偏差周期 性的對本地時鐘進行補償。
全文摘要
本發明請求保護一種工業無線網絡的精確時間同步方法，涉及工業無線網絡通信技術。針對工業無線網絡能源供應有限、動態變化的網絡環境、無線網絡介質的開放性等特點，提出獨特性的精確時間同步方法，採用分層分級同步策略，將工業無線網絡按層次結構劃分，父設備的MAC層生成信標幀，並周期性發送信標幀，在信標幀的收發過程中獲得時間戳，通過擬合最近N次的發送接收時間戳，得到本設備時鐘與標準時鐘的頻率偏差和時間偏差，補償本地時鐘，實現子設備與其父設備的時鐘同步；逐級進行時間同步，最後實現全網的時間同步。在滿足工業無線通信網絡性能要求的前提下確保整個網絡運行在統一的時間標尺下，保障系統正常的運行。
文檔編號H04J3/06GK101335587SQ20081007002
公開日2008年12月31日 申請日期2008年7月23日 優先權日2008年7月23日
發明者劉渝燦, 平 王, 恆 王, 飛 王, 金基天 申請人:重慶郵電大學