一種硬實時級聯式多節點同步採樣和數據傳輸方法
2023-04-24 12:22:46 1
一種硬實時級聯式多節點同步採樣和數據傳輸方法
【專利摘要】本發明公開了一種硬實時級聯式多節點同步採樣和數據傳輸方法，包括以下步驟，1)將級聯繫統劃分為四個層次；2)確定級聯繫統的採樣間隔Ts，並將物理信道劃分為實時和非實時兩個邏輯信道；3)依次構建級聯繫統中第二層、第三層、第四層的對同步採樣和同步傳輸及鏈路管理的各層裝置；4)計算各層的信道延遲量；5)重建第三層的數據合併和轉發裝置、第四層的數據採集和控制終端的本地同步信號；6)以採樣周期Ts為節拍控制數據傳輸。本發明解決了不同物理分布的多個通過多級級聯的採集控制節點之間由於物理鏈路長度和軟體協議棧所產生的額外時延及為關鍵業務數據提供硬實時轉發能力，同步精度和實時性高，通道建設成本和施工工作量低，具有良好的應用前景。
【專利說明】一種硬實時級聯式多節點同步採樣和數據傳輸方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及適用於在分散距離較遠的多個關聯節點之間的硬實時級聯式多節點同步採樣和數據傳輸方法，屬於電力系統保護和工業控制【技術領域】。
【背景技術】
[0002]在電力系統廣域保護和廣域過程控制領域，為精確地保留信號的相位信息，或對異步發生的事件進行精確時序分析，需要對某一組過程量進行嚴格異地同步等間隔採集。為了提高系統實時處理能力和異步事件響應速度需要各個過程量採集控制裝置的採樣數據能夠實時上送，並且處理裝置的命令設置信息需要實時地發往執行機構或調節機構，一些標準對同步採樣和數據傳輸抖動更是提出近乎嚴苛的要求，如IEC61850-5就定義了 3個等級的採樣值同步準確度:T3、T4和T5，其中用於計量T5等級，則要求為I μ S。
[0003]對廣域測量和控制系統來說，系統規模大、測控節點物理分布較遠、組網成本高，如何保證全系統的嚴格等間隔同步採樣和實時數據的同步低抖動回傳就成為難題。針對這類應用，還沒有統一的實現方法，現有的同步採樣控制方法主要包括以下四種方法:
[0004](I)遵循IEC61850體系結構，由一個精確時鐘源同步多個合併器,再由合併器產生控制ADC的啟動信號，實現多節點採樣；
[0005](2)基於 ΙΕΕΕ1588 精確時間協議 PTP(Precis1n Time Protocol)的同步米樣系統，通過對滿足多點通信的分布式控制系統採用多播技術終端設備的時鐘進行微秒級同步，進而根據絕對時間實現採樣同步；
[0006](3)基於衛星時鐘同步法，利用GPS或北鬥模塊為不同物理分布節點提供秒脈衝，各節點採樣同步於GPS或北鬥模塊輸出的秒脈衝實現全局同步採樣；
[0007](4)由一個通信裝置產生同步命令幀，過程量採集控制裝置在同步命令幀的控制下啟動本地數據轉換，同時回傳上一個採樣間隔的採樣數據和協議數據，在一對通信鏈路上實現同步控制和數據傳輸。
[0008]上述的同步採樣控制方法的均存在不足之處:
[0009]對於方法(I)，IEC61850體系結構需要獨立的同步通道，普遍採用秒脈衝同步合併器，這種體系結構沒有考慮傳輸鏈路長度影響，而且數據傳輸的方向是單向的，在需要主從節點交互信息時不適用，對同步鍾源和本地時鐘要求高，且本地需要執行複雜的時鐘馴服算法。此外，由於引入了專門的同步接口和同步網絡，實際上增加了系統成本和複雜性。
[0010]對於方法(2)，基於IEEE1588的同步採樣方法，需要支持IEEE1588協議的網絡硬體接口和交換設備，增加額外的成本。而且，由於IEEE802.3對乙太網傳輸距離和網絡傳輸延時有要求，使之不適用物理上分布較遠的多個節點之間的同步採集和控制，IEEE1588每秒啟動一次同步過程，在時鐘校同步失敗後，再次同步需要反覆計算兩側時鐘的相對誤差At，同步延時較長。此外，在高速多節點採集控制裝置連接到同一個主控節點時，重載時網絡衝突加劇，影響實時數據傳輸，不能保證每個採樣數據在固定的時延下傳輸到數據處理終端。
[0011]對於方法(3)，GPS和北鬥同步法受捕獲衛星數量影響，以及自然環境和社會環境等因素的制約，並且需要相應的硬體支持，對天線的安裝位置要求較高，需要額外的數據傳輸通道，成本較高。
[0012]對於方法(4)，基於非級聯通信裝置控制同步採樣和數據傳輸的方法在系統規模擴大且距離很遠時，需要連接多個點對點的鏈路，增加工程施工成本且系統容量擴充困難。
[0013]以上幾種方法雖可解決同步採樣問題，但都沒有涉及廣域數據同步傳輸問題，尤其是對傳輸的實時性有嚴格要求的場合。
【發明內容】
[0014]為了克服現有技術存在的不足及缺陷，本發明的硬實時級聯式多節點同步採樣和數據傳輸方法，解決了不同物理分布的多個通過多級級聯的採集控制節點之間由於物理鏈路長度和軟體協議棧所產生的額外時延及為關鍵業務數據提供硬實時轉發能力，同步精度和實時性高，通道建設成本和施工工作量低，具有良好的應用前景。
[0015]為了達到上述的目的，本發明採用如下技術方案實現:
[0016]一種硬實時級聯式多節點同步採樣和數據傳輸方法，其特徵在於:包括以下步驟:
[0017]步驟(I)，將級聯繫統劃分為四個層次，包括位於系統第一層的數據處理設備和時間伺服器、位於系統第二層的數據交換和通信管理裝置、位於系統第三層的數據合併和轉發裝置，位於系統第四層的是數據採集和控制終端；
[0018]步驟(2)，確定級聯繫統的採樣間隔Ts，並將物理信道劃分為實時和非實時兩個邏輯信道，按業務的時間特性需求，將具有硬實時要求的業務歸入到實時邏輯信道中傳輸，將通用業務歸入非實時邏輯信道傳輸，並通過帶寬保留法為實時邏輯信道劃分固定帶寬和傳輸時隙，保證在固定時刻傳送實時業務；
[0019]步驟(3)，依次構建級聯繫統中第二層、第三層、第四層的同步採樣和同步傳輸及鏈路管理的各層裝置，
[0020](a)構建第二層的數據交換和通信管理裝置，該裝置通過上行乙太網接口與第一層的數據處理設備相連，通過下行支持硬體優先級功能的網口級聯第三層的數據合併和轉發裝置，通過一個IP業務埠接入通用網絡業務數據，同時通過連接時間伺服器，接收絕對時間和同步參考信號；
[0021](b)構建第三層的數據合併和轉發裝置，該裝置通過支持硬體優先級功能的網口向上連接上一級的數據合併和轉發裝置或第二層的數據交換和通信管理裝置的下行埠，通過支持硬體優先級功能的網口向下級聯到下一級數據合併和轉發裝置，普通業務通過一個IP業務埠接入，通過含同步信息編碼的信號連接採集控制裝置；
[0022](c)構建系統第四層的是數據採集和控制終端，負責過程量採集和執行輸出，通過接收來自數據合併和轉發裝置的編碼信號，利用恢復出的同步信號控制數據採集和採集數據回傳；
[0023](d)以第二層的數據交換和通信管理裝置的下行埠為根節點劃分衝突域，同步建立過程在不同的衝突域中獨立進行，而同一個衝突域中實時數據傳輸需要在同步建立之後；
[0024]步驟(4)，在系統建立後的第二層的數據交換和通信管理裝置、第三層的數據合併和轉發裝置、第四層的是數據採集和控制終端之間通過一組報文交換進行延遲測量，測量過程如下:
[0025](a)數據交換和通信管理裝置的埠在T1時刻發送由硬體標記的測距報文，數據合併和轉發裝置在T2時刻接收到該報文，並在T3時刻發回測距應答報文，該報文在T4時刻到達數據交換和通信管理裝置，在補償因軟體延遲產生的修正時間Tpkt。。_。,後，根據公式
(I)和公式(2)，計算數據交換和通信管理裝置的埠和第三層對應的數據合併和轉發裝置路徑延遲Tniu delay和時鐘偏差Tniu tjffsrt,
[0026]Tmu delay = {[ (T4-Tpkt correct) -T1] - (T2-T3)} /2
[0027](I)
[0028]Tmu offset = {(T2-T1) + [T3- (T4-Tpkt correct) ]} /2
[0029](2)
[0030](b)第三層的數據合併和轉發裝置在同步脈衝的控制下在T5時刻發送同步編碼信號，數據採集和控制終端在T6時刻解碼並恢復出幀同步信號，與此同時在該信號的觸發下立即回發包含採樣數據的報文，而數據合併和轉發裝置在T7時刻解碼並恢復出幀同步信號，根據公式(3)計算第三層的數據合併和轉發裝置與四層的是數據採集和控制終端的鏈路延遲Tdae delay為，
[0031]Tdae delay — (T7-T5)/2(3)；
[0032]步驟(5)，根據步驟(4)測得的鏈路延遲，重建第三層的數據合併和轉發裝置、第四層的數據採集和控制終端的本地同步信號，過程如下，
[0033](a)第二層的數據交換和通信管理裝置以Ts為間隔，周期性地向所有下行埠發送包含同步信息的背景掃描控制報文，為級聯的第三層的數據合併和轉發裝置提供同步參考；
[0034](b)第三層的數據合併和轉發裝置從第二層的數據交換和通信管理裝置下行的背景掃描控制報文中用數字鎖相環提取出周期為Ts的外同步信號，再將該信號超前移相Ts-Tmu delay作為本地同步信號(以下簡稱MSYN);超前移相^ —,後作為本地實時數據發送的觸發信號(以下簡稱MU_TX_SYN)，其中Tmu delay為數據合併和轉發裝置根路徑延遲；
[0035](c)第三層的數據合併和轉發裝置在本地同步信號MSYN的觸發下向各下級的第四層的數據採集和控制終端發送間隔Ts的背景掃描控制報文，為第四層的數據採集和控制終端提供同步參考；
[0036](d)第四層的數據採集和控制終端從第三層的數據合併和轉發裝置下行的背景掃描控制報文中用數字鎖相環提取出周期為Ts的外同步信號(以下簡稱DSYN)，再將該信號超前移相Ts-Td-y作為本地同步信號，Ttte delay為第三層的數據合併和轉發裝置與四層的是數據採集和控制終端的鏈路延遲；
[0037](e)第四層的數據採集和控制終端在恢復出的本地同步信號(DSYN)的觸發下控制本地的模擬量或數字量的採集，完成系統級同步採樣控制；
[0038]步驟(6)，本地同步信號建立以後，以採樣周期Ts為節拍控制數據傳輸，每個節拍傳送的數據的過程如下，
[0039](a)第三層的數據合併和轉發裝置，將一個節拍劃分前後兩部分Tw和Tp，實時窗口Tw傳遞實時業務，數據窗口 Tp傳輸普通業務，按照第二層的數據交換和通信管理裝置的下行埠劃分傳輸域，每個下行埠對應一個獨立傳輸域，按第二層的數據交換和通信管理裝置的每個傳輸域掛接的第三層的數據合併和轉發裝置的數量，將實時窗口 Tw劃分成多個時隙，時隙的寬度Tslrt，根據公式(4)得到，
[0040]Tslot = pkt_size*8*TB (4)
[0041]其中，Pkt_siZe為每級的數據量，Tb為網絡發送每個比特的時間；
[0042](b)第三層的數據合併和轉發裝置在本地實時發送觸發信號(MU_TX_SYN)的觸發下產生傳輸節拍，將本地採集的實時數據進行合併後安排在對應的時隙中發送，在其他的時隙向上直通轉發來自其他第三層的數據合併和轉發裝置的實時業務數據；
[0043](C)第四層的數據採集和控制終端在外同步信號的觸發下在一個節拍內續傳兩次上一間隔所採集到測量數據，以完成控制命令和同步信息傳輸。
[0044]前述的硬實時級聯式多節點同步採樣和數據傳輸方法，其特徵是:所述第二層的數據交換和通信管理裝置、第三層的數據合併和轉發裝置及第四層的數據採集和控制終端之間採用有源中繼和下行多路同步直通轉發策略傳送下行背景掃描控制報文，實現數據同步傳輸和同步採樣並保證下行延時固定且總延時最小。
[0045]前述的一種硬實時級聯式多節點同步採樣和數據傳輸方法，其特徵在於:所述第三層的數據合併和轉發裝置對本地和來自下一級數據合併和轉發裝置的上行實時數據採用基於時隙的直通轉發策略，對本地和來自下一級數據合併和轉發裝置的鏈路管理報文和普通網絡數據採取存儲轉發策略。
[0046]前述的一種硬實時級聯式多節點同步採樣和數據傳輸方法，其特徵在於:所述第二層的數據交換和通信管理裝置、第三層的數據合併和轉發裝置的實時業務埠都採用基於帶寬保留的硬體優先級網絡數據轉發機制，實現實時業務報文總的延時抖動最小。
[0047]前述的一種硬實時級聯式多節點同步採樣和數據傳輸方法，其特徵在於:所述第二層的數據交換和通信管理裝置、第三層的數據合併和轉發裝置之間通過採用硬體標記的包含原始時間、接收時間、發送時間欄位的報文在級聯的非實時信道中實現二層設備和三層設備間物理路徑延遲測量，利用報文中累計的修正時間欄位消除軟體轉發的駐留時間對測量值的影響。
[0048]前述的一種硬實時級聯式多節點同步採樣和數據傳輸方法，其特徵在於:中間級聯的第三層的數據合併和轉發裝置接收到需要轉發的測距報文時，首先讀取由MAC硬體標記的接收時間Ircv和報文中攜帶的修正時間欄位Tpkt 然後計算差值Tbd Mmc;t =TrCV-Tpkt^orreCtj並將Tbd—eOTec；t寫入MAC控制器的發送描述符，利用描述符指示MAC控制器當該報文被轉發時讀取當前時間Tmt通過公式(5)計算新的修正時間Tmw並替換測距報文中的修正時間欄位，
[0049]Tnew』kt—correct ^current ^bdcorrect ^ ^ current ^rcv^ +Tpkt—correct
[0050](5)。
[0051]本發明的有益效果是:本發明的硬實時級聯式多節點同步採樣和數據傳輸方法，解決了不同物理分布的多個通過多級級聯的採集控制節點之間由於物理鏈路長度和軟體協議棧所產生的額外時延及為關鍵業務數據提供硬實時轉發能力，具有以下優點，
[0052](I)利用一對數據鏈路實現數據傳輸和同步採樣，每個採樣周期內完成數據傳輸，傳輸時刻固定，傳輸時延固定；
[0053](2)自動計算多個信道傳輸延遲並調整每個信道同步信號，保證多個節點之間精確同步，消除了系統各級因傳輸或晶體老化、頻率漂移帶來的同步抖動；
[0054](3)採樣數據續傳兩遍，提高信道糾錯能力，又減少高層請求重發的開銷；
[0055](4)同步精度不受信道物理長度影響，也不受外界條件影響，可達到納秒級；
[0056](5)信道延時量算法和傳輸及差錯控制規則簡單有效，適合基於FPGA硬體設計實現，通過並行處理提高系統性能；
[0057](6)在級聯的網絡鏈路上利用帶寬保留的方法實現了實時多業務，保證信道佔用最小的情況下實時業務延時要求同時在剩餘帶寬傳遞非實時業務；
[0058](7)通過有源級聯、實時業務直通轉發和非實時業務存儲轉發的方法既延長了通信距離又保證多業務共網傳輸時實時業務的延時最小；
[0059](8)採用包含原始時間、接收時間、發送時間、修正時間等欄位報文，延遲測量算法不需要記憶原始的發送時間，而修正時間欄位的引入則消除了軟體轉發的駐留時間對測量值的影響。
[0060](9)採用的級聯式拓撲結構有效簡化通道建設成本和施工工作量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0061]圖1是本發明的級聯式多節點同步採樣系統實現流程圖。
[0062]圖2是本發明的級聯式多節點同步採樣控制系統結構圖。
[0063]圖3是本發明的信道共享方式及衝突域示意圖。
[0064]圖4是本發明的DCE-SWITCH和DCE-MU鏈路測距時序圖。
[0065]圖5是本發明的DCE-MU和DAE間編碼傳送及同步恢復時序圖。
[0066]圖6是本發明的硬體優先級MAC控制器狀態變遷圖。
【具體實施方式】
[0067]下面將結合說明書附圖，對本發明作進一步說明。以下實施例僅用於更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此來限制本發明的保護範圍。
[0068]本發明的硬實時級聯式多節點同步採樣和數據傳輸方法，解決了不同物理分布的多個通過多級級聯的採集控制節點之間由於物理鏈路長度和軟體協議棧所產生的額外時延及為關鍵業務數據提供硬實時轉發能力，如圖1及圖2所示，具體包括以下步驟:
[0069]步驟(I)，將級聯繫統劃分為四個層次，包括位於系統第一層的數據處理設備(以下簡稱DPE)和時間伺服器、位於系統第二層的數據交換和通信管理裝置(以下簡稱DCE-SWITCH)、位於系統第三層的數據合併和轉發裝置(以下簡稱DCE-MU)，位於系統第四層的是數據採集和控制終端(以下簡稱DAE)；
[0070]步驟⑵，確定級聯繫統的採樣間隔Ts，並將物理信道劃分為實時和非實時兩個邏輯信道，按業務的時間特性需求，將具有硬實時要求的業務歸入到實時邏輯信道中傳輸，將通用業務歸入非實時邏輯信道傳輸，並通過帶寬保留法為實時邏輯信道劃分固定帶寬和傳輸時隙，保證在固定時刻傳送實時業務；
[0071]步驟(3)，依次構建級聯繫統中第二層、第三層、第四層的同步採樣和同步傳輸及鏈路管理的各層裝置，
[0072](a)構建第二層的數據交換和通信管理裝置(DCE-SWITCH)，該裝置通過上行乙太網接口與第一層的數據處理設備相連，通過下行支持硬體優先級功能的網口級聯第三層的數據合併和轉發裝置，通過一個IP業務埠接入通用網絡業務數據，同時通過連接時間伺服器，接收絕對時間和同步參考信號；
[0073](b)構建第三層的數據合併和轉發裝置(DCE-MU)，該裝置通過支持硬體優先級功能的網口向上連接上一級的數據合併和轉發裝置或第二層的數據交換和通信管理裝置的下行埠，通過支持硬體優先級功能的網口向下級聯到下一級數據合併和轉發裝置，普通業務通過一個IP業務埠接入，通過含同步信息編碼的信號連接採集控制裝置；
[0074](c)構建系統第四層的是數據採集和控制終端(DAE)，負責過程量採集和執行輸出，通過接收來自數據合併和轉發裝置的編碼信號，利用恢復出的同步信號控制數據採集和採集數據回傳；
[0075](d)如圖3所示，以第二層的數據交換和通信管理裝置的下行埠為根節點劃分衝突域，同步建立過程在不同的衝突域中獨立進行，而同一個衝突域中實時數據傳輸需要在冋步建立之後；
[0076]步驟(4)，在系統建立後的第二層的數據交換和通信管理裝置、第三層的數據合併和轉發裝置、第四層的是數據採集和控制終端之間通過一組報文交換進行延遲測量，測量過程如下:
[0077](a)如圖4所示，數據交換和通信管理裝置的埠在T1時刻發送由硬體標記的測距報文，數據合併和轉發裝置在T2時刻接收到該報文，並在T3時刻發回測距應答報文，該報文在T4時刻到達數據交換和通信管理裝置，在補償因軟體延遲產生的修正時間Tpkt。。_。，後，根據公式(I)和公式(2)，計算數據交換和通信管理裝置的埠和第三層對應的數據合併和轉發裝置路徑延遲Tmu delay和時鐘偏差T
mu—offset，
[0078]Tmu delay = {[ (T4-Tpkt correct) -T1] - (T2-T3)} /2
[0079](I)
[0080]Tmu offset = {(T2-T1) + [T3- (T4-Tpkt correct) ]} /2
[0081](2)
[0082](b)如圖5所示，第三層的數據合併和轉發裝置在同步脈衝的控制下在T5時刻發送同步編碼信號，數據採集和控制終端在T6時刻解碼並恢復出幀同步信號，與此同時在該信號的觸發下立即回發包含採樣數據的報文，而數據合併和轉發裝置在T7時刻解碼並恢復出幀同步信號，根據公式(3)計算第三層的數據合併和轉發裝置與四層的是數據採集和控制終端的鏈路延遲Tdae—delay為，
[0083]Tdae delay 一(T7-T5) /2(3)
[0084]步驟(5)，根據步驟4測得的鏈路延遲，重建第三層的數據合併和轉發裝置、第四層的數據採集和控制終端的本地同步信號，過程如下，
[0085](a)第二層的數據交換和通信管理裝置以Ts為間隔，周期性地向所有下行埠發送包含同步信息的背景掃描控制報文，為級聯的第三層的數據合併和轉發裝置提供同步參考；
[0086](b)第三層的數據合併和轉發裝置從第二層的數據交換和通信管理裝置下行的背景掃描控制報文中用數字鎖相環提取出周期為Ts的外同步信號，再將該信號超前移相Ts-Tmu delay作為本地同步信號(以下簡稱MSYN);超前移相^ —,後作為本地實時數據發送的觸發信號(以下簡稱MU_TX_SYN)，其中Tmu delay為數據合併和轉發裝置根路徑延遲；
[0087](c)第三層的數據合併和轉發裝置在本地同步信號(MSYN)的觸發下向各下級的第四層的數據採集和控制終端發送間隔Ts的背景掃描控制報文，為第四層的數據採集和控制終端提供同步參考；
[0088](d)第四層的數據採集和控制終端從第三層的數據合併和轉發裝置下行的背景掃描控制報文中用數字鎖相環提取出周期為Ts的外同步信號，再將該信號超前移相Ts-Tttedelay作為本地同步信號(以下簡稱DSYN)，Tdae delay為第三層的數據合併和轉發裝置與四層的是數據採集和控制終端的鏈路延遲；
[0089](e)第四層的數據採集和控制終端在恢復出的本地同步信號(DSYN)的觸發下控制本地的模擬量或數字量的採集，完成系統級同步採樣控制；
[0090]步驟(6)，本地同步信號建立以後，以採樣周期Ts為節拍控制數據傳輸，每個節拍傳送的數據的過程如下，
[0091](a)第三層的數據合併和轉發裝置，將一個節拍劃分前後兩部分Tw和Tp，實時窗口Tw傳遞實時業務，數據窗口 Tp傳輸普通業務，按照第二層的數據交換和通信管理裝置的下行埠劃分傳輸域，每個下行埠對應一個獨立傳輸域，按第二層的數據交換和通信管理裝置的每個傳輸域掛接的第三層的數據合併和轉發裝置的數量，將實時窗口 Tw劃分成多個時隙，時隙的寬度Tslrt，根據公式(4)得到，
[0092]Tslot = pkt_size*8*TB(4)
[0093]其中，Pkt_siZe為每級的數據量，Tb為網絡發送每個比特的時間；
[0094](b)第三層的數據合併和轉發裝置在本地實時發送觸發信號的觸發下產生傳輸節拍，將本地採集的實時數據進行合併後安排在對應的時隙中發送，在其他的時隙向上直通轉發來自其他第三層的數據合併和轉發裝置的實時業務數據；
[0095](C)第四層的數據採集和控制終端在外同步信號的觸發下在一個節拍內續傳兩次上一間隔所採集到測量數據，以完成控制命令和同步信息傳輸。
[0096]所述的多節點同步採樣及傳輸系統的信道如圖3所示劃分衝突域，其中DCE-SffTICH的一個下行埠及其下級聯的DCE-MU為一個衝突域，一個衝突域中上行信道為共享信道，下行信道為廣播信道。其傳輸規則為:當DCE-SWTICH通過某個下行埠發布數據時，其下級聯的DCE-MU採用硬體直通轉發的策略向各個級聯埠同步轉發數據；當MU從各下行埠收集到的上行實時業務採用分時的方式直通轉發，即在DCE-SWITCH的一個衝突域中由管理員為每一個DCE-MU的級聯埠依所需帶寬分配一個時隙,該埠的數據只有在該時隙才被允許發送；而所有MU級聯的普通業務數據採用存儲轉發的方式由DCE-MU上的CPU先行接收緩衝，排隊至上行非實時數據窗口時傳輸。
[0097]所述第二層的數據交換和通信管理裝置(DCE-SWITCH)和特定的三層的數據合併和轉發裝置(DCE-MU)之間的延遲測量採用端到端的測量方法，在測量路徑之間的DCE-MU節點則通過硬體標記時間戳並測量本地駐留時間，然後累計到DCE-MU的上行報文的修正時間欄位中。其中DCE-SWITCH的下行延遲測量報文中包含有硬體標記的發送時間，而DCE-MU上行的延遲響應報文中包含有DCE-SWITCH下行原始發送時間和硬體標記本地接收時間、本地發送時間、修正時間等欄位，中間節點修正時間欄位的引入將有效消除軟體處理抖動和轉發抖動對測量精度的影響。
[0098]所述中間級聯的第三層的數據合併和轉發裝置(DCE-MU)接收到需要轉發的測距報文時，首先讀取由MAC硬體標記的接收時間Ircv和報文中攜帶的修正時間欄位Tpkt。。?唚，然後計算差值Tbd—。。_ = Trcv-Tpkt correct,並將Tbd emeet寫入MAC控制器的發送描述符，利用描述符指示MAC控制器當該報文被轉發時讀取當前時間Tcmmt通過公式(5)，計算新的修正時間T—t並替換測距報文中的修正時間欄位，
[0099]Tnew^kt-Correct ^current ^bdcorrect ^ ^ current ^rcv^ +Tpkt—correct
[0100](5)
[0101]如此修正補償測距報文的本地駐留時間對路徑測量的影響。
[0102]所述第二層的數據交換和通信管理裝置(DCE-SWITCH)按採樣間隔Ts為節拍，並將一個節拍劃分為實時數據窗口 Tw和普通業務數據窗口 Tp，並將下行的背景掃描控制安排在每個節拍的Tw窗口，而普通網絡數據包括鏈路延遲測量管理報文則安排在Tp窗口排隊傳輸，且下行報文採用直通轉發的策略，保證控制命令下行延時固定且總延時最小。
[0103]所述第三層的數據合併和轉發裝置(DCE-MU)對本地和來自下一級數據合併和轉發裝置的上行實時數據採用基於時隙的直通轉發策略，對本地和來自下一級數據合併和轉發裝置的鏈路管理報文和普通網絡數據採取存儲轉發策略，既保證實時業務數據的轉發延時確定性也最大限度減小了全鏈路傳輸總延時；
[0104]所述第二層的數據交換和通信管理裝置(DCE-SWITCH)、第三層的數據合併和轉發裝置(DCE-MU)的實時業務埠都採用基於帶寬保留的硬體優先級網絡數據轉發機制，實現實時業務報文總的延時抖動最小。
[0105]所述數據交換和通信管理裝置(DCE-SWITCH)，位於系統中第二層，它向上為數據處理設備提供收集到的過程量，同時分解來自上層設備的控制命令向下轉發，該裝置本地生成全局同步信號GSYN，周期為系統採樣間隔Ts，在外同步信號穩定可靠時也可以同步到外部參考，在同步信號GSYN的觸發下，DCE-SWITCH為各個下行埠生成周期性地背景掃描報文，並在掃描報文中封裝來自上層的控制命令，通過支持硬體優先級的MAC的實時控制埠發往下級級聯的DCE-MU ;同時DCE-SWITCH周期性地產生註冊許可報文，並接收來自下級級聯的MU的註冊請求報文，並根據報文中攜帶的時間戳完成延遲測量，而來自DCE-SWITCH的IP業務埠的普通網絡數據註冊許可報文則通過MAC的非實時埠發送到下級級聯的DCE-MU ；
[0106]此外，DCE-SWITCH將接收來自下級DCE-MU的數據報文，將實時數據按埠和DCE-MU邏輯地址分類存放在內部的高速緩衝中，再經過數據分配器接受上層數據處理設備(DPE)的訂閱，來自下級DCE-MU的非實時數據報文將在DCE-SWTICH的IP業務埠排隊並擇機發送。
[0107]所述數據合併和轉發設備(DCE-MU)，數據合併和轉發設備通過響應DCE-SWITCH的周期性註冊許可報文，並在註冊請求報文中攜帶本地定時信息來配合DCE-SWITCH完成鏈路延遲測量。在獲得鏈路延遲後，從DCE-SWITCH下行的背景掃描控制報文中用數字鎖相環提取出周期為Ts的外同步信號MU_XSYN，再通過移相獲得本地同步信號MSYN及實時數據發送的觸發信號MU_TX_SYN ；DCE-MU在信號MSYN的觸發下向各下級DAE發送周期為Ts的背景掃描控制報文，為DAE提供同步參考，同時在信號MU_TX_SYN的觸發下啟動傳輸節拍和實時數據的各個時隙，DCE-MU還負責本地掛接的DAE的數據合併和向上轉發數據，同時負責直通轉發其下級級聯的MU的實時業務數據並存儲轉發本地IP業務數據。
[0108]所述第四層的數據採集和控制終端(DAE)，數據採集和控制終端主要負責採集系統所需要的過程量並執行來自高層的控制或調節命令。DCE-MU根據系統配置把來自數據處理終端DPE的下行控制命令按DAE進行分解，同時將控制命令與同步信息進行編碼後在本地同步信號MSYN觸發下向下級DAE連續傳送兩次，以增強下行數據抗幹擾能力。DAE從DCE_MU下行的背景掃描控制報文中用數字鎖相環恢復出周期為Ts的本地同步參考信號DSYN，在本地同步信號的觸發下完成過程量採集，同時將本地採集到數據進行編碼並在DSYN信號的觸發下連續向上級DCE-MU傳送兩次以增強上行數據的抗幹擾能力。
[0109]所述第二層DCE-SWITCH和三層的DCE-MU均採用基於硬體優先級MAC，MAC由圖6所示的狀態機控制實時優先級數據(以下簡稱LVl數據)和普通優先級數據(以下簡稱LVO數據)報文傳送過程，其中MAC保證在系統同步脈衝(SYN)觸發下啟動優先級數據發送，如果觸發到達時沒有實時數據需要發送，則轉為檢查普通優先級(LVO)的描述符隊列。在每次發送LVO數據之前檢查發送窗口，如果沒有足夠的窗口則暫停發送，確保普通優先級分組在實時優先級分組的發送間隙發送且不影響實時優先級報文的發送。所述MAC的發送狀態轉換圖如附圖6所示，各狀態轉換條件分述如下:
[0110]IDLE狀態:空閒狀態，MAC等待發送的狀態，在外部LVl觸發信號(SYN)或內部輸出比較定時器觸發下轉入SendCheckLVl狀態檢查LVl的數據包；
[0111]SendCheckLVl狀態:LV1數據包檢查狀態，檢查LVl發送描述符隊列，若有待發送的分組則轉PreSendLVl狀態準備發送數據，否則轉SendCheckLVO狀態檢查LVO數據描述符隊列；
[0112]SendCheckLVO狀態:LV0數據包檢查狀態，檢查LVO描述符隊列，若發送窗口小於最短幀發送時間(Tw < Twmin)或不足以發送當前幀(Tw < Tp)則轉IDLE狀態，否則轉PreSendLVO狀態準備發送LVO數據；
[0113]PreSendLVl狀態:LV1數據準備狀態，根據LVl描述符配置發送邏輯後轉Sendffait 狀態；
[0114]PreSendLVO狀態:LV0數據準備狀態，根據LVO描述符配置發送邏輯後轉Sendffait 狀態；
[0115]SendWait狀態:發送等待狀態，在該狀態檢查PHY的狀態，若沒有衝突或出錯則轉發送狀態，否則等待。超時以後置出錯標記並返回IDLE狀態。
[0116]Send狀態:發送狀態，從描述符指定的數據緩衝區中讀取數據，並在發送時鐘TXCLK驅動下發送當前數據，發送完畢後轉SendCheckLVO繼續檢查LVO描述符隊列。
[0117]以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵及優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
【權利要求】
1.一種硬實時級聯式多節點同步採樣和數據傳輸方法，其特徵在於:包括以下步驟: 步驟(I)，將級聯繫統劃分為四個層次，包括位於系統第一層的數據處理設備和時間伺服器、位於系統第二層的數據交換和通信管理裝置、位於系統第三層的數據合併和轉發裝置，位於系統第四層的是數據採集和控制終端； 步驟(2)，確定級聯繫統的採樣間隔Ts，並將物理信道劃分為實時和非實時兩個邏輯信道，按業務的時間特性需求，將具有硬實時要求的業務歸入到實時邏輯信道中傳輸，將通用業務歸入非實時邏輯信道傳輸，並通過帶寬保留法為實時邏輯信道劃分固定帶寬和傳輸時隙，保證在固定時刻傳送實時業務； 步驟(3)，依次構建級聯繫統中第二層、第三層、第四層的同步採樣和同步傳輸及鏈路管理的各層裝置， (a)構建第二層的數據交換和通信管理裝置，該裝置通過上行乙太網接口與第一層的數據處理設備相連，通過下行支持硬體優先級功能的網口級聯第三層的數據合併和轉發裝置，通過一個IP業務埠接入通用網絡業務數據，同時通過連接時間伺服器，接收絕對時間和同步參考信號； (b)構建第三層的數據合併和轉發裝置，該裝置通過支持硬體優先級功能的網口向上連接上一級的數據合併和轉發裝置或第二層的數據交換和通信管理裝置的下行埠，通過支持硬體優先級功能的網口向下級聯到下一級數據合併和轉發裝置，普通業務通過一個IP業務埠接入，通過含同步信息的編碼信號連接採集控制裝置； (c)構建系統第四層的是數據採集和控制終端，負責過程量採集和執行輸出，通過接收來自數據合併和轉發裝置的編碼信號，利用恢復出的同步信號控制數據採集和採集數據回傳； (d)以第二層的數據交換和通信管理裝置的下行埠為根節點劃分衝突域，同步建立過程在不同的衝突域中獨立進行，而同一個衝突域中實時數據傳輸需要在同步建立之後； 步驟(4)，在系統建立後的第二層的數據交換和通信管理裝置、第三層的數據合併和轉發裝置、第四層的是數據採集和控制終端之間通過一組報文交換進行延遲測量，測量過程如下: (a)數據交換和通信管理裝置的埠在T1時刻發送由硬體標記的測距報文，數據合併和轉發裝置在T2時刻接收到該報文，並在T3時刻發回測距應答報文，該報文在T4時刻到達數據交換和通信管理裝置，在補償因軟體延遲產生的修正時間Tpkt。。_。,後，根據公式(I)和公式(2)，計算數據交換和通信管理裝置的埠和第三層對應的數據合併和轉發裝置路徑延遲Tmu—delay和時鐘偏差Tmu—^fset,
Tmu_delay = { [ (T4_Tpkt—correct)-Tj _ (T2_T3) }/2 (I)
Tmu—offset
{(T2-T1) + [T3- (T4-Tpkt correct) ]} /2 (2) (b)第三層的數據合併和轉發裝置在同步脈衝的控制下在T5時刻發送同步編碼信號，數據採集和控制終端在T6時刻解碼並恢復出幀同步信號，與此同時在該信號的觸發下立即回發包含採樣數據的報文，而數據合併和轉發裝置在T7時刻解碼並恢復出幀同步信號，根據公式(3)計算第三層的數據合併和轉發裝置與四層的是數據採集和控制終端的鏈路延遲 T(jae—delay 為，
T(Jae_delay
(T7-T5)/2 ⑶； 步驟(5)，根據步驟(4)測得的鏈路延遲，重建第三層的數據合併和轉發裝置、第四層的數據採集和控制終端的本地同步信號，過程如下， (a)第二層的數據交換和通信管理裝置以Ts為間隔，周期性地向所有下行埠發送包含同步信息的背景掃描控制報文，為級聯的第三層的數據合併和轉發裝置提供同步參考； (b)第三層的數據合併和轉發裝置從第二層的數據交換和通信管理裝置下行的背景掃描控制報文中用數字鎖相環提取出周期為Ts的外同步信號，再將該信號超前移相Ts-TmuMay作為本地同步信號(以下簡稱MSYN);超前移後作為本地實時數據發送的觸發信號(以下簡稱MU_TX_SYN)，其中Tmu delay為數據合併和轉發裝置根路徑延遲； (c)第三層的數據合併和轉發裝置在本地同步信號(MSYN)的觸發下向各下級的第四層的數據採集和控制終端發送間隔Ts的背景掃描控制報文，為第四層的數據採集和控制終端提供同步參考； (d)第四層的數據採集和控制終端從第三層的數據合併和轉發裝置下行的背景掃描控制報文中用數字鎖相環提取出周期為Ts的外同步信號(以下簡稱DSYN)，再將該信號超前移相Ts-Ttte delay作為本地同步信號，Ttte delay為第三層的數據合併和轉發裝置與四層的是數據米集和控制終端的鏈路延遲； (e)第四層的數據採集和控制終端在恢復出的本地同步信號(DSYN)的觸發下控制本地的模擬量或數字量的採集，完成系統級同步採樣控制； 步驟￠)，本地同步信號建立以後，以採樣周期Ts為節拍控制數據傳輸，每個節拍傳送的數據的過程如下， (a)第三層的數據合併和轉發裝置，將一個節拍劃分前後兩部分Tw和Tp，實時窗口Tw傳遞實時業務，數據窗口 Tp傳輸普通業務，按照第二層的數據交換和通信管理裝置的下行埠劃分傳輸域，每個下行埠對應一個獨立傳輸域，按第二層的數據交換和通信管理裝置的每個傳輸域掛接的第三層的數據合併和轉發裝置的數量，將實時窗口 Tw劃分成多個時隙，時隙的寬度Tslrt，根據公式(4)得到，
Tslot = pkt_size*8*TB (4) 其中，pkt_siZe為每級的數據量，Tb為網絡發送每個比特的時間； (b)第三層的數據合併和轉發裝置在本地實時發送觸發信號(MU_TX_SYN)的觸發下產生傳輸節拍，將本地採集的實時數據進行合併後安排在對應的時隙中發送，在其他的時隙向上直通轉發來自其他第三層的數據合併和轉發裝置的實時業務數據； (c)第四層的數據採集和控制終端在外同步信號的觸發下在一個節拍內續傳兩次上一間隔所採集到測量數據，以完成控制命令和同步信息傳輸。
2.根據權利要求1所述的硬實時級聯式多節點同步採樣和數據傳輸方法，其特徵是:所述第二層的數據交換和通信管理裝置、第三層的數據合併和轉發裝置及第四層的數據採集和控制終端之間採用有源中繼和下行多路同步直通轉發策略傳送下行背景掃描控制報文，實現數據同步傳輸和同步採樣並保證下行延時固定且總延時最小。
3.根據權利要求1所述的一種硬實時級聯式多節點同步採樣和數據傳輸方法，其特徵在於:所述第三層的數據合併和轉發裝置對本地和來自下一級數據合併和轉發裝置的上行實時數據採用基於時隙的直通轉發策略，對本地和來自下一級數據合併和轉發裝置的鏈路管理報文和普通網絡數據採取存儲轉發策略。
4.根據權利要求1所述的一種硬實時級聯式多節點同步採樣和數據傳輸方法，其特徵在於:所述第二層的數據交換和通信管理裝置、第三層的數據合併和轉發裝置的實時業務埠都採用基於帶寬保留的硬體優先級網絡數據轉發機制，實現實時業務報文總的延時抖動最小。
5.根據權利要求1所述的一種硬實時級聯式多節點同步採樣和數據傳輸方法，其特徵在於:所述第二層的數據交換和通信管理裝置、第三層的數據合併和轉發裝置之間通過採用硬體標記的包含原始時間、接收時間、發送時間欄位的報文在級聯的非實時信道中實現二層設備和三層設備間物理路徑延遲測量，利用報文中累計的修正時間欄位消除軟體轉發的駐留時間對測量值的影響。
6.根據權利要求1所述的一種硬實時級聯式多節點同步採樣和數據傳輸方法，其特徵在於:中間級聯的第三層的數據合併和轉發裝置接收到需要轉發的測距報文時，首先讀取由MAC硬體標記的接收時間Tra和報文中攜帶的修正時間欄位Tpkt，然後計算差值TbdC0rrect = Trcv-Tpkt correct,並將Tbd emert寫入MAC控制器的發送描述符，利用描述符指示MAC控制器當該報文被轉發時讀取當前時間Tammt通過公式(5)計算新的修正時間TnOT—Pkfrat並替換測距報文中的修正時間欄位， T=T -T= iT -T ) +τ(
new_pkt_correctcurrent bd_correct、丄 current 1 rcv^ 1 pkt_correctW/ o
【文檔編號】H04L7/00GK104135359SQ201410351888
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月22日 優先權日:2014年7月22日
【發明者】龐吉耀 申請人:南京磐能電力科技股份有限公司