基於預測補償的工業無線網絡高精度時間同步方法
2023-12-09 22:35:21 1
基於預測補償的工業無線網絡高精度時間同步方法
【專利摘要】本發明涉及工業無線網絡技術，具體地說是一種基於預測補償的工業無線網絡高精度時間同步方法。本發明將面向工廠自動化的工業無線網絡組建為基於IEEE?802.11單跳基本服務集BSS結構的星型網絡；按照工業無線網絡中的節點的類型和功能，設置主時鐘和從時鐘；主時鐘端和從時鐘端之間通過雙向時間戳信息交互，計算當前同步周期的時間偏差值；利用當前同步周期的時間偏差值預測下一個同步周期的時間偏差值；利用預測得到的下一個同步周期的時間偏差值補償時鐘漂移，校準時鐘。本發明是在充分考慮工廠自動化應用需求的前提下提出的，能夠利用較少的無線通信資源實現較高的時間同步精度，達到高精度、高效、低開銷且易於實現的目的。
【專利說明】基於預測補償的工業無線網絡高精度時間同步方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及工業無線網絡技術，具體地說是一種基於預測補償的工業無線網絡高精度時間同步方法。
【背景技術】
[0002]工業無線網絡技術是繼現場總線之後，工業測控領域的又一個熱點技術，是降低工業測控系統成本、提高應用範圍的革命性技術，也是未來幾年工業自動化產品新的增長點。工業無線網絡技術適用於惡劣的工業現場環境，具有抗幹擾能力強、能耗低、實時通信等技術特徵，是對現有無線技術在工業應用方向上的功能擴展和技術創新，並最終轉化為新的無線技術標準。目前，工業無線網絡技術逐漸應用於高速的工廠自動化領域，成為繼面向過程自動化的工業無線網絡技術之後，國際上無線網絡技術競爭的又一焦點。面向工廠自動化的工業無線網絡不僅具有工業無線網絡低成本、易安裝、易維護的優勢，而且能夠避免工廠設備因移動導致的線纜易老化、線纜汙染、滑環電力接觸易失敗等問題。然而，面向工廠自動化的工業無線網絡面臨著更加苛刻的需求:(1)大網絡規模，要求支持百點至千點的節點數量；(2)高通信速率，傳輸速率要求Mbit/s的量級；(3)高可靠性，端到端的傳輸成功率要求99.99% ； (4)高實時性，端到端的通信延遲要求低於10ms。
[0003]目前面向工廠自動化的工業無線網絡的研究剛剛起步。其中，高速率的IEEE802.11物理層滿足高通信速率的要求，而成為工廠自動化無線網絡物理層的首選。同時，採用TDMA確定性資源分配機制可以有效避免衝突，實現較高的可靠性和實時性，從而成為工廠自動化無線網絡介質訪問控制層(MAC, Medium Access Control layer)的首選。此外，為了進一步保證實時性，工廠自動化無線網絡往往採用星型拓撲結構。實現這些技術面臨的一個重要挑戰是精準的時間同步。在工廠自動化應用中，PLC循環周期通常為2-50ms,常見為20ms，為此一般要求TDMA機制下的超幀周期小於20ms。考慮到網絡規模百點至千點的要求，超幀中的時隙長度需要達到微秒級。然而，較小的時隙內通信要求較高的時間同步精度以保證時隙對齊，這是實現高可靠性和高實時性的關鍵。
[0004]現有典型的時間同步方法，如傳感器網絡時間同步協議(TPSN, Timing-synProtocol for Sensor Networks)和精準時間協議(PTP,Precision Time Protocol),利用雙向交互的時戳信息獲取時間偏差，調整本地時鐘。這類算法消除了時戳值在傳遞過程中的延遲，但忽略了時鐘漂移對於時間同步精度的影響。受製作工藝、外界環境等因素的影響，每個節點維護的時間有所差別，當網絡運行一段時間後，節點間就會產生一定的時間偏差，即存在時鐘漂移。時鐘漂移是晶振固有的特性。當網絡規模較大時，時鐘漂移將引入較大的時間同步誤差。此外，如果同步失敗，則節點之間的時間偏差無法校準，嚴重影響節點之間的實時、可靠通信。
【發明內容】
[0005]針對現有時間同步方法未考慮時鐘漂移或者同步失敗帶來的時間同步誤差較大的問題，本發明提出一種基於預測補償的工業無線網絡高精度時間同步方法，面向IEEE802.11星型網絡和TDMA資源分配機制，通過雙向交互的時間戳信息預測下一個同步周期的時間偏差，節點根據預測的時間偏差值逐步校準自身時鐘，避免了由於同步失敗導致的時間偏差太大的問題，進一步降低了時間同步誤差。
[0006]本發明為實現上述目的所採用的技術方案是:一種基於預測補償的工業無線網絡高精度時間同步方法，包括以下步驟:
[0007]將面向工廠自動化的工業無線網絡組建為基於IEEE 802.11單跳基本服務集BSS結構的星型網絡；
[0008]按照工業無線網絡中的節點的類型和功能，設置主時鐘和從時鐘；
[0009]主時鐘端和從時鐘端之間通過雙向時間戳信息交互，計算當前同步周期的時間偏
差值;
[0010]利用當前同步周期的時間偏差值預測下一個同步周期的時間偏差值；
[0011]利用預測得到的下一個同步周期的時間偏差值補償時鐘漂移，校準時鐘。
[0012]所述工業無線網絡中的節點包括:接入點AP、冗餘AP、現場節點和/或手持節點，其中，現場節點和/或手持節點負責採工業無線網絡中的現場數據；接入點AP負責將現場節點和/或手持節點採集到的數據轉發到主控計算機；冗餘AP在接入點AP無法正常工作時代替其運行。
[0013]所述主時鐘為AP的TSF ;所述從時鐘為網絡中其他節點的內部時鐘。
[0014]所述主時鐘端和從時鐘端之間通過雙向時間戳信息交互，計算當前同步周期的時間偏差值，包括以下步驟:
[0015](I)AP在每個超幀周期開始的第一個時隙廣播帶有硬體時戳的Beacon幀，現場節點/手持節點收到AP廣播的Beacon巾貞後，記錄收到該Beacon巾貞時的TSF值Tsl, Beacon幀中攜帶AP廣播該Beacon幀的TSF值Tml ；
[0016]所述Beacon幀格式按順序包括幀控制、序列號、源地址、載荷和硬體時戳值，其中，幀控制、序列號、源地址子域和載荷的長度和內容符合IEEE 802.11標準中Beacon幀的格式，硬體時戳值為7個比特；
[0017](2)現場節點/手持節點在預先分配的TDMA時隙內，依次向AP發送一個延遲請求Beacon巾貞；所述延遲請求Beacon巾貞的格式與AP廣播給現場節點/手持節點的Beacon中貞的格式相同；
[0018](3)AP記錄現場節點/手持節點的延遲請求Beacon巾貞到達AP時的TSF值Tm2,延遲請求Beacon巾貞中攜帶現場節點/手持節點發送該延遲請求BEACON巾貞的TSF值Ts2和節點ID ；
[0019](4) AP將現場節點/手持節點對應的節點ID以及時間值Tm2和Ts2通過延遲響應數據幀進行捎帶，並利用預先分配的TDMA廣播時隙廣播給現場節點/手持節點；
[0020]所述延遲響應數據幀的格式按順序包括幀控制、序列號、源地址、數據長度和荷載，其中，荷載包括節點ID以及時間值Tm2和Ts2 ；
[0021](5)現場節點/手持節點收到AP的延遲響應數據幀後，抽取對應節點ID的時間值Tm2 和 Ts2 ；
[0022](6)根據Tml、Tm2、Tsl和Ts2值，計算主時鐘到從時鐘的延遲Ddown、從時鐘到主時鐘的延遲Dup、主時鐘和從時鐘之間的時鐘偏移，即當前同步周期的時間偏差值Offset:
[0023]Ddown=Tsl-Tml+0ffset (I)
[0024]Dup=Tm2-Ts2-0f f set(2)
[0025]鏈路對稱的情況下，Ddown=Dup,記為Delay ;通過計算公式(I)和(2),可以得到Delay 和 Offset 的值:
[0026]
【權利要求】
1.一種基於預測補償的工業無線網絡高精度時間同步方法，其特徵在於，包括以下步驟: 將面向工廠自動化的工業無線網絡組建為基於IEEE 802.11單跳基本服務集BSS結構的星型網絡； 按照工業無線網絡中的節點的類型和功能，設置主時鐘和從時鐘； 主時鐘端和從時鐘端之間通過雙向時間戳信息交互，計算當前同步周期的時間偏差值； 利用當前同步周期的時間偏差值預測下一個同步周期的時間偏差值； 利用預測得到的下一個同步周期的時間偏差值補償時鐘漂移，校準時鐘。
2.根據權利要求1所述的基於預測補償的工業無線網絡高精度時間同步方法，其特徵在於，所述工業無線網絡中的節點包括:接入點AP、冗餘AP、現場節點和/或手持節點，其中，現場節點和/或手持節點負責採工業無線網絡中的現場數據；接入點AP負責將現場節點和/或手持節點採集到的數據轉發到主控計算機；冗餘AP在接入點AP無法正常工作時代替其運行。
3.根據權利要求1所述的基於預測補償的工業無線網絡高精度時間同步方法，其特徵在於，所述主時鐘為AP的TSF ;所述從時鐘為網絡中其他節點的內部時鐘。
4.根據權利要求1所述的基於預測補償的工業無線網絡高精度時間同步方法，其特徵在於，所述主時鐘端和從時鐘端之間通過雙向時間戳信息交互，計算當前同步周期的時間偏差值，包括以下 步驟: (1)AP在每個超幀周期開始的第一個時隙廣播帶有硬體時戳的Beacon幀,現場節點/手持節點收到AP廣播的Beacon幀後，記錄收到該Beacon幀時的TSF值Tsl, Beacon幀中攜帶AP廣播該Beacon幀的TSF值Tml ； 所述Beacon幀格式按順序包括幀控制、序列號、源地址、載荷和硬體時戳值，其中，幀控制、序列號、源地址子域和載荷的長度和內容符合IEEE 802.11標準中Beacon幀的格式，硬體時戳值為7個比特； (2)現場節點/手持節點在預先分配的TDMA時隙內，依次向AP發送一個延遲請求Beacon幀；所述延遲請求Beacon幀的格式與AP廣播給現場節點/手持節點的Beacon中貞的格式相同； (3)AP記錄現場節點/手持節點的延遲請求Beacon幀到達AP時的TSF值Tm2,延遲請求Beacon幀中攜帶現場節點/手持節點發送該延遲請求BEACON幀的TSF值Ts2和節點ID ； (4)AP將現場節點/手持節點對應的節點ID以及時間值Tm2和Ts2通過延遲響應數據幀進行捎帶，並利用預先分配的TDMA廣播時隙廣播給現場節點/手持節點； 所述延遲響應數據幀的格式按順序包括幀控制、序列號、源地址、數據長度和荷載，其中，荷載包括節點ID以及時間值Tm2和Ts2 ； (5)現場節點/手持節點收到AP的延遲響應數據幀後，抽取對應節點ID的時間值Tm2和 Ts2 ； (6)根據Tml、Tm2、Tsl和Ts2值，計算主時鐘到從時鐘的延遲Ddown、從時鐘到主時鐘的延遲Dup、主時鐘和從時鐘之間的時鐘偏移，即當前同步周期的時間偏差值Offset:Ddown=T s1-Tml+Offset (I)
Dup=Tm2-Ts2_0f f set (2) 鏈路對稱的情況下，Ddown=Dup,記為Delay ;通過計算公式(I)和(2)，可以得到Delay和Offset的值:
5.根據權利要求1所述的基於預測補償的工業無線網絡高精度時間同步方法，其特徵在於，所述利用當前同步周期的時間偏差值預測下一個同步周期的時間偏差值，包括以下步驟: (1)時間偏差預測值初始化:取前N個時間同步周期計算得到的N個Offset值的平均值作為預測的初始值Offset。，並令Yci=Offsetci ； (2)時鐘偏差預測過程:利用加權移動平均方法計算下一個同步周期的時鐘偏差值V:
6.根據權利要求1所述的基於預測補償的工業無線網絡高精度時間同步方法，其特徵在於，所述利用預測得到的下一個同步周期的時間偏差值補償時鐘漂移，校準時鐘，包括以下步驟: (1)現場節點/手持節點計算第(t+ι)個同步周期的時鐘漂移量f(t+1): f (t+l)=f (t)+Yt+1 (11) (2)現場節點/手持節點設置本地定時器的步進單位為1，假設每個同步周期的持續時間為T，則在tT至(t+1) T時間內，現場節點/手持節點每隔固定的時間，線性平滑補償一次本地定時器，補償量以及補償規則包括: 如果Tml+DelayXTsl，則每隔
【文檔編號】H04J3/06GK103457685SQ201210172061
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年5月29日 優先權日:2012年5月29日
【發明者】梁煒, 楊雨沱, 張曉玲, 於海斌, 李世明, 楊中興 申請人:中國科學院瀋陽自動化研究所