基于預測補償?shù)墓I(yè)無線網(wǎng)絡高精度時間同步方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及工業(yè)無線網(wǎng)絡技術，具體地說是一種基于預測補償?shù)墓I(yè)無線網(wǎng)絡高精度時間同步方法。本發(fā)明將面向工廠自動化的工業(yè)無線網(wǎng)絡組建為基于IEEE?802.11單跳基本服務集BSS結構的星型網(wǎng)絡；按照工業(yè)無線網(wǎng)絡中的節(jié)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(fā)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(xiàn)較高的時間同步精度，達到高精度、高效、低開銷且易于實現(xiàn)的目的。
【專利說明】基于預測補償?shù)墓I(yè)無線網(wǎng)絡高精度時間同步方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及工業(yè)無線網(wǎng)絡技術，具體地說是一種基于預測補償?shù)墓I(yè)無線網(wǎng)絡高精度時間同步方法。
【背景技術】
[0002]工業(yè)無線網(wǎng)絡技術是繼現(xiàn)場總線之后，工業(yè)測控領域的又一個熱點技術，是降低工業(yè)測控系統(tǒng)成本、提高應用范圍的革命性技術，也是未來幾年工業(yè)自動化產(chǎn)品新的增長點。工業(yè)無線網(wǎng)絡技術適用于惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，具有抗干擾能力強、能耗低、實時通信等技術特征，是對現(xiàn)有無線技術在工業(yè)應用方向上的功能擴展和技術創(chuàng)新，并最終轉化為新的無線技術標準。目前，工業(yè)無線網(wǎng)絡技術逐漸應用于高速的工廠自動化領域，成為繼面向過程自動化的工業(yè)無線網(wǎng)絡技術之后，國際上無線網(wǎng)絡技術競爭的又一焦點。面向工廠自動化的工業(yè)無線網(wǎng)絡不僅具有工業(yè)無線網(wǎng)絡低成本、易安裝、易維護的優(yōu)勢，而且能夠避免工廠設備因移動導致的線纜易老化、線纜污染、滑環(huán)電力接觸易失敗等問題。然而，面向工廠自動化的工業(yè)無線網(wǎng)絡面臨著更加苛刻的需求:(1)大網(wǎng)絡規(guī)模，要求支持百點至千點的節(jié)點數(shù)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于10ms。
[0003]目前面向工廠自動化的工業(yè)無線網(wǎng)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(wǎng)絡物理層的首選。同時，采用TDMA確定性資源分配機制可以有效避免沖突，實現(xiàn)較高的可靠性和實時性，從而成為工廠自動化無線網(wǎng)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(wǎng)絡往往采用星型拓撲結構。實現(xiàn)這些技術面臨的一個重要挑戰(zhàn)是精準的時間同步。在工廠自動化應用中，PLC循環(huán)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于20ms?？紤]到網(wǎng)絡規(guī)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(nèi)通信要求較高的時間同步精度以保證時隙對齊，這是實現(xiàn)高可靠性和高實時性的關鍵。
[0004]現(xiàn)有典型的時間同步方法，如傳感器網(wǎng)絡時間同步協(xié)議(TPSN, Timing-synProtocol for Sensor Networks)和精準時間協(xié)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于時間同步精度的影響。受制作工藝、外界環(huán)境等因素的影響，每個節(jié)點維護的時間有所差別，當網(wǎng)絡運行一段時間后，節(jié)點間就會產(chǎn)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(wǎng)絡規(guī)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(jié)點之間的時間偏差無法校準，嚴重影響節(jié)點之間的實時、可靠通信。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]針對現(xiàn)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(fā)明提出一種基于預測補償?shù)墓I(yè)無線網(wǎng)絡高精度時間同步方法，面向IEEE802.11星型網(wǎng)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(jié)點根據(jù)預測的時間偏差值逐步校準自身時鐘，避免了由于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(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術方案是:一種基于預測補償?shù)墓I(yè)無線網(wǎng)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(yè)無線網(wǎng)絡組建為基于IEEE 802.11單跳基本服務集BSS結構的星型網(wǎng)絡；
[0008]按照工業(yè)無線網(wǎng)絡中的節(jié)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(yè)無線網(wǎng)絡中的節(jié)點包括:接入點AP、冗余AP、現(xiàn)場節(jié)點和/或手持節(jié)點，其中，現(xiàn)場節(jié)點和/或手持節(jié)點負責采工業(yè)無線網(wǎng)絡中的現(xiàn)場數(shù)據(jù)；接入點AP負責將現(xiàn)場節(jié)點和/或手持節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)轉發(fā)到主控計算機；冗余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(wǎng)絡中其他節(jié)點的內(nèi)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件時戳的Beacon幀，現(xiàn)場節(jié)點/手持節(jié)點收到AP廣播的Beacon巾貞后，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、載荷和硬件時戳值，其中，幀控制、序列號、源地址子域和載荷的長度和內(nèi)容符合IEEE 802.11標準中Beacon幀的格式，硬件時戳值為7個比特；
[0017](2)現(xiàn)場節(jié)點/手持節(jié)點在預先分配的TDMA時隙內(nèi)，依次向AP發(fā)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(xiàn)場節(jié)點/手持節(jié)點的Beacon中貞的格式相同；
[0018](3)AP記錄現(xiàn)場節(jié)點/手持節(jié)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(xiàn)場節(jié)點/手持節(jié)點發(fā)送該延遲請求BEACON巾貞的TSF值Ts2和節(jié)點ID ；
[0019](4) AP將現(xiàn)場節(jié)點/手持節(jié)點對應的節(jié)點ID以及時間值Tm2和Ts2通過延遲響應數(shù)據(jù)幀進行捎帶，并利用預先分配的TDMA廣播時隙廣播給現(xiàn)場節(jié)點/手持節(jié)點；
[0020]所述延遲響應數(shù)據(jù)幀的格式按順序包括幀控制、序列號、源地址、數(shù)據(jù)長度和荷載，其中，荷載包括節(jié)點ID以及時間值Tm2和Ts2 ；
[0021](5)現(xiàn)場節(jié)點/手持節(jié)點收到AP的延遲響應數(shù)據(jù)幀后，抽取對應節(jié)點ID的時間值Tm2 和 Ts2 ；
[0022](6)根據(jù)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】
1.一種基于預測補償?shù)墓I(yè)無線網(wǎng)絡高精度時間同步方法，其特征在于，包括以下步驟: 將面向工廠自動化的工業(yè)無線網(wǎng)絡組建為基于IEEE 802.11單跳基本服務集BSS結構的星型網(wǎng)絡； 按照工業(yè)無線網(wǎng)絡中的節(jié)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(jù)權利要求1所述的基于預測補償?shù)墓I(yè)無線網(wǎng)絡高精度時間同步方法，其特征在于，所述工業(yè)無線網(wǎng)絡中的節(jié)點包括:接入點AP、冗余AP、現(xiàn)場節(jié)點和/或手持節(jié)點，其中，現(xiàn)場節(jié)點和/或手持節(jié)點負責采工業(yè)無線網(wǎng)絡中的現(xiàn)場數(shù)據(jù)；接入點AP負責將現(xiàn)場節(jié)點和/或手持節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)轉發(fā)到主控計算機；冗余AP在接入點AP無法正常工作時代替其運行。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于預測補償?shù)墓I(yè)無線網(wǎng)絡高精度時間同步方法，其特征在于，所述主時鐘為AP的TSF ;所述從時鐘為網(wǎng)絡中其他節(jié)點的內(nèi)部時鐘。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于預測補償?shù)墓I(yè)無線網(wǎng)絡高精度時間同步方法，其特征在于，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件時戳的Beacon幀,現(xiàn)場節(jié)點/手持節(jié)點收到AP廣播的Beacon幀后，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、載荷和硬件時戳值，其中，幀控制、序列號、源地址子域和載荷的長度和內(nèi)容符合IEEE 802.11標準中Beacon幀的格式，硬件時戳值為7個比特； (2)現(xiàn)場節(jié)點/手持節(jié)點在預先分配的TDMA時隙內(nèi)，依次向AP發(fā)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(xiàn)場節(jié)點/手持節(jié)點的Beacon中貞的格式相同； (3)AP記錄現(xiàn)場節(jié)點/手持節(jié)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(xiàn)場節(jié)點/手持節(jié)點發(fā)送該延遲請求BEACON幀的TSF值Ts2和節(jié)點ID ； (4)AP將現(xiàn)場節(jié)點/手持節(jié)點對應的節(jié)點ID以及時間值Tm2和Ts2通過延遲響應數(shù)據(jù)幀進行捎帶，并利用預先分配的TDMA廣播時隙廣播給現(xiàn)場節(jié)點/手持節(jié)點； 所述延遲響應數(shù)據(jù)幀的格式按順序包括幀控制、序列號、源地址、數(shù)據(jù)長度和荷載，其中，荷載包括節(jié)點ID以及時間值Tm2和Ts2 ； (5)現(xiàn)場節(jié)點/手持節(jié)點收到AP的延遲響應數(shù)據(jù)幀后，抽取對應節(jié)點ID的時間值Tm2和 Ts2 ； (6)根據(jù)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(jù)權利要求1所述的基于預測補償?shù)墓I(yè)無線網(wǎng)絡高精度時間同步方法，其特征在于，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。，并令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(jù)權利要求1所述的基于預測補償?shù)墓I(yè)無線網(wǎng)絡高精度時間同步方法，其特征在于，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(xiàn)場節(jié)點/手持節(jié)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(xiàn)場節(jié)點/手持節(jié)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(xù)時間為T，則在tT至(t+1) T時間內(nèi)，現(xiàn)場節(jié)點/手持節(jié)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(guī)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(yōu)先權日:2012年5月29日
【發(fā)明者】梁煒, 楊雨沱, 張曉玲, 于海斌, 李世明, 楊中興 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所