一種星型網(wǎng)絡(luò)下基于接收者的低開銷時(shí)間同步方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具體地說是一種星型網(wǎng)絡(luò)下基于接收者的低開銷 時(shí)間同步方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是繼現(xiàn)場總線之后，工業(yè)控制領(lǐng)域的又一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)，是降低 工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)成本，提高工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用范圍的革命性技術(shù)，也是未來幾年工業(yè)自動(dòng)化 產(chǎn)品新的增長點(diǎn)。目前，工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于高速的工廠自動(dòng)化領(lǐng)域，成為繼面向過程 自動(dòng)化的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后，國際上無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)競爭的又一焦點(diǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)的有 線總線技術(shù)，工廠自動(dòng)化無線網(wǎng)絡(luò)不僅具有低成本、易安裝、易維護(hù)的優(yōu)勢(shì)，而且能夠避免 設(shè)備因移動(dòng)導(dǎo)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，工廠自動(dòng)化 對(duì)無線通信系統(tǒng)有著更苛刻的要求；（1)高可靠性，丟包率低于1(T9 ; (2)高通信速率，傳輸 速率在Mbit/s的量級(jí)；（3)高實(shí)時(shí)性，要求延遲低于10ms; (4)大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，要求支持百點(diǎn) 至千點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。
[0003]對(duì)應(yīng)于工廠自動(dòng)化無線網(wǎng)絡(luò)的上述要求，I邸E802. 11標(biāo)準(zhǔn)族因其物理層具有高速 的特點(diǎn)W及單跳星型網(wǎng)絡(luò)具有高實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，成為工廠自動(dòng)化無線網(wǎng)絡(luò)物理層的首選。 同時(shí)，TDMA機(jī)制因其確定性的資源分配W及有效避免沖突的特點(diǎn)，可W實(shí)現(xiàn)較高的可靠性 和實(shí)時(shí)性，因此成為工廠自動(dòng)化無線網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制層的首選。然而，選擇高速的物理層 W及基于TDMA的介質(zhì)訪問控制層，需要網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中精準(zhǔn)的時(shí)間同步。同時(shí)，工廠自動(dòng) 化中的PLC循環(huán)周期通常為2-50ms，常見為20ms，為此一般要求超峽周期小于20ms，進(jìn)而 要求微砂級(jí)的時(shí)隙長度。節(jié)點(diǎn)中的時(shí)鐘由內(nèi)部硬件決定，受制作工藝、外界環(huán)境等因素的影 響，每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)的時(shí)間有所差別，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行一段時(shí)間后，節(jié)點(diǎn)間就會(huì)產(chǎn)生一定的時(shí)間偏 差，即存在時(shí)間漂移。因此，定期地為節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行時(shí)間同步就尤為重要，較高的時(shí)間同步精 度保證了時(shí)隙對(duì)齊，是工廠自動(dòng)化無線網(wǎng)絡(luò)獲得高可靠性與實(shí)時(shí)性的關(guān)鍵。本發(fā)明針對(duì)工 廠自動(dòng)化無線網(wǎng)絡(luò)的特征，利用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)一種低開銷、高精度的時(shí)間同步 方法。
[0004]I邸E802. 11-2007標(biāo)準(zhǔn)的基本服務(wù)集（BasicServiceSet,BSS)為單跳星型網(wǎng)絡(luò)， 其同步方法的原理為：
[0005] 1.接入點(diǎn)（AP，Access化int)向網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)廣播帶有時(shí)戳信息的信標(biāo) (Beacon)中貞；
[000引2.節(jié)點(diǎn)根據(jù)獲取的AP的時(shí)戳信息校準(zhǔn)自身的時(shí)鐘，達(dá)到全網(wǎng)的同步。
[0007]然而，該類方法中的節(jié)點(diǎn)在校準(zhǔn)自身時(shí)鐘時(shí)忽略了傳輸延遲的影響，僅利用收 到的時(shí)戳信息進(jìn)行時(shí)間同步會(huì)使同步結(jié)果增加一次信標(biāo)峽的傳輸延遲時(shí)間值大小的同 步誤差。一些廠商為降低傳輸延遲帶來的時(shí)間同步誤差，規(guī)定了信標(biāo)峽的傳輸延遲用 于補(bǔ)償時(shí)間校準(zhǔn)誤差，但相同的射頻搭配不同速度的處理器傳輸延遲的大小不同，因此 I邸E802. 11-2007標(biāo)準(zhǔn)本身的時(shí)間同步方法無法滿足工廠自動(dòng)化對(duì)高時(shí)間同步精度的需 求。
[0008] 現(xiàn)有的一些典型的雙向時(shí)間同步方法，如傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議（TPSN， Timing-synProtocolforSensorNetworks)和精準(zhǔn)時(shí)間協(xié)議（PTP,PrecisionTime Protocol),均利用雙向交互的時(shí)戳信息獲取時(shí)間偏差與傳輸延遲，雖有效消除了時(shí)戳數(shù)據(jù) 傳輸過程中的延遲，能夠獲得較高的時(shí)間同步精度，但其代價(jià)是頻繁的交互時(shí)戳數(shù)據(jù)，開 銷較高?；诮邮照叩臅r(shí)間同步方法最具代表性的方法為參考廣播時(shí)間同步協(xié)議（RBS， ReferenceBroadcastSync虹onization),其利用廣播域內(nèi)一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播消息，廣播 域內(nèi)另兩個(gè)接收節(jié)點(diǎn)分別記錄該個(gè)消息的到達(dá)時(shí)間，然后交換所記錄的到達(dá)時(shí)間來確定兩 個(gè)接收節(jié)點(diǎn)的時(shí)間偏移量，最終實(shí)現(xiàn)接收節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間同步。RBS雖能消除時(shí)戳數(shù)據(jù)傳輸 延遲的影響，但算法本身報(bào)文通信量和節(jié)點(diǎn)本地計(jì)算量較大，占用系統(tǒng)大量資源，不適合高 速的工廠自動(dòng)化無線網(wǎng)絡(luò)。
[0009] 本發(fā)明方法面向的工廠自動(dòng)化無線網(wǎng)絡(luò)，1)節(jié)點(diǎn)數(shù)量大且分布密集；2)TDMA超峽 的循環(huán)周期短；3)每個(gè)節(jié)點(diǎn)占用的無線通信資源有限。若采用TPSN等雙向時(shí)間同步算法， 則需要額外分配大量受限的TDMA時(shí)隙資源用于傳輸AP與節(jié)點(diǎn)間雙向的時(shí)戳數(shù)據(jù)，開銷較 大且實(shí)時(shí)性較差。若采用RBS算法，其低效的報(bào)文交互策略同樣開銷較大。針對(duì)工廠自動(dòng) 化無線現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、分布密集、實(shí)時(shí)性要求高、資源有限等特點(diǎn)，亟需設(shè)計(jì)一種低開銷 且高精度的時(shí)間同步方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 針對(duì)IEEE802. 11標(biāo)準(zhǔn)中定義的時(shí)間同步方法同步精度較低，而其他時(shí)間同步方 法開銷較大的上述問題，本發(fā)明方法利用工廠自動(dòng)化無線網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)密集分布W及無線鏈 路具有的非導(dǎo)向性傳輸（即節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文后，其通信范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)均能收到此報(bào)文）的 特點(diǎn)，提出一種TDMA機(jī)制下基于IE邸802. 11-2007標(biāo)準(zhǔn)的工廠自動(dòng)化星型無線網(wǎng)絡(luò)的高精 度時(shí)間同步方法。
[0011] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種星型網(wǎng)絡(luò)下基于接收者的低開 銷時(shí)間同步方法，包括W下步驟：
[001引將AP作為基于接受者的時(shí)間同步時(shí)間基準(zhǔn)，現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)和AP同時(shí)接收同一網(wǎng)絡(luò)ID的數(shù)據(jù)峽，并記錄接收時(shí)刻時(shí)間值;AP將所有收到的數(shù)據(jù)峽的源地址和接收時(shí)間值聚合成 時(shí)間同步數(shù)據(jù)峽，并在下一個(gè)超峽周期的第一個(gè)時(shí)隙內(nèi)廣播該時(shí)間同步數(shù)據(jù)峽；通過比較 AP與現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)所記錄的接收時(shí)刻時(shí)間值，完成時(shí)間同步。
[001引所述將AP作為基于接受者的時(shí)間同步時(shí)間基準(zhǔn)，現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)和AP同時(shí)接收同一網(wǎng) 絡(luò)ID的數(shù)據(jù)峽，并記錄接收時(shí)刻時(shí)間值，具體為：
[0014] 某個(gè)現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)需要同步自身時(shí)鐘時(shí)，在下一個(gè)超峽周期開始時(shí)開啟射頻接收功 能；當(dāng)該現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)接收到同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID內(nèi)其他現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)峽時(shí)，記錄接收到的數(shù)據(jù)峽 的源地址和接收時(shí)刻的時(shí)間值；AP接收所有現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)峽，并記錄其源地址和接收時(shí) 間值。
[0015] 所述通過比較AP與現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)所記錄的接收時(shí)刻時(shí)間值，完成時(shí)間同步，包括W下 步驟：
[0016] 待同步的現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)收到AP廣播的時(shí)間同步數(shù)據(jù)峽后，解析時(shí)間同步數(shù)據(jù)峽的載 荷部分，提取上一超峽周期內(nèi)AP接收到相同數(shù)據(jù)峽的時(shí)間值T"，則現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部時(shí)鐘與AP內(nèi)部時(shí)鐘偏移量Offset為：
[0017]Offset=T"- Ts
[001引其中，Ts為現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)峽的時(shí)間值；
[0019] 現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)根據(jù)Offset值校準(zhǔn)本地時(shí)鐘TSF;
[0020] TSF=TSF+0ffset
[0021] 現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)校準(zhǔn)時(shí)間完成后，現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)清除所記錄的數(shù)據(jù)峽源地址和接收時(shí)刻時(shí)間 值，AP清除上一個(gè)超峽周期內(nèi)記錄的所有收到的數(shù)據(jù)峽的源地址和接收時(shí)間值，并開始記 錄當(dāng)前超峽周期的數(shù)據(jù)峽的源地址和接收時(shí)間值。
[0022] 所述數(shù)據(jù)峽包括數(shù)據(jù)鏈路層峽控制、網(wǎng)絡(luò)ID、源地址和載荷。
[0023]