專利名稱：工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的精確時間同步方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)中的一 種精確時間同步方法。
技術(shù)背景工業(yè)無線通信技術(shù)作為工業(yè)通信技術(shù)領(lǐng)域的一個全新的方向，是新興學 科與傳統(tǒng)學科進行領(lǐng)域間學術(shù)交叉的結(jié)果，己經(jīng)引起了學術(shù)界和工業(yè)界的廣 泛關(guān)注，并成為當前國內(nèi)外研究的熱點技術(shù)之一。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的時間同步問題無論在理論上還是在實際應(yīng)用中都具有重要的 價值，它是保證任何一個通信網(wǎng)絡(luò)或分布系統(tǒng)各種性能的基礎(chǔ)。時間同步機制在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，NTP(Network Time Protocol )是Internet 采用的時間同步協(xié)議，具有精度高、魯棒性好和易擴展等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛使 用，但是它依賴的條件在工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)中難以滿足，例如，NTP協(xié)議應(yīng)用在已 有的有線網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)鏈路失敗的概率很小，NTP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定， NTP協(xié)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(jiān)聽和占用都不受任何約束等；RBS (Reference Broadcast Synchronization)雖然消除了發(fā)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于小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，擴展性差，交換消息數(shù)量多； TPSN (Timing-sync Protocol for Sensor Networks)將NTP時間同歩方法 引入到無線網(wǎng)絡(luò)中，取得了比較好的精度，但是同步過程復(fù)雜度相對較大， 交換的消息數(shù)量多，收斂速度慢。因此，本發(fā)明針對工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的無線鏈 路質(zhì)量受環(huán)境影響往往較差、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化、資源能量有限等獨特 性提出了工業(yè)無線的 一種時間同步方法。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，根據(jù)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)能源供應(yīng)有限、動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、無線網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的開放性等特點，提出適合工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò) 的一種精確時間同步方法，對系統(tǒng)進行分層分級管理，逐級進行時間同步， 最后達到全網(wǎng)時間同步，在滿足工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)性能要求的前提下確保整個網(wǎng) 絡(luò)按照統(tǒng)一的時間標尺運行，有效解決工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部時鐘統(tǒng)一的問題， 保障系統(tǒng)正常運行，是確定性調(diào)度、自適應(yīng)跳信道等其它技術(shù)的基礎(chǔ)。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中各層 設(shè)備的級別，對系統(tǒng)進行分層分級管理，上一級設(shè)備作為父設(shè)備，下一級設(shè) 備作為子設(shè)備，設(shè)置父設(shè)備的時鐘為子設(shè)備的標準時鐘，父設(shè)備周期性發(fā)送 附帶時間同步信息的信標幀，在發(fā)送信標幀過程中，利用SFD中斷捕捉發(fā)送 時間戳，并將發(fā)送時間戳放入信標幀尾部和信標幀一并發(fā)送，子設(shè)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，接收完成后解析信標幀獲得發(fā)送時間戳，得到一對發(fā)送接收時間戳對，子設(shè)備采用最小二乘法擬合最近N次的時間戳對，得到本設(shè)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(xiàn)子設(shè)備與其父設(shè)備的時鐘同步；對網(wǎng)絡(luò)中所有子設(shè) 備循環(huán)執(zhí)行上述與父設(shè)備的同步過程，直至網(wǎng)絡(luò)中所有的下一級設(shè)備都完成 與其上一級設(shè)備的時鐘同步，實現(xiàn)全網(wǎng)的時間同步。本發(fā)明設(shè)計的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)時間同步方法，通過動態(tài)估計工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)設(shè) 備之間的時鐘頻率偏差和當前時間偏差，并利用估計的偏差值對設(shè)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(nèi)同步誤差的自由增長，有 效提高了工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)時間同步的精度。這種方法具有良好的自適應(yīng)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(xié)議與本發(fā)明提供的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)時間同步方法相結(jié)合，可以在 不增加報文個數(shù)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(nèi)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(diào)度的精度、數(shù)據(jù)融合的程度、低功耗的協(xié)議性能等直接關(guān)系到工業(yè)無 線網(wǎng)絡(luò)性能的各項指標。


圖l:時間同步處理流程2:信標幀結(jié)構(gòu)3:信標幀發(fā)送示意4:星型網(wǎng)絡(luò)同步精度對比示意圖具體實施方式
本發(fā)明基于FTSP協(xié)議的信標幀附帶時間同步信息，子設(shè)備通過動態(tài)地估 計與其父設(shè)備之間的時鐘速率偏差，并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(nèi)時鐘誤差的自由增長， 有效地提高了工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)時間同步的精度。本發(fā)明提供的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的精確時間同步方法，獨立于具體的時間同步 算法，通過動態(tài)估計設(shè)備之間的時鐘速率偏差，根據(jù)已經(jīng)估計出的時鐘速率 偏差信息對設(shè)備時間進行補償，從而達到提高時間同步算法精度的目的。由于受到生產(chǎn)工藝及外界環(huán)境如電壓、溫度、濕度、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(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)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(shè)備時鐘偏差不斷增大的主要原因。若能獲得設(shè)備間時 鐘頻率偏差并利用該信息對設(shè)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(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)中，根據(jù)設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中所處的位置，設(shè)置網(wǎng)絡(luò) 中各層設(shè)備的級別，上一級設(shè)備作為下一級設(shè)備的父設(shè)備，下一級設(shè)備作為 上一級設(shè)備的子設(shè)備，將網(wǎng)絡(luò)中最上層層次結(jié)構(gòu)中的父設(shè)備的時鐘設(shè)置為標 準時鐘，父設(shè)備周期性發(fā)送附帶時間同步信息的信標幀，并將發(fā)送時間戳放入信標幀尾部和信標幀一并發(fā)送；子設(shè)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，接收完成后解析信標幀獲得發(fā)送時間戳，得到一 對發(fā)送接收時間戳，這樣接收到N次信標幀就有N對發(fā)送接收時間戳，子設(shè) 備采用最小二乘法擬合最近N次的時間戳對，得到本設(shè)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(xiàn)子設(shè)備與其父設(shè)備的時鐘同步；網(wǎng)絡(luò)中其他子設(shè)備循環(huán)執(zhí)行上述過程，實現(xiàn)與其父設(shè)備的時鐘同步，直至網(wǎng) 絡(luò)中所有的下一級設(shè)備都完成與其上一級設(shè)備的時鐘同步，實現(xiàn)全網(wǎng)的時間 同步。以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。 如圖1所示為本發(fā)明所述的時間同步處理流程圖，在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu) 中，最上層的父設(shè)備將信標幀放入發(fā)送緩沖區(qū)進行發(fā)送，信標幀中附帶有時間同步信息，當發(fā)送到SFD部分時產(chǎn)生中斷，將發(fā)送時間戳加入信標幀預(yù)留 的時間戳位置，與信標幀一并發(fā)送。子設(shè)備接收信標幀，在接收到SFD部分 時產(chǎn)生中斷，記錄下子設(shè)備的接收時間戳，子設(shè)備根據(jù)接收到的信標幀解析 發(fā)送時間戳，發(fā)送時間戳與接收時間戳組合成一對接收發(fā)送時間戳，采用最 小二乘法對最近的N次接收發(fā)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(shè)備休眠時，利用休眠前最后N次的發(fā)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(fā)明提供的信標幀結(jié)構(gòu)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(gòu)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(wù)數(shù)據(jù)單元(MSDU)、時間戳和幀校驗序列(FCS)構(gòu)成。當發(fā)送方發(fā) 送到信標幀的定界符時，自動產(chǎn)生SFD中斷，接收方接收到信標幀定界符時， 也產(chǎn)生SFD中斷，發(fā)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(shè)備的MAC層生成，在信標幀中預(yù)留發(fā)送時間戳位置，在父設(shè) 備發(fā)送信標幀到定界符SFD時，產(chǎn)生中斷，把發(fā)送時間戳加入到信標幀中預(yù) 留的時間戳位置，由于IEEE802. 15.4協(xié)議在2. 4G頻段上的傳輸速度為 250kbps，每個比特4us，當發(fā)送到時間戳部分時中斷程序已經(jīng)運行結(jié)束，時 間戳已經(jīng)加入預(yù)留位置，中斷加入時間戳過程和發(fā)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(fā)送時間戳組合成一對時間戳進行處理。由于發(fā)送點和接收點之間存在一定距離，發(fā)送和接收時間戳之間必然存在一定誤差，根據(jù)光在空氣中的傳播速度3X108m/s， 一微秒可以傳播300米，運用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備之間的傳播耗時相對于整個時鐘誤差完全可以忽略不計。如圖3所示為本發(fā)明提供的基于最近N次FTSP同步操作估計出設(shè)備間的 時鐘相對頻率偏差的示意圖。發(fā)送方按本地時鐘間隔時間T周期性發(fā)送信標幀，對第一級設(shè)備，父設(shè)備 在i;時刻發(fā)送，子設(shè)備在^時刻接收，上一級的子設(shè)備成為下一級的父設(shè)備， 對第二級設(shè)備，間隔時間T后，父設(shè)備在7;時刻發(fā)送，子設(shè)備在^時刻接收， 直至7;時刻，在發(fā)送過程中，利用SFD中斷將發(fā)送時間戳加入報文預(yù)留的時 間戳位置一并發(fā)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(fā)送時間戳。這樣每接收一次信標幀就得到一對發(fā) 送接收時間戳，根據(jù)每次信標幀發(fā)送間隔T采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A(yù)r和當前時間偏差A(yù)"本地時鐘 加上"補償本地時鐘實現(xiàn)與父設(shè)備的時間同步。調(diào)用以下公式計算第i級設(shè)備的標準時鐘頻率偏差A(yù)r和當前時間偏差A(yù)"<formula>formula see original document page 7</formula>式中，r,表示父設(shè)備第i次發(fā)送的時間戳，,,表示子設(shè)備第1次接收的時間戳，N表示時間戳對的個數(shù)。當設(shè)備休眠時，通過休眠前最后N次的擬合結(jié)果，對設(shè)備本地時鐘周期性的加上Ar，對當前子設(shè)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為例對網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的時間同步處理過程作具體描述。在星型網(wǎng)絡(luò)中，只有一層父設(shè)備和一層子設(shè)備，父設(shè)備周期性的發(fā)送信 標幀，各個子設(shè)備接收到父設(shè)備發(fā)送的信標幀后，利用接收發(fā)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(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中所有子設(shè) 備與父設(shè)備之間的時鐘同步。在樹型層次結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，每個設(shè)備都設(shè)置有惟一的標識號ID，整個網(wǎng)絡(luò) 內(nèi)所有設(shè)備按照層次結(jié)構(gòu)進行時間同步。首先將協(xié)調(diào)器賦予最高級別(第0 級)，協(xié)調(diào)器的子設(shè)備設(shè)置為第1級，以此類推，第i級的設(shè)備至少能夠與一 個第(i-l)級的設(shè)備通信；第1級設(shè)備作為子設(shè)備接收其父設(shè)備協(xié)調(diào)器發(fā)送的信標幀，并同步到協(xié)調(diào)器，第i級的所有設(shè)備同步到第(i-l)級的設(shè)備，最終所有設(shè)備都同步到協(xié)調(diào)器，實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的時間同步。以下對上述同步的過程進行具體描述。在協(xié)調(diào)器形成網(wǎng)絡(luò)，其他設(shè)備加 入網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)調(diào)器通過廣播級別發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包啟動層次發(fā)現(xiàn)階段，級別發(fā)現(xiàn)數(shù) 據(jù)包中包含設(shè)備的ID和級別(第0級)；協(xié)調(diào)器的子設(shè)備收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的 級別發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包后，將其設(shè)備級別設(shè)置為協(xié)調(diào)器的級別加l，即為第1級，第 1級設(shè)備然后廣播新的級別發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包，其中包含的設(shè)備級別為1;第i級設(shè)備收到第(i-l)級設(shè)備廣播的級別發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包后，記錄發(fā)送這個數(shù)據(jù)包的設(shè)備ID，將其設(shè)置為自己的父設(shè)備，并設(shè)置自己的級別為i;持續(xù)上述層次識 別和級別設(shè)置過程，直到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每個設(shè)備都賦予一個級別。設(shè)備一旦建立 自己的級別，就忽略任何其他級別發(fā)現(xiàn)，以防止網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生洪泛擁塞。層次結(jié) 構(gòu)建立以后，級別為0的協(xié)調(diào)器作為父設(shè)備，周期性的發(fā)送信標幀，級別為l 的設(shè)備根據(jù)接收到的信標幀，全部建立與父設(shè)備協(xié)調(diào)器的同步，級別為1的設(shè)備同步到協(xié)調(diào)器后，向自己的下一級設(shè)備廣播信標幀，級別為2的設(shè)備根據(jù)接收到的信標幀實現(xiàn)與級別為1的設(shè)備的同步。以此類推，級別為i的設(shè) 備通過接收到的信標幀同步到級別為(i-l)的設(shè)備。協(xié)調(diào)器周期性廣播帶有時間同步消息的信標幀，1級設(shè)備在收到協(xié)調(diào)器廣播的信標幀后時間同步到協(xié)調(diào)器，同樣，2級設(shè)備在收到1級設(shè)備的信標幀后同步到其父設(shè)備1級設(shè)備，這樣，每個設(shè)備與其父設(shè)備進行時間同步，最終 所有設(shè)備都時間同步到協(xié)調(diào)器。為了更好地對本發(fā)明的優(yōu)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(wǎng)絡(luò)測量，如圖4所示為本發(fā)明工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的時間同步方法長期運行檢測的時間同步精度結(jié)果。第三方測試平臺在網(wǎng)絡(luò)完成時間 同步后廣播一個消息，然后收集網(wǎng)絡(luò)中各個設(shè)備收到該消息的時間戳，測試時間為150min，每個設(shè)備收到消息的時間戳與協(xié)調(diào)器收到消息的時間戳進行 比較，得到網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的同步精度誤差，整個網(wǎng)絡(luò)時間同步精度誤差控制在 4.5^is以內(nèi)，很好的實現(xiàn)了工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的精確時間同步。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進 一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并 不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同 替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的精確時間同步方法，根據(jù)設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中所處的位置，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中各層設(shè)備的級別，并將上一級設(shè)備作為父設(shè)備，下一級設(shè)備作為其子設(shè)備，設(shè)置父設(shè)備的時鐘為標準時鐘，其特征在于，父設(shè)備的MAC層生成信標幀，父設(shè)備周期性發(fā)送信標幀，利用SFD中斷將發(fā)送時間戳加入信標幀一并發(fā)送，其子設(shè)備在接收信標幀過程中利用SFD中斷記錄接收時間戳，并解析信標幀獲得發(fā)送時間，子設(shè)備得到一對發(fā)送接收時間戳；采用最小二乘法擬合最近N次的發(fā)送接收時間戳，得到本設(shè)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(xiàn)子設(shè)備與其父設(shè)備的時鐘同步；對網(wǎng)絡(luò)中所有子設(shè)備執(zhí)行上述與其父設(shè)備的時鐘同步過程，直至所有的下一級設(shè)備都完成與協(xié)調(diào)器的時鐘同步。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的精確時間同步方法，其特征在于，父設(shè)備在發(fā) 送信標幀的過程中，利用SFD中斷將發(fā)送時間戳加入信標幀報文預(yù)留的時間 戳位置一并發(fā)送。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的精確時間同步方法，其特征在于，根據(jù)以下公 式計算本設(shè)備時鐘與標準時鐘的頻率偏差A(yù)r和時間偏差A(yù),:Afg 〃)g O-g W式中，r,表示父設(shè)備第i次發(fā)送的時間戳，f,表示子設(shè)備第i次接收的時間戳，N表示時間戳對的個數(shù)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的精確時間同步方法，其特征在于，在節(jié)點設(shè)備 休眠時依據(jù)休眠前最近N次的發(fā)送接收時間戳數(shù)據(jù)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(fā)明請求保護一種工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)的精確時間同步方法，涉及工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。針對工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)能源供應(yīng)有限、動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、無線網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的開放性等特點，提出獨特性的精確時間同步方法，采用分層分級同步策略，將工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)按層次結(jié)構(gòu)劃分，父設(shè)備的MAC層生成信標幀，并周期性發(fā)送信標幀，在信標幀的收發(fā)過程中獲得時間戳，通過擬合最近N次的發(fā)送接收時間戳，得到本設(shè)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(xiàn)子設(shè)備與其父設(shè)備的時鐘同步；逐級進行時間同步，最后實現(xiàn)全網(wǎng)的時間同步。在滿足工業(yè)無線通信網(wǎng)絡(luò)性能要求的前提下確保整個網(wǎng)絡(luò)運行在統(tǒng)一的時間標尺下，保障系統(tǒng)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(yōu)先權(quán)日2008年7月23日
發(fā)明者劉渝燦, 平 王, 恒 王, 飛 王, 金基天 申請人:重慶郵電大學