CN101335587B

CN101335587B - 工业无线网络的精确时间同步方法

Info

Publication number: CN101335587B
Application number: CN200810070022XA
Authority: CN
Inventors: 王恒; 王平; 刘渝灿; 王飞; 金基天
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2008-07-23
Filing date: 2008-07-23
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2028-07-23
Also published as: CN101335587A

Abstract

本发明请求保护一种工业无线网络的精确时间同步方法，涉及工业无线网络通信技术。针对工业无线网络能源供应有限、动态变化的网络环境、无线网络介质的开放性等特点，提出独特性的精确时间同步方法，采用分层分级同步策略，将工业无线网络按层次结构划分，父设备的MAC层生成信标帧，并周期性发送信标帧，在信标帧的收发过程中获得时间戳，通过拟合最近N次的发送接收时间戳，得到本设备时钟与标准时钟的频率偏差和时间偏差，补偿本地时钟，实现子设备与其父设备的时钟同步；逐级进行时间同步，最后实现全网的时间同步。在满足工业无线通信网络性能要求的前提下确保整个网络运行在统一的时间标尺下，保障系统正常的运行。

Description

工业无线网络的精确时间同步方法

技术领域

本发明属于工业无线网络通信技术领域，尤其涉及工业无线网络中的一种精确时间同步方法。

背景技术

工业无线通信技术作为工业通信技术领域的一个全新的方向，是新兴学科与传统学科进行领域间学术交叉的结果，已经引起了学术界和工业界的广泛关注，并成为当前国内外研究的热点技术之一。

网络系统的时间同步问题无论在理论上还是在实际应用中都具有重要的价值，它是保证任何一个通信网络或分布系统各种性能的基础。时间同步机制在传统网络中已经得到广泛应用，NTP(Network Time Protocol)是Internet采用的时间同步协议，具有精度高、鲁棒性好和易扩展等优点，已经广泛使用，但是它依赖的条件在工业无线网络中难以满足，例如，NTP协议应用在已有的有线网络中，网络链路失败的概率很小，NTP协议的网络结构相对稳定，NTP协议需要通过频繁交换消息来不断校准时钟频率偏差带来的误差，CPU使用、信道监听和占用都不受任何约束等；RBS(Reference BroadcastSynchronization)虽然消除了发送端传播延迟引入的同步误差，提高了同步精度，但是这种方法只适用于小规模的网络，扩展性差，交换消息数量多；TPSN(Timing-sync Protocol for Sensor Networks)将NTP时间同步方法引入到无线网络中，取得了比较好的精度，但是同步过程复杂度相对较大，交换的消息数量多，收敛速度慢。因此，本发明针对工业无线网络的无线链路质量受环境影响往往较差、网络拓扑结构动态变化、资源能量有限等独特性提出了工业无线的一种时间同步方法。

发明内容

本发明针对现有技术的上述缺陷，根据工业无线网络能源供应有限、动态变化的网络环境、无线网络介质的开放性等特点，提出适合工业无线网络的一种精确时间同步方法，对系统进行分层分级管理，逐级进行时间同步，最后达到全网时间同步，在满足工业无线网络性能要求的前提下确保整个网络按照统一的时间标尺运行，有效解决工业无线网络内部时钟统一的问题，保障系统正常运行，是确定性调度、自适应跳信道等其它技术的基础。

本发明所采用的技术方案是：根据工业现场网络层次结构设置网络中各层设备的级别，对系统进行分层分级管理，上一级设备作为父设备，下一级设备作为子设备，设置父设备的时钟为子设备的标准时钟，父设备周期性发送附带时间同步信息的信标帧，在发送信标帧过程中，利用SFD中断捕捉发送时间戳，并将发送时间戳放入信标帧尾部和信标帧一并发送，子设备在接收信标帧过程中，记录下利用SFD中断捕捉的接收时间戳，接收完成后解析信标帧获得发送时间戳，得到一对发送接收时间戳对，子设备采用最小二乘法拟合最近N次的时间戳对，得到本设备时钟与标准时钟的频率偏差和时间偏差，补偿本地时钟，实现子设备与其父设备的时钟同步；对网络中所有子设备循环执行上述与父设备的同步过程，直至网络中所有的下一级设备都完成与其上一级设备的时钟同步，实现全网的时间同步。

本发明设计的工业无线网络时间同步方法，通过动态估计工业无线网络设备之间的时钟频率偏差和当前时间偏差，并利用估计的偏差值对设备时钟进行补偿，从而遏制了在两次同步操作之间时间段内同步误差的自由增长，有效提高了工业无线网络时间同步的精度。这种方法具有良好的自适应性、可扩展性和较高的同步精度，在低能量消耗的情况下得到较高的时间同步精度。

将FTSP协议与本发明提供的工业无线网络时间同步方法相结合，可以在不增加报文个数的前提下，大幅度地提高FTSP时间同步算法的同步精度，大幅度提高在两次同步操作之间的时间段内的同步精度，使得即使在深度休眠的状况下或者很低的同步操作频率下，也能获得很高的同步精度。能提高确定性调度的精度、数据融合的程度、低功耗的协议性能等直接关系到工业无线网络性能的各项指标。

附图说明

图1：时间同步处理流程图

图2：信标帧结构图

图3：信标帧发送示意图

图4：星型网络同步精度对比示意图

具体实施方式

本发明基于FTSP协议的信标帧附带时间同步信息，子设备通过动态地估计与其父设备之间的时钟速率偏差，并利用估计的时钟速率偏差对本地时钟进行补偿，从而遏制了在两次同步操作之间时间段内时钟误差的自由增长，有效地提高了工业无线网络时间同步的精度。

本发明提供的工业无线网络的精确时间同步方法，独立于具体的时间同步算法，通过动态估计设备之间的时钟速率偏差，根据已经估计出的时钟速率偏差信息对设备时间进行补偿，从而达到提高时间同步算法精度的目的。

由于受到生产工艺及外界环境如电压、温度、湿度、晶体老化等因素的影响，晶体振荡器的实际震荡频率与其标称频率不能一致。通过大量的统计后发现：即使是具有相同标称频率的晶体振荡器，它们的实际震荡频率也是有差值的，而该值就是设备时钟偏差不断增大的主要原因。若能获得设备间时钟频率偏差并利用该信息对设备的时钟进行补偿，将会大幅度地提高时间同步的精度。

在工业现场网络层次结构中，根据设备在网络中所处的位置，设置网络中各层设备的级别，上一级设备作为下一级设备的父设备，下一级设备作为上一级设备的子设备，将网络中最上层层次结构中的父设备的时钟设置为标准时钟，父设备周期性发送附带时间同步信息的信标帧，并将发送时间戳放入信标帧尾部和信标帧一并发送；子设备在接收信标帧过程中，记录下利用SFD中断捕捉的接收时间戳，接收完成后解析信标帧获得发送时间戳，得到一对发送接收时间戳，这样接收到N次信标帧就有N对发送接收时间戳，子设备采用最小二乘法拟合最近N次的时间戳对，得到本设备时钟与标准时钟的频率偏差和时间偏差，补偿本地时钟，实现子设备与其父设备的时钟同步；网络中其他子设备循环执行上述过程，实现与其父设备的时钟同步，直至网络中所有的下一级设备都完成与其上一级设备的时钟同步，实现全网的时间同步。

以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示为本发明所述的时间同步处理流程图，在工业网络层次结构中，最上层的父设备将信标帧放入发送缓冲区进行发送，信标帧中附带有时间同步信息，当发送到SFD部分时产生中断，将发送时间戳加入信标帧预留的时间戳位置，与信标帧一并发送。子设备接收信标帧，在接收到SFD部分时产生中断，记录下子设备的接收时间戳，子设备根据接收到的信标帧解析发送时间戳，发送时间戳与接收时间戳组合成一对接收发送时间戳，采用最小二乘法对最近的N次接收发送时间戳进行拟合得到时钟频率偏差和当前时间偏差，对本地时钟进行补偿校准，达到和标准时钟的精确时间同步。

设备休眠时，利用休眠前最后N次的发送接收时间戳进行拟合，对本地时钟进行频率偏差补偿。

如图2所示为本发明提供的信标帧结构图，物理层的信标包(PPDU)由前同步码、定界符(SFD)、帧长和物理层信标包载荷(PSDU)构成，物理层信标包载荷是MAC层生成的MAC层信标帧，MAC层信标帧由MAC层帧头(MHR)、MAC层服务数据单元(MSDU)、时间戳和帧校验序列(FCS)构成。当发送方发送到信标帧的定界符时，自动产生SFD中断，接收方接收到信标帧定界符时，也产生SFD中断，发送方和接收方通过SFD中断捕捉各自的时间戳。

信标帧由父设备的MAC层生成，在信标帧中预留发送时间戳位置，在父设备发送信标帧到定界符SFD时，产生中断，把发送时间戳加入到信标帧中预留的时间戳位置，由于IEEE802.15.4协议在2.4G频段上的传输速度为250kbps，每个比特4us，当发送到时间戳部分时中断程序已经运行结束，时间戳已经加入预留位置，中断加入时间戳过程和发送过程互不影响；接收信标帧时，在SFD中断记录下接收时间戳，以便解析信标帧时与发送时间戳组合成一对时间戳进行处理。

由于发送点和接收点之间存在一定距离，发送和接收时间戳之间必然存在一定误差，根据光在空气中的传播速度3×10⁸m/s，一微秒可以传播300米，运用于工业现场设备之间的传播耗时相对于整个时钟误差完全可以忽略不计。

如图3所示为本发明提供的基于最近N次FTSP同步操作估计出设备间的时钟相对频率偏差的示意图。

发送方按本地时钟间隔时间T周期性发送信标帧，对第一级设备，父设备在T₁时刻发送，子设备在t₁时刻接收，上一级的子设备成为下一级的父设备，对第二级设备，间隔时间T后，父设备在T₂时刻发送，子设备在t₂时刻接收，直至T_N时刻，在发送过程中，利用SFD中断将发送时间戳加入报文预留的时间戳位置一并发送，接收方接收到信标帧，利用SFD中断记录下接收的时间戳，解析信标帧报文获得发送时间戳。这样每接收一次信标帧就得到一对发送接收时间戳，根据每次信标帧发送间隔T采用最小二乘法拟合最近N次时间戳，得到本地时钟与标准时钟的频率偏差ΔT和当前时间偏差Δt，本地时钟加上Δt补偿本地时钟实现与父设备的时间同步。调用以下公式计算第i级设备的标准时钟频率偏差ΔT和当前时间偏差Δt，

Δt = \frac{(Σ {T_{i}}^{2}) (Σ t_{i}) - (Σ T_{i}) (Σ T_{i} t_{i})}{N (Σ {T_{i}}^{2}) - {(Σ T_{i})}^{2}}

ΔT = \frac{N (Σ T_{i} t_{i}) - (Σ T_{i}) (Σ t_{i})}{N (Σ {T_{i}}^{2}) - {(Σ T_{i})}^{2}}

式中，T_i表示父设备第i次发送的时间戳，t_i表示子设备第i次接收的时间戳，N表示时间戳对的个数。

当设备休眠时，通过休眠前最后N次的拟合结果，对设备本地时钟周期性的加上ΔT，对当前子设备的时钟频率偏差进行补偿，达到精确时钟同步的目的。

以下以几种具体的网络结构为例对网络中设备的时间同步处理过程作具体描述。

在星型网络中，只有一层父设备和一层子设备，父设备周期性的发送信标帧，各个子设备接收到父设备发送的信标帧后，利用接收发送时间戳计算时钟频率偏差和当前时间偏差，对本地时钟进行补偿，实现网络中所有子设备与父设备之间的时钟同步。

在树型层次结构网络中，每个设备都设置有惟一的标识号ID，整个网络内所有设备按照层次结构进行时间同步。首先将协调器赋予最高级别(第0级)，协调器的子设备设置为第1级，以此类推，第i级的设备至少能够与一个第(i-1)级的设备通信；第1级设备作为子设备接收其父设备协调器发送的信标帧，并同步到协调器，第i级的所有设备同步到第(i-1)级的设备，最终所有设备都同步到协调器，实现整个网络的时间同步。

以下对上述同步的过程进行具体描述。在协调器形成网络，其他设备加入网络后，协调器通过广播级别发现数据包启动层次发现阶段，级别发现数据包中包含设备的ID和级别(第0级)；协调器的子设备收到协调器发送的级别发现数据包后，将其设备级别设置为协调器的级别加1，即为第1级，第1级设备然后广播新的级别发现数据包，其中包含的设备级别为1；第i级设备收到第(i-1)级设备广播的级别发现数据包后，记录发送这个数据包的设备ID，将其设置为自己的父设备，并设置自己的级别为i；持续上述层次识别和级别设置过程，直到网络内的每个设备都赋予一个级别。设备一旦建立自己的级别，就忽略任何其他级别发现，以防止网络产生洪泛拥塞。层次结构建立以后，级别为0的协调器作为父设备，周期性的发送信标帧，级别为1的设备根据接收到的信标帧，全部建立与父设备协调器的同步，级别为1的设备同步到协调器后，向自己的下一级设备广播信标帧，级别为2的设备根据接收到的信标帧实现与级别为1的设备的同步。以此类推，级别为i的设备通过接收到的信标帧同步到级别为(i-1)的设备。

协调器周期性广播带有时间同步消息的信标帧，1级设备在收到协调器广播的信标帧后时间同步到协调器，同样，2级设备在收到1级设备的信标帧后同步到其父设备1级设备，这样，每个设备与其父设备进行时间同步，最终所有设备都时间同步到协调器。

为了更好地对本发明的优势进行描述，我们使用第三方测试平台对同步精度误差进行了实际的网络测量，如图4所示为本发明工业无线网络的时间同步方法长期运行检测的时间同步精度结果。第三方测试平台在网络完成时间同步后广播一个消息，然后收集网络中各个设备收到该消息的时间戳，测试时间为150min，每个设备收到消息的时间戳与协调器收到消息的时间戳进行比较，得到网络中设备的同步精度误差，整个网络时间同步精度误差控制在4.5μs以内，很好的实现了工业无线网络的精确时间同步。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种工业无线网络的精确时间同步方法，根据设备在网络中所处的位置，设置网络中各层设备的级别，并将上一级设备作为父设备，下一级设备作为其子设备，设置父设备的时钟为标准时钟，其特征在于，父设备的MAC层生成信标帧，父设备周期性发送信标帧，利用定界符SFD中断将发送时间戳加入信标帧一并发送，其子设备在接收信标帧过程中利用SFD中断记录接收时间戳，并解析信标帧获得发送时间戳，子设备得到一对发送接收时间戳；采用最小二乘法拟合最近N次的发送接收时间戳，得到本设备时钟与标准时钟的频率偏差和时间偏差，补偿本地时钟，实现子设备与其父设备的时钟同步；对网络中所有子设备执行上述与其父设备的时钟同步过程，直至所有的下一级设备都完成与协调器的时钟同步。

2.根据权利要求1所述的精确时间同步方法，其特征在于，父设备在发送信标帧的过程中，利用SFD中断将发送时间戳加入信标帧报文预留的时间戳位置一并发送。

3.根据权利要求1所述的精确时间同步方法，其特征在于，根据以下公式计算本设备时钟与标准时钟的频率偏差ΔT和时间偏差Δt：

Δt = \frac{(Σ {T_{i}}^{2}) (Σ t_{i}) - (Σ T_{i}) (Σ T_{i} t_{i})}{N (Σ {T_{i}}^{2}) - {(Σ T_{i})}^{2}}

ΔT = \frac{N (Σ T_{i} t_{i}) - (Σ T_{i}) (Σ t_{i})}{N (Σ {T_{i}}^{2}) - {(Σ T_{i})}^{2}}

4.根据权利要求1所述的精确时间同步方法，其特征在于，在节点设备休眠时依据休眠前最近N次的发送接收时间戳数据拟合的时钟频率偏差周期性的对本地时钟进行补偿。