CN101426284A - 具有连续时钟同步功能的ieee802.11无线局域网接入点和移动站 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线接入设备，特别涉及一种具有连续时钟同步功能的IEEE802.11无线局域网接入点和移动站。它包括一个ARM S3C2410微处理器连接一个10/100M以太网模块、一个IEEE802.11 WLAN模块和一个FPGA时钟同步模块。在实现IEEE802.11协议所具有的基本无线接入功能的同时，具有使AP和STA时钟保持连续同步的功能，并为外部同步设备提供连续同步的参考时钟。本发明提供具有容错能力的精密时钟，解决了WLAN中TDM和工业控制信令等实时信号的时钟同步问题，用于实现TDM over WLAN和无线工业控制等对实时性要求较高的无线应用。

Description

具有连续时钟同步功能的IEEE802.11无线局域网接入点和移动站
技术领域
本发明涉及无线接入设备，特别涉及一种具有连续时钟同步功能的IEEE802.11无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)接入点(Access Point，AP)和移动站(Station，STA)，在实现IEEE802.11协议所具有的基本无线接入功能的同时，具有使AP和STA时钟保持连续同步的功能，并为外部同步设备提供连续同步的参考时钟。本发明提供具有容错能力的精密时钟，解决了WLAN中TDM和工业控制信令等实时信号的传输问题，用于实现TDMover WLAN和无线工业控制等对实时性要求较高的无线应用。
背景技术
IEEE802.11 WLAN以其技术成熟、价格低廉已成为使用最广泛的WLAN标准。在自动控制领域，基于WLAN的无线工业控制网络通信体系正在形成。由于工业控制对实时性和可靠性的要求较高，WLAN自有的TSF同步算法不能满足建立在其上的应用层业务的定时需求。
基础结构式WLAN的拓扑结构如图1所示，接入点(Access Point，AP)是基本服务集(Base Service Set，BSS)内执行定时同步功能(Timing Synchronization Function，TSF)的定时主时钟。AP将定期发送称为信标(beacon)的特殊帧，它含有一个该AP的TSF定时器拷贝，用于该AP与同一BSS中其他移动站(STA)的同步。STA的TSF定时器将无条件置为信标帧中的时戳值。
IEEE802.11 WLAN所具有的TSF同步算法是一种偏移量补偿的方法。STA在收到AP的信标帧时，将无条件地置为信标帧中的时戳值。随后，STA时钟按照自己的晶体振荡器的频率计时。受AP与STA中各自晶体振荡器频率误差的影响，AP与STA的计时时钟将会产生偏离。偏移量补偿算法在STA的时钟同步点处将引入不连续的计时跳变，如果STA的晶体振荡器的频率比AP的频率快，则STA发生重复计时的现象，反之，STA发生漏计的现象。计时的重复与遗漏对依赖于STA时钟的精确同步控制与同步传输业务是不利的，因此有必要实现STA的连续时钟同步。
与偏移量补偿算法相比，本发明具有同步精度高、抗信标延迟和丢失能力强、同步精度不受STA的晶体振荡器的频率漂移影响等优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有连续时钟同步功能的IEEE802.11无线局域网接入点和移动站，在实现IEEE802.11协议所具有的基本无线接入功能的同时，具有使AP和STA的时钟保持连续同步的功能，并向外部同步设备提供连续同步的参考时钟。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种具有连续时钟同步功能的IEEE802.11 WLAN接入点或移动站，包括一个ARMS3C2410微处理器模块，其特征在于所述ARM S3C2410微处理模块连接一个10/100M以太网模块、一个IEEE802.11 WLAN模块和一个FPGA时钟同步模块；所述的ARM S3C2410微处理器模块是一个Samsung S3C2410微处理器连接一个SDRAM和一个FLASH存储器，所述的10/100M以太网模块是一个以太网MAC交换芯片经一个网络隔离变压器连接一个RJ4510/100BASE-T以太网接口，所述的IEEE802.11 WLAN模块是一个IEEE802.11 MAC交换单元经一个基带处理单元和一个A/D转换单元连接一个AL2230 IEEE802.11b/g射频单元，所述的FPGA时钟同步模块4由Altera EP2C8芯片组成。
当系统作为AP使用时，FPGA时钟同步模块不起作用。数据在10/100M以太网模块、ARM S3C2410微处理器模块和IEEE802.11 WLAN模块之间传输，ARM S3C2410微处理器模块处理以太网与WLAN之间的协议转换并实现AP管理功能。
当系统作为STA使用时，STA通过Wi-Fi接口从临近的BSS AP中接收信号。当IEEE802.11WLAN模块收到信标帧后，ARM S3C2410微处理器模块将信标时戳送到FPGA时钟同步模块。FPGA时钟同步模块根据读取的时戳和时钟值计算出STA时钟新的计时速率传回IEEE802.11 WLAN模块。然后，IEEE802.11 WLAN模块调整计时速率逐步实现与AP的时钟同步。
上述10/100M以太网模块采用Davicom DM9000A以太网MAC/PHY芯片和HanRunHR601680网络隔离变压器芯片组成10/100M以太网接口。
上述IEEE802.11 WLAN模块采用六合万通公司的WT6104CLVG万通四号无线局域网芯片和AIROHA AL2230 IEEE802.11b/g射频芯片实现Wi-Fi接口
上述FPGA时钟同步模块采用Altera的EP2C8T144 FPGA芯片实现连续时钟同步算法。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1、集AP和STA的功能于一体，功能全面。2、利用FPGA实现同步算法，同步精度高，提高实时性。3、FPGA现场可编程，便于升级同步算法。4、时钟连续变化，没有重复计时和漏计的现象。5、抗信标延迟和丢失能力强，有效消除网络载荷变化和信道噪声造成的影响。6、同步精度不受时钟漂移影响，最大限度地减小STA时钟晶振频率不稳定对同步精度造成的影响。7、通过设定校时门限，在取得定时精度的同时有效控制时钟同步的定时开销。
附图说明
图1是基础结构式WLAN拓扑结构图。
图2是AP/STA系统总体框图。
图3是10/100M以太网模块框图。
图4是IEEE802.11 WLAN模块框图。
图5是FPGA时钟同步模块原理框图。
具体实施方式
本发明的一个优选实施例结合附图详述如下：
参见图2，本具有连续时钟同步功能的IEEE802.11无线局域网接入点和移动站包括一个ARM S3C2410微处理器模块1，其特征在于所述ARM S3C2410微处理模块连接一个10/100M以太网模块2、一个IEEE802.11 WLAN模块3和一个FPGA时钟同步模块4；所述的ARMS3C2410微处理器模块1是一个Samsung S3C2410微处理器连接一个SDRAM 5和一个FLASH存储器6；所述的10/100M以太网模块2是一个以太网MAC交换芯片7经一个网络隔离变压器8连接一个RJ45 10/100BASE-T以太网接口9；所述的IEEE802.11 WLAN模块3是一个IEEE802.11 MAC交换单元10经一个基带处理单元11、一个A/D转换单元12和一个RF接口单元13连接一个AL2230 IEEE802.11b/g射频单元14；所述的FPGA时钟同步模块4由FPGA芯片组成。
作为AP时，系统完成以太网和WLAN协议转换和管理功能。AP作为定时主时钟向BSS内的STA广播信标帧。信标帧是AP发向STA的MAC管理类型帧，它包含2个字节的信标间隔域和8个字节的时戳域。时戳域来自该AP的TSF定时器拷贝。AP会根据系统设定的信标间隔周期性地发送信标帧，这是由IEEE802.11 WLAN模块3内的MAC交换单元自动完成的。以太网交换机与10/100M以太网模块2之间传输的是采用IEEE802.3x标准的以太网帧串行信号。经过10/100M以太网模块2去掉以太网MAC帧头，将串行的以太网帧转换成二进制的并行信号，然后通过ARM S3C2410微处理器模块1的Local Bus总线读取到ARM内存的某个Buffer。随后，ARM S3C2410微处理器模块1将内存Buffer中的信息写到IEEE802.11WLAN模块3的发送Buffer，经过IEEE802.11 WLAN模块3添加WLAN MAC帧头等相关控制信息后变成串行的WLAN帧，通过Wi-Fi接口发送出去。
作为STA时，系统完成时钟同步功能。IEEE802.11 WLAN模块3从Wi-Fi接口自动接收WLAN射频信号，并将WLAN MAC帧串行信号转换为二进制并行信号，然后以中断的方式通知ARM S3C2410微处理器模块1读取。如果收到的是信标帧，ARM S3C2410微处理器模块1就从IEEE802.11 WLAN模块3接收到的信标帧时戳域内读取出时戳信息，送到FPGA时钟同步模块4计算出STA时钟新的计时速率，然后原路送回IEEE802.11 WLAN模块3调整STA时钟计时速率实现AP/STA的时钟同步。
10/100M以太网模块2内部原理如图3。DM9000A通过通用处理器接口与ARM S3C2410微处理器模块1的Local Bus总线相连。DM9000A内部集成了以太网MAC交换单元、物理层收发单元和内部SRAM。MAC交换单元将ARM S3C2410微处理器模块1来的并行信号转换成串行信号并添加以太网MAC帧头，通过媒质无关接口MII送到物理层收发单元。物理层收发单元根据链路状态决定采用10M或者100M物理层接口发送到以太网接口。物理层收发单元集成10BASE-T和100BASE-T物理层接口，完全兼容IEEE802.3u标准，其自协商功能将最大限度地发挥MAC交换功能。从DM9000A物理层收发单元输出的是差分信号。HanRun HR601680网络隔离变压器8可起到抑制共模干扰、隔离线路以及阻抗匹配等作用。差分信号经过HR601680网络隔离变压器8处理之后就可以传输到RJ45 10/100BASE-T单元9发送到以太网交换机。
IEEE802.11 WLAN模块3的框图如图4所示。它采用六合万通公司WT6104CLVG WLAN网络芯片和AIROHA AL2230 IEEE802.11b/g RF芯片。WT6104CLVG是单片集成的WLAN芯片，包括MAC交换单元10、基带处理单元11、A/D转换单元12和RF接口单元13。WLANMAC帧经基带处理单元11调制、A/D转换单元12进行数模转换之后经RF接口13通过AL2230RF芯片14发送到Wi-Fi接口。WT6104CLVG通过并行接口与ARM S3C2410微处理器模块1的Local Bus总线相连，这样ARM可以以读写内存的方式直接操作WT6104CLVG内部的寄存器和SRAM，简化了访问过程，提高了可靠性，降低了成本。
FPGA时钟同步模块4内部原理框图如图5。时戳读取和时钟抽样单元15从IEEE802.11WLAN模块3收到的信标帧的时戳域读取AP的时戳值，同时从STA时钟中抽样收到信标时刻的时钟值。之后，FPGA时钟同步模块4将读取的时戳值和时钟值分成两路，一路送到时戳和时钟保存单元16用于保存样本并据此计算信标时戳的斜率，另一路送到时钟速率计算单元17。时钟速率计算单元17会根据时戳读取和时钟抽样单元15和时钟保存单元16的输出结果计算出STA软件时钟新的计时速率。最后，校时单元18将计算出的计时速率写回IEEE802.11 WLAN模块3内的时钟速率寄存器，调整STA时钟速率，逐步实现STA与AP的时钟同步。校时单元18经时钟输出单元19将连续同步时钟输出，供需要时钟同步的设备使用。利用FPGA实现时钟同步算法具有计算延时小，算法修改灵活的特点，同时减轻了ARMS3C2410微处理器模块1的处理负担。
本实施例的具有连续时钟同步功能的接入点和移动站可以实现基础结构式WLAN BSS内AP与STA的时钟同步。用于无线工业控制时，工业控制信令可以通过WLAN进行实时交换。采用调度算法通过合理设计无线工业网络应用层协议可以让实时性要求较高的应用获取更小的实时响应时间。用于TDM over WLAN时，54Mbps的无线网络速率允许我们采用“透传”的方式把TDM信号当成串行的二进制码流直接对其进行WLAN MAC协议编码，“透明地”传输到接收端。在接收端，只要去掉MAC帧头就可以恢复原来的TDM信号。
这里通过参考具体的实施例对本发明进行了详细描述，但这仅仅是应用举例，应该清楚本领域的普通技术人员在不脱离本发明的范围和实质的情况下可做出各种修改和变化。

Claims (4)

1.一种具有连续时钟同步功能的IEEE802.11无线局域网接入点和移动站，包括一个ARMS3C2410微处理器模块(1)，其特征在于所述ARM S3C2410微处理模块连接一个10/100M以太网模块(2)、一个IEEE802.11WLAN模块(3)和一个FPGA时钟同步模块(4)；所述的ARM S3C2410微处理器模块(1)是一个Samsung S3C2410微处理器连接一个SDRAM(5)和一个FLASH存储器(6)；所述的10/100M以太网模块(2)是一个以太网MAC交换芯片(7)经一个网络隔离变压器(8)连接一个RJ45 10/100BASE-T以太网接口(9)；所述的IEEE802.11 WLAN模块(3)是一个IEEE802.11 MAC交换单元(10)经一个基带处理单元(11)、一个A/D转换单元(12)和一个RF接口单元(13)连接一个AL2230 IEEE802.11b/g射频单元(14)；所述的FPGA时钟同步模块(4)由FPGA芯片组成；当系统作为AP使用时，FPGA时钟同步模块(4)不起作用，信号从10/100M以太网模块(2)经ARM S3C2410微处理器模块(1)传输到IEEE802.11 WLAN模块(3)，进行以太网与WLAN之间的协议转换，实现AP的协议转换和管理功能；当系统作为STA使用时，STA通过Wi-Fi接口从临近的BSS AP中接收信号。当IEEE802.11 WLAN模块(3)收到信标帧后经ARM S3C2410微处理器模块(1)将信标时戳送到FPGA时钟同步模块(4)；FPGA时钟同步模块(4)根据读取的时戳和时钟值计算出STA时钟新的计时速率传回IEEE802.11 WLAN模块(3)并输出到外部同步设备；然后，IEEE802.11 WLAN模块(3)调整计时速率逐步实现与AP的时钟同步。
2.根据权利要求1所述的具有连续时钟同步功能的IEEE802.11无线局域网接入点和移动站，其特征在于所述的10/100M以太网模块(2)采用DM9000A MAC/PHY芯片实现10/100M的以太网接口。
3.根据权利要求1所述的具有连续时钟同步功能的IEEE802.11无线局域网接入点和移动站，其特征在于所述的IEEE802.11 WLAN模块(3)采用TWT6104CLVG WLAN网络芯片和AIROHAAL2230 IEEE802.11b/g RF芯片实现IEEE802.11b/g协议功能。
4.根据权利要求1所述的具有连续时钟同步功能的IEEE802.11无线局域网接入点和移动站，特征在于所述的FPGA时钟同步模块(4)采用Altera EP2C8T144 FPGA实现连续时钟同步算法。
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