CN102098205B - 一种宽带电力线节点的时钟同步方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带电力线节点的时钟同步方法及系统，该方法包括：将主时钟设置为电力线网络中的管理节点，需要实现时钟同步的普通节点根据所述管理节点发送的通知消息识别出主时钟后，作为从时钟向所述管理节点申请固定传输机会；管理节点将同步消息包含在周期广播的传输机会分配消息中，并将为普通节点分配的固定传输机会包含在最近一次传输机会分配消息中，发送给各普通节点；普通节点收到所述同步消息时，在分配的所述固定传输机会上发送延迟测量请求消息。本发明减少了IEEE1588消息发送时间戳与到达电力线网络的实际时间的间隔，提高了IEEE1588时钟同步精度。

Description

一种宽带电力线节点的时钟同步方法及系统
技术领域
本发明涉及电力线通信技术，尤其涉及一种BPL(Broadband over PowerLine，宽带电力线)节点的时钟同步方法及系统。
背景技术
电力线通信技术已经发展了几十年，在技术发展的各个阶段，在电力系统中已经得到了不同的应用。在高压输电网(35kV以上)、中压输电网(10kV-35kV)以及低压(10kV以下)的各个领域，数据传输的速率不断提高，而宽带电力线通信(BPL)技术能够提供更高速的电力线宽带服务。基于电力线传输的室内基站就是BPL技术的一种应用，它借助一块辅助的BPL卡，通过电力线与远程服务器通信，这里的BPL卡完成电力线调制解调功能，因此称其为BPL基站。
室内基站与GPS(Global Positioning System，全球定位系统)的时钟同步性能是非常关键的一个性能指标，但由于各种原因室内基站很有可能不能直接接收GPS时钟，这种情况下，可用的替代方案是采用IEEE(Institute ofElectrical and Electronics Engineers，美国电气和电子工程师协会)1588(网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准)同步方式获取时钟同步信息。
BPL网络中包括管理节点和普通节点(节点可以是BPL基站等)，并且所有节点发送BPL帧都需要在管理节点分配给自己的时间段内进行，这个时间段称为传输机会。管理节点通过周期地发送传输机会分配消息标明各个节点的传输机会。
当电力线网络中某个节点接收不到GPS，而需要与GPS同步时，可以利用IEEE1588的同步方式，也就是该节点与网络中另外一个可以接收到GPS的节点进行1588同步，在这种情况下，该节点称为从时钟(Slave)，而它与之进行1588同步的节点称为是主时钟(Master)。从时钟与主时钟同步的过程为：主时钟周期地发通知(Announce)消息，同步(Sync)消息和跟进(FollowUp)消息，其中，Announce消息，Sync消息和FollowUp消息统称为IEEE1588消息。并且，主时钟在发送Sync消息时打时间戳，并将此时间戳放到跟进消息中，收到通知消息的从时钟，就将发送此消息的节点作为自己的主时钟，并且开始接收来自该主时钟的Sync消息，收到Sync消息后打时间戳记录接收时间，并发送延迟测量请求消息(Delay-Req)同时打时间戳记录发送时间，主时钟收到延迟测量请求消息后，将接收时间放到延迟测量响应消息(Delay-Resp)中发给从时钟。这样，一个同步消息交互过程就完成了，从时钟利用得到的这些时间进行本地时钟校准，达到与主时钟同步。时间戳的准确度会影响同步性能，而这里时间戳准确性在BPL网络中恶化的是发送时间戳，因为发送需要等待传输机会，而这个等待时间在每次的传输中可能变化很大，而从消息离开时打时间戳到该消息被接收经历的时间段都算作了网络延迟，而网络延迟本身的变化是影响1588同步的最主要的因素，所以间接地，时间戳的准确性在很大程度上影响了1588同步性能。
目前，基于BPL的IEEE1588同步功能实现有两种可选的方式：1.与IEEE1588同步相关的功能在BPL卡内完成；2.与IEEE1588同步相关的功能在基站内完成。
上述两种方案存在以下局限性：
前者的局限在于节点的同步必须搭配有IEEE1588功能的BPL卡，对外围设备的依赖性太强，业内目前没有使用这种方案；
后者的同步降低了对外围设备的依赖性，但由于每个IEEE1588消息离开以太网MAC(Media Access Control，介质访问控制)层到达BPL模块时，都需要有等待某个管理设备分配的传输机会，而这个传输机会是不确定的，因而IEEE1588消息离开以太网MAC层到IEEE1588消息真正发送到电力线网络中的时间抖动很大，而IEEE1588消息的时间戳是在离开以太网MAC层时打的，因此这个时间戳与IEEE1588消息进入电力线网络中的时间相差较大，这个时间戳理想地应该是进入网络时的时间，依次这种方案的时间戳准确度很低。正如前面所述，时间戳的准确性影响时钟同步的性能。
图2示出了IEEE1588消息的实现分层。IEEE1588消息在节点的IEEE1588协议栈PTP(Precision Time Protocol，精密时间协议)以及UDP(User Datagram Protocol，用户数据包协议)，IP协议栈，以及以太网MAC层，在以太网MAC层最后组成以太网MAC帧，在离开以太网MAC层时打一个时间戳，经过以太网PHY(Physical Layer，物理层)层传到BPL卡组成电力线帧，并进行相应的调制后送到电力线网络中。而接收端BPL卡再将收到的帧解析出的以太网MAC帧送到以太网MAC层，最后到IEEE1588层(即PTP层)。
如图3所示，一个传输周期包括传输机会分配时间段和传输其他业务数据时间段。电力线传输时，管理节点周期发送传输机会分配消息(在传输机会分配消息时间段)，此消息中包含下一个周期内的传输机会分配指示信息。而在该传输周期内，传输机会分配消息发送后的一段时间内(即传输其他业务数据时间段)是各普通节点按照传输机会分配指示进行数据发送的时间。如果某个普通节点要向管理节点发送IEEE1588消息，则该消息需要在BPLMAC层进行排队，等到管理节点分配给自己传输机会后才能发送，这时距离该消息离开以太网MAC层的时刻可能已经很长时间了，而该等待传输机会的时间是导致为该消息打的发送时间戳离进入电力线网络的时间相差较大的主要原因。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供宽带电力线节点的时钟同步方法及系统，可以提高时间戳准确度，进一步提高IEEE1588时钟同步精度。
为了解决上述问题，本发明提供了一种宽带电力线节点的时钟同步方法，所述方法包括：
将主时钟设置为电力线网络中的管理节点，需要实现时钟同步的普通节点根据所述管理节点发送的通知消息识别出主时钟后，作为从时钟向所述管理节点申请固定传输机会；
管理节点将同步消息包含在周期广播的传输机会分配消息中，并将为普通节点分配的固定传输机会包含在最近一次传输机会分配消息中，发送给各普通节点；
普通节点收到所述同步消息时，在分配的所述固定传输机会上发送延迟测量请求消息。
进一步地，所述管理节点发送所述同步消息的周期为发送所述传输机会分配消息的传输周期的整数倍。
进一步地，所述管理节点还将跟进消息包含在所述传输机会分配消息中进行周期发送，其中，每个周期内的跟进消息中携带上一个发送周期内的同步消息的发送时间。
进一步地，所述管理节点发送的所述通知消息是包含在所述传输机会分配消息中进行周期发送，且发送所述通知消息的周期大于发送所述同步消息的周期。
进一步地，所述管理节点收到普通节点发送的所述申请固定传输机会的请求消息后，保存所述普通节点的记录，在以后的每个传输周期内都为其分配一个传输机会；
其中，所述管理节点在每个传输周期分配的传输机会为传输周期内的相同或不同时间点，且该传输机会所在的时间点与所述传输机会分配消息时间段之间具有一最小时间间隔。
进一步地，所述管理节点记录接收到所述普通节点发送的延迟测量请求消息的接收时间，将所述接收时间包含在延迟测量响应中，并通过传输机会分配消息发送给所述普通节点。
本发明还提供了一种宽带电力线节点的时钟同步系统，包括：作为主时钟的管理节点，和需要实现时钟同步的普通节点，其中：
所述管理节点用于，周期发送通知消息，并将同步消息包含在周期广播的传输机会分配消息中进行发送；以及，在接收到普通节点申请固定传输机会的请求消息后，将为该普通节点分配的固定传输机会包含在最近一次传输机会分配消息中，发送给各普通节点；
所述普通节点用于，根据所述管理节点发送的通知消息识别出主时钟后，作为从时钟向所述管理节点申请固定传输机会；并在收到所述同步消息时，在分配的所述固定传输机会上发送延迟测量请求消息。
进一步地，所述管理节点还用于，将跟进消息包含在所述传输机会分配消息中进行周期发送，其中，每个周期内的跟进消息中携带上一个发送周期内的同步消息的发送时间。
进一步地，所述管理节点用于，将所述通知消息包含在所述传输机会分配消息中进行周期发送，且发送所述通知消息的周期大于发送所述同步消息的周期。
进一步地，所述管理节点还用于，记录接收到所述普通节点发送的延迟测量请求消息的接收时间，将所述接收时间包含在延迟测量响应中，并通过传输机会分配消息发送给所述普通节点。
附图说明
图1为电力线网络中的两个设备之间通过IEEE1588协议进行消息交互的示意图；
图2为IEEE1588消息实现分层的示意图；
图3为现有技术的IEEE1588消息的发送方式；
图4为本发明实施例的管理节点处在不发通知消息的周期内发送IEEE1588 Sync消息的方式；
图5为本发明实施例的管理节点处在发通知消息的周期内发送IEEE1588 Sync消息的方式；
图6为本发明实施例中普通节点处发送Delay-Req消息的方式；
图7为本发明实施例中IEEE1588消息交互流程示意图。
具体实施方式
本发明的基本思想是，将IEEE1588消息包含在周期广播的传输机会分配消息中进行传输，以减少调度该消息的等待时间，减少IEEE1588消息实际发送时间与到达以太网PHY层的时间间隔，从而使IEEE1588消息发送时间戳与到达电力线网络的实际时间更加接近，进一步提高IEEE1588时钟同步精度。
基于上述思想，本发明采用以下技术方案：
将主时钟(Master)设置为电力线网络中的管理节点，需要实现IEEE1588时钟同步的普通节点根据管理节点发送的通知消息识别出主时钟后，作为从时钟向主时钟申请固定传输机会；
管理节点将Sync消息包含在周期广播的传输机会分配消息中，并将为普通节点分配的固定传输机会包含在最近一次传输机会分配消息中，发送给各普通节点；
普通节点收到所述Sync消息时，在分配的所述固定传输机会上发送延迟测量请求(Delay-Req)消息。
其同步过程具体可分为如下步骤：
步骤一，将提供时钟分发功能的主时钟(Master)设置为电力线网络中的管理节点，并设置发送传输机会分配消息的周期；
步骤二，管理节点周期性地发送Sync消息，通知消息及跟进消息；
其中，Sync消息与跟进消息是一一对应的，发送Sync后的下一个周期内发送跟进消息，并在跟进消息中放Sync的发送时间，跟进消息和Sync消息均与传输机会分配消息同时发送。Sync消息和跟进消息的周期相同，为步骤一中的传输机会分配消息的周期的整数倍。而通知消息的周期则比Sync消息大很多，可设置为Sync消息周期的整数倍，例如，Sync消息每秒32个，通知消息可以是每秒2个。
步骤三，从时钟节点收到通知消息后，选择发送该通知消息的节点为自己的主时钟；
步骤四，从时钟选择主时钟后，向主时钟暨管理节点申请恒定传输机会，也即在每一个传输周期内均有传输机会；
步骤五，管理节点暨主时钟收到该消息时，保存该从时钟的记录；
步骤六，主时钟仍在每个周期内的传输机会分配消息中发送Sync消息和跟进消息，并在以后的每个周期都为其分配一个传输机会，也即在每个传输机会分配消息中指定本周期内的某个传输机会给该从时钟；
该传输机会分配消息中包含节点与为节点分配的用于发送数据的传输机会的对应关系，其中，所述的节点除IEEE1588节点以外，还包括其他非IEEE1588节点的普通节点。
此外，每个传输周期内的跟进消息是与上一个周期内的Sync消息对应，也就是该跟进消息中携带的是上一个周期内的Sync消息的发送时间。
步骤七，同时，主时钟隔几个周期仍会发送一个通知消息，以保证新加入网络中的普通节点能够识别出主时钟；
步骤八，从时钟选择主时钟后，开始接收主时钟发的Sync消息，跟进消息，并在收到Sync消息后，在指定的恒定传输机会内发送延迟测量请求消息；
步骤九，主时钟在收到延迟测量请求消息后，记录接收时间，并将该时间包含在延迟测量响应消息中，发送给从时钟；
延迟测量响应消息可以在有传输机会时发送，不需要固定的传输机会，因为其中携带的时间是接收时间，即使这个消息经历了等待时间，接收时间也不会变化。
步骤十，从时钟收到延迟测量响应消息，至此，就完成了一轮同步消息交互过程。
此后，主时钟将根据发送的Sync消息数与接收到的延迟测量请求消息数的比例，判断从时钟是否已经断链，如果断链，则取消对该从时钟每个周期内的固定传输机会；否则，重复步骤六至十。
需要说明的是，当一个从时钟加入网络时，会收到主时钟周期下发的通知消息，进而确定主时钟，并向其申请固定传输机会，此时主时钟会增加该从时钟的记录，并在每个周期内分配给从时钟传输机会。
下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细阐述。
本发明实施例中，如图4和图5所示，当一个网络中要实现IEEE1588时钟同步时，管理节点Master在周期发送传输机会分配消息的同时，将IEEE1588 Sync消息发出去，由于传输周期与IEEE1588同步消息的周期相同，使得IEEE1588 Sync消息在离开以太网MAC层时打完时间戳后，经过PHY层进入BPL MAC时没有等待，直接发到电力线网络中，提高IEEE1588Sync消息时间戳的准确度。
本实施例中，跟进消息和Sync消息均与传输机会分配消息同时发送。图4示出了管理节点处在不发通知消息的周期内发送IEEE1588 Sync消息的方式，此时，传输机会分配消息中携带有Sync消息，跟进消息。此外，如图4所示，一个传输周期内还包括为从时钟分配的Slave1和Slave2等固定传输机会。该固定传输机会放在传输其他业务时间段的后面或中间均可。
此外，管理节点每隔几个周期还将发送通知消息，例如，每发送16个Sync消息发一个通知消息。图5示出了管理节点处在发通知消息的周期内发送IEEE1588 Sync消息的方式，此时，传输机会分配消息中携带有Sync消息，跟进消息，通知消息。
图6示出了本发明实施例的IEEE1588节点发送Delay-Req(延迟测量请求)消息的方式。当一个普通节点要实现IEEE1588时钟同步功能时，将向管理节点申请固定时间传输机会，这样，管理节点每次为该节点分配固定传输机会，如果该节点有其他非IEEE1588数据传输时，用其他传输机会，并且这里的固定传输时间与传输机会分配消息时间的间隔应该适当地大，保证此时该节点已经收到Sync消息，但须小于同步消息发送周期，从而使得该节点的IEEE1588延迟请求消息的不会因为排队而导致时间戳不准确。
下面以管理节点和一个要求时钟同步的普通节点之间的IEEE1588消息交互过程为例，对本发明技术方案的实施作进一步详细说明。
如图7所示，本发明实施例的时钟同步方法包括以下步骤：
步骤1，设置管理节点为IEEE1588主时钟，并设置主时钟发送Sync消息的周期；
本实施例中，作为主时钟的管理节点配置发送同步消息的间隔为发送传输分配消息周期的整数倍。
步骤2，需要实现同步功能的从时钟向作为主时钟的管理节点申请固定传输机会；
步骤3，管理节点每N个传输周期(N为正整数)组Sync消息，将此Sync消息包含在传输机会分配消息中，发送到电力线网络中，其中传输机会分配消息中包含为该从时钟分配的固定传输机会；
该过程具体包括：管理节点的以太网IEEE1588层将此消息逐层封装为以太网MAC帧，在接近以太网PHY时，打时间戳，并将Sync消息MAC帧发到BPL汇聚层将此消息对应到连接，并在BPL MAC层将Sync消息的以太网MAC帧和下一BPL传输周期内的传输机会时间分配消息封装成BPL帧，发到BPL PHY，经过编码调制发到电力线网络中。
结合图4和图5，在为该从时钟分配的固定传输机会时，还需考虑为从时钟预留出收到Sync消息到发Delay-Req消息的准备时间，因此，需要保证传输机会分配消息的发送时间与分配的传输机会所在的时间点(slave1 1588时间)之间具有一定的间隔，最小时间间隔可以是1，或2毫秒等。
步骤4，从时钟收到Sync消息后，组Delay-Req消息，并在分配的固定传输机会上发送；
该过程具体包括：从时钟的BPL PHY将收到的Sync消息解调解码，去掉BPL头，送到以太网PHY时打时间戳并送到以太网MAC层，IP，UDP分层解包送到IEEE1588层，在IEEE1588层完成对消息的处理，并组延迟测量请求消息，送到UDP，IP，以太网MAC，即将达到以太网PHY时，打时间戳，并将封装成以太网MAC帧的延迟测量请求消息经BPL汇聚层到BPLMAC，在MAC层将消息映射到步骤3中分配的传输机会上，经过BPL PHY调制编码发到电力线网络中；
步骤5，管理节点收到延迟测量请求消息后，在传输机会分配消息中携带延迟测量响应(Delay-Resp)，发给从时钟；
步骤6，重复执行上述步骤3到步骤5。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种宽带电力线节点的时钟同步方法，其特征在于，所述方法包括：
将主时钟设置为电力线网络中的管理节点，需要实现时钟同步的普通节点根据所述管理节点发送的通知消息识别出主时钟后，作为从时钟向所述管理节点申请固定传输机会；
所述管理节点收到普通节点发送的所述申请固定传输机会的请求消息后，保存所述普通节点的记录，在以后的每个传输周期内都为其分配一个传输机会；
管理节点将同步消息包含在周期广播的传输机会分配消息中，并将为普通节点分配的固定传输机会包含在最近一次传输机会分配消息中，发送给各普通节点；
普通节点收到所述同步消息时，在分配的所述固定传输机会上发送延迟测量请求消息；所述管理节点记录接收到所述普通节点发送的延迟测量请求消息的接收时间，将所述接收时间包含在延迟测量响应中，并通过传输机会分配消息发送给所述普通节点。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述管理节点发送所述同步消息的周期为发送所述传输机会分配消息的传输周期的整数倍。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
所述管理节点还将跟进消息包含在所述传输机会分配消息中进行周期发送，其中，每个周期内的跟进消息中携带上一个发送周期内的同步消息的发送时间。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述管理节点发送的所述通知消息是包含在所述传输机会分配消息中进行周期发送，且发送所述通知消息的周期大于发送所述同步消息的周期。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述管理节点在每个传输周期分配的传输机会为传输周期内的相同或不同时间点，且该传输机会所在的时间点与所述传输机会分配消息的发送时间之间具有一间隔。
6.一种宽带电力线节点的时钟同步系统，其特征在于，包括：作为主时钟的管理节点，和需要实现时钟同步的普通节点，其中：
所述管理节点用于，周期发送通知消息，并将同步消息包含在周期广播的传输机会分配消息中进行发送；以及，在接收到普通节点申请固定传输机会的请求消息后，将为该普通节点分配的固定传输机会包含在最近一次传输机会分配消息中，发送给各普通节点；以及还用于记录接收到所述普通节点发送的延迟测量请求消息的接收时间，将所述接收时间包含在延迟测量响应中，并通过传输机会分配消息发送给所述普通节点；
所述普通节点用于，根据所述管理节点发送的通知消息识别出主时钟后，作为从时钟向所述管理节点申请固定传输机会；并在收到所述同步消息时，在分配的所述固定传输机会上发送延迟测量请求消息。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，
所述管理节点还用于，将跟进消息包含在所述传输机会分配消息中进行周期发送，其中，每个周期内的跟进消息中携带上一个发送周期内的同步消息的发送时间。
8.如权利要求6或7所述的系统，其特征在于，
所述管理节点用于，将所述通知消息包含在所述传输机会分配消息中进行周期发送，且发送所述通知消息的周期大于发送所述同步消息的周期。
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