CN102170694A - 网络设备的同步 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种网络设备的节能的同步，其中为了实现无线数据传输而应用基于时隙的同步通信协议和其中借助于附加接收器为每个网络设备接收同步数据，该附加接收器和发射-和/或接收单元相比具有较小的能量需求。为了提供用于同步的、节能并且同时稳定的解决方法而提出，对于每个同步信号应用至少两个比特，由此可以区分例如干涉的同步信号或者可以至少明显地减小易受干扰性。

Description

网络设备的同步
技术领域
本发明涉及一种用于使网络的网络设备同步的方法，其中为每个网络设备应用基于时隙的同步通信协议从而借助于发射-和/或接收单元来实现无线数据传输，其中利用至少一个同步器的至少一个同步信号发出同步数据和其中借助于附加接收器为每个网络设备接收同步数据，该附加接收器和发射-和/或接收单元相比具有较小的能量需求。
本发明还涉及一种根据权利要求14的前序部分所述的网络设备以及一种同步器，利用该同步器可以实施这种类型的方法。
背景技术
这样的方法特别应用在工业自动化技术的领域中。机器对机器的通信构成了受计算机支持的自动化系统的中心部分。无线通信系统相对于有线连接的系统在灵活性方面是特别有利的。该特性也在工业环境中越来越受欢迎，以便可以对发生变化的条件尽可能迅速并且成本低廉地作出反应。特别地，基础设施(电缆，基站，电网)的安装通常不是成本低廉的或完全不可能是成本低廉的。此外必须在安装之前对基础设施进行规划并且因此将通信系统的应用通常极端地限制在所规划的应用场景中。应用中的改变因此也通常要求(例如在空间布局的情况下/在生产线改变的情况下)基础设施的改变并且因此引起较高的成本。
在成本降低时特别的优化潜力由电池运行的无线多路封闭网(也称为传感器网)提供，其几乎不需要用于通信或供电的基础设施。除在现有的系统中实现节能之外，这种网络的应用也提供了用于开发新应用领域的潜力，由于过低的灵活性或者所需的基础设施利用至今的系统不能测量或完全不能覆盖这些应用领域。对此当然必须尽可能有利地购置一种网络元件(CAPEX，“CAPital Expenditure”)并且同时仅仅允许带来较低的运行-/维护成本(OPEX，“OPerational Expenditure”)。这可以在同时能量消耗尽可能小以及网络元件的硬件成本更低廉的情况下通过尽可能优化地应用无线资源来实现。
如果数据具有一定程度的可预言性(决定论)，则工业上的应用可以例如在调节过程中经常仅仅合理地处理数据。即使当延时关系的应用是可匹配的，较小的并且决定性的延时通常在自动化中显示出优点，这是因为反应时间和调节回路可以更好地进行优化。至今应用的有线连接的系统、例如过程现场总线系统和过程现场网络在此提供了特别的方法，以用于为数据传输确保尽可能高等级的决定论。
理想地，无线系统也应在传输时提供尽可能高等级的决定论。然而与有线连接的系统相反，传输通道在无线传输时明显更易受到干扰并且因此可能导致越来越多的传输问题。为了获得较高的或者甚至类似有线连接的系统的传输质量，因此必须足够稳定地构建无线系统来抵抗干扰影响。这特别适于工业环境，其通常具有比应用常规通讯明显更苛刻的传输条件。对于工业环境中的应用领域来说，对于无线系统的主要优化潜力在于，使传输尽可能决定性地并同时稳定地实现。
决定论的高等级可以借助于如同“时分多址Time Division MutipleAccess”(TDMA)那样的传输方法来实现，其中将通道划分成时隙(间隙)，其分别分配给一个节点对(发射器和接收器)。在此这样分配时隙，即在通信中不形成或形成尽可能少的冲突并且因此对于重复传输需要非常少的能量。特别地，在工作负载较高时，该特性越来越显示出正面的效果。此外可以通过少量的冲突来最佳地应用通道的容量。此外时间通过预定间隙将时间通知给节点(网络设备)，节点在该时间必须是工作的。在此可以执行非常有效的节能策略，其中在对于节点并不预定间隙时，节点变换到休眠模式中。因此在间隙期间仅仅节点对工作，为该节点对预定间隙。其它所有的节点可以在这段时间内休眠。
对于应用基于TDMA的媒介访问的前提条件是节点足够精确地彼此同步。仅仅当同步不超过事先计划的公差时，可以可控地排除间隙之间的干扰。通常适用的是，较高的同步精度引起较低的公差并且因此引起较低的能量消耗。
在基于TDMA的无线传感器网络同步的情况下可以区分两个原理。一个是带内同步，其中同步数据经过相同的通道发出，在该通道中也传输有效数据。这在当前的上下文中意味着，当有效数据和同步数据尽管在不同的通道(时间-间隙)上但也利用相同的收发器-单元进行传输时，应用相同的收发器-单元，在这里也涉及带内同步。
网络节点的协议层在应用网络节点时确保了，对用于(有效-)数据同步的管理包进行区分并且将该管理包导入节点中的正确的处理单元。通过发出和处理带内管理数据而产生额外的系统开销。因为应用相同的收发器单元，所以用来传输用于同步的比特的能量需求和传输数据比特的能量需求相等(或者也许不相等，然而始终还在相同的数量级中)。
现代的收发器在数据流的传输方面进行优化，并且通常需要高质量的调制以及对信号进行相对较完整的预处理和精整，以便获得实际适合的传输率和良好的稳定性。为此所需的硬件需要更多毫瓦数量级的功率。实际中通用的芯片(例如Texas Instruments的CC2420)例如具有大约60mW的功率消耗。如果利用电池运行的网络元件应实现非常高的使用寿命，则因此必须使工作时间(工作循环：时间，在该时间中激活收发器并且消耗了功率)这样地减少，即平均的功率消耗这样的少，从而对于给定的电池电容而言达到预期的使用寿命。在此形成了在功率消耗和比特数之间的直接关系，功率消耗和比特数可以替换：功率消耗越大，则能传输的比特越少。因此在实际中利用提到的芯片通常在每天仅仅发出少量的管理-或有效数据。
WirelessHART标准例如限定了带内同步。为了使系统开销最小化，将同步信息置入有效数据包中。在用于有效数据的非常大的周期中，当然必须有规律地产生用于同步的单独的包(“Keep Alive”)，以便补偿时钟的漂移。在为WirelessHART限定的硬件中，同步周期在0.5-1分钟的数量级内。如果应用具有较高漂移的一般可应用的硬件，则甚至需要明显更频繁的(再)同步。对于具有用于数据传输的非常大的周期的系统而言，由此实现了对于网络同步的相对较高的能量需求。
第二原理是带外同步，这如由RT-Link、基于TDMA的系统公开(A.Rowe，R.Mangharam und R.Rajkumar，“RT-Link：A time-synchronized linkprotocol for energy-constrained multi-hop wireless networks”，in“Sensor andAd Hoc Communications and Networks”，Third Annual IEEECommunications Society Conference on Sensor，Mesh and Ad HocCommunications and Networks，Vol.2，S.404-441，2006)。用于同步的节点(网络设备)对此具有附加的(低功率-)接收器，其可以接收同步脉冲。在接收脉冲时，通过识别码(Pin)通知主处理器。随后将节点的本地时钟初始化并且导入基于间隙的通信相位。对于成功分离间隙决定性的是，同步漂移可以通过相应的保护时间进行补偿直至最后的间隙。通常因此通过保护时间或漂移来限制可能的间隙的数量。
系统的可靠性决定性地通过将同步脉冲成功地传输至初始化的通信相位而确定。如果例如由于干涉而探测不到脉冲(其中特别在具有高干涉份额的工业环境中进行计算)，那么随后的帧结构并不被处理。即使当系统在没有脉冲的情况下可能处理帧结构时，循环也只能这么长，即系统在该时间点时还未同步。随着周期越来越长，这仅仅能非常困难地或完全不能确保。此外在非常长的周期中帧结构的失灵是越来越有问题的，这是因为不能继续传输被缓冲的数据并且因此产生了较长的延时，此时该数据仅仅可以发送到下一个帧结构中。如果成功地传输同步脉冲，则在RT-Link中也就仅仅可以运行帧结构。
因此对于带外同步而言，同步数据通过单独的通道传输。这在上下文中意味着，应用单独的收发器-单元或接收器-单元。同步数据的传输与数据传输并行地进行并且对于有效数据的可应用的通道容量并没有影响。用于传输同步比特的能量需求主要通过单独的收发器或接收器以及所属的处理硬件来确定。在将低功率接收器用于在节点中接收同步信息时，因此可以实现非常节能的同步和因此实现较长的使用寿命。这特别适于硬件组件成本低廉的情况。因为这样的接收器通常具有相对较高的时钟-漂移，因此接收器和数据周期相比需要明显更短的同步周期，并且因此将在应用带内同步时需要比用于数据传输更多的能量来用于同步。
在传感器网络中最初对于在异步网中节能的媒介访问而应用了经过单独的(带外)通道的信号装置。如果节点希望和其它节点交流，则该节点首先经过带外通道发出唤醒信号，该信号由其它节点中的相应的接收器(也称为唤醒接收器)接收。因此唤醒接收器产生唤醒脉冲并且该节点和主接收器一起进入准备接收状态。通过这种方式，主接收器的能量增强的空闲监听由唤醒接收器的节能的空闲监听来替代。
为了保持在低功率接收器中尽可能低的能量需求，通常应用仅仅具有少量工作的电子组件的非常简单的结构。由此可以在信号中对仅仅非常少的数据进行编码。对现在通常的实现方式而言，仅仅只提供一比特(状态：“0”和“1”)。这导致了，例如在异步网中一起唤醒全部节点。
现在在低功率接收器上工作，其能够实现多个比特或更高级的符号(多于两个状态)的传输。这在具有异步通信协议的网络中用于，在接收有效数据的网络中仅仅唤醒确定的节点，对此例如参见US 7209771B2。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种节能并且同时稳定的解决方法，用于使具有同步通信协议的网络同步。
该目的在开头所述的方法中由此实现，即对于每个同步信号应用至少两个比特。
该目的进一步通过具有权利要求14或权利要求19所给出的特征的一种网络设备和一种同步器来实现。
根据本发明的解决方法将低功率发射器-或接收器用于使具有基于时间间隙的同步通信协议的网络同步，该低功率发射器-或接收器可能传输多于仅仅一个比特(即一个脉冲)的数据。与所描述的现有技术不同地，数据因此并不用于支持异步通信协议、例如用于有目的地唤醒确定的通信伙伴，而是用于支持同步通信协议，由此使和至今已知用于带外同步的系统相比可以更加稳定地在其它干扰信号的环境中识别同步信息。
为此由网络设备(节点)所需的装置用于评估借助于附加接收器(低功率接收器)接收的同步数据，这些数据在实施根据本发明的方法时由同步器发出，该装置例如可以通过在主处理器中运行的评估程序来实现。这也允许进行更复杂的评估，而无需带内同步的较高的能量需求，这是因为处理器的能量需求在数量级方面小于经过主收发器的传输。通过根据本发明的解决方法，带内同步的优点(应用具有多于一个比特的同步数据)和带外同步(节能的信号传输)的优点彼此相结合。
因此可以以较大的优点将由多于一个比特组成的同步信号和干扰明确地区分开，从而不会错误地对于识别为同步信号(脉冲)的干扰进行同步，或不会由于干扰而不探测同步脉冲。因此根据本发明的方法与根据本发明的网络设备和同步器特别适合用于工业环境中，在该环境中经常需要计算较高的干扰份额。在同步中较高的稳定性是前提条件，以便使这样的系统在恶劣的环境中(如通常在工业自动化中)合理地运行。具有单一同步脉冲的带外同步，如在现有技术中公开的那样，在此将可能无法实现，这是因为干扰单一同步脉冲的可能性将过高并且此外其它的干扰信号可能使得系统进入不受限制的状态。根据本发明的解决方法解决了该问题或者至少明显地减小了易受干扰性。
在设计方案的一个有利的方式中将至少一个网络设备用作同步器，其中借助于附加发射器发出同步数据，该附加发射器和发射-和/或接收单元相比具有较小的能量需求。由于通过一个或多个网络设备(节点)承担了同步器的功能，因此在网络中不需要单独的同步器。
有利地，附加发射器和附加接收器在网络中一起集成在第二发射-和接收单元中。除了用于(有效)数据传输的主收发器之外，网络设备也包括用于发出和接收同步数据的附加的低功率收发器。
在另一个有利的实施方式中，至少一个同步器发出同步数据，根据该同步数据可以识别这个同步器。如果在网络中应用多个同步器，其发射范围至少部分地重合，那么这是特别合理的。这里可以出现，即网络设备从多于一个的同步器处接收同步数据，其中各个同步数据的同步源可以通过网络设备的评估装置来识别。
在另一个有利的实施方式中，一个同步器对应于至少一个网络设备，由网络设备根据同步器的同步数据识别该同步器，其中为了实现同步由网络设备仅仅应用对应的同步器的同步信号。同步数据因此这样设计，即节点可以对信号进行区分并且仅仅应用对于节点来说确定的同步信息，从而使至少确定的节点仅仅事先应用用于同步的确定的同步源。
在另一个有利的实施方式中，由中央同步器发出同步数据。在这个对于可校验的、其中全部节点位于中央同步器的发射范围中的网络是合理的设计方案中，因此也可以放弃用于识别同步源的附加同步数据。
在另一个有利的实施方式中，同步数据设计带有编码冗余。以这种方式可以实现，在传输错误较小时至少可以修复同步信号，由此进一步提高了同步的稳定性。
在另一个有利的实施方式中，通信协议支持以帧结构为基础的通信。因此特别可以应用在自动化技术中广泛应用的协议。尽可能标准一致的WirelessHART系统是可以实现的，其中带内同步由低功率带外同步来代替。将存在的系统、例如WirelessHART进行扩展能够实现一种产物，其提供(例如用于数据通信的)一定程度的标准兼容性并且在发展和生产中尽可能一致，然而在确定的应用领域中(例如在监控应用中数据量较小时)可以明显地提高系统的应用寿命。
在另一个有利的实施方式中，通信协议支持不同帧结构大小的并行的应用。该可能性例如也在尽可能标准兼容的WirelessHART中给出，其支持具有不同帧结构大小的时序安排。
在另一个有利的实施方式中，需要应用的帧结构在数据传输时利用同步数据来控制。因此例如可能实现例如由WirelessHART支持的接通和断开，并且可以避免经过主收发器的管理-系统开销。
在另一个有利的实施方式中，用于确定帧结构开始的通信协议控制间隙数，利用间隙数可以和帧结构大小一起确定帧结构中的实际间隙。该特征也在WirelessHART中给出，其中间隙数相应于“绝对间隙数AbsoluteSlot Number(ASN)”。
在另一个有利的实施方式中，利用同步数据发出信息，根据该信息可以产生间隙数。在最简单的情况下对此传输间隙数的(至少)一部分(例如ASN的以下的比特)。
在另一个有利的实施方式中，在至少一个网络设备中产生间隙数和其中间隙数在间隙数-计数器中一起计数。以这种方式节点可以接收或产生间隙数并且例如使ASN-计数器在节点中一起运行，该ASN-计数器对于工作的间隙产生用于主收发器的相应的唤醒信号。
在另一个有利的实施方式中，比基于计算出的、用于补偿同步漂移的保护时间所需要的更频繁地发出同步数据。通过频繁地发出形成冗余，然而数据允许精确地生成同步信号，由此还进一步提高根据本发明的方法的稳定性。如果节点例如执行ASN的内部计数，则当成功地接收了同步数据时，一直调整该计数。节点可以通过数据中的ASN简单地确定绝对的间隙位置。
在设计方案的一个特别有利的方式中，在根据本发明的网络设备中，用于进行评估的装置至少部分地设计为和主处理器相比具有较小能量需求的评估硬件。这例如可以通过节能的基于硬件的逻辑电路由简单的寄存器和比较运算来实现。因此在简单地编码时至少大部分的评估可以扩展到节能的硬件中，而更复杂的评估由主处理器来进行。通过至少部分地执行简单的评估硬件来实现进一步的能量优化。
在应用根据本发明的(单独的)同步器时，如果该同步器例如具有供电装置，则其并不一定需要具有低功率发射器。严格地说这自然也适于网络设备，即使当并未分配网络中的一些节点时，根据本发明的方法的目的当然也特别地在于能量优化地并且因此稳定地进行同步。
在设计方案的一个有利的方式中，同步器也具有用于接收同步数据的接收器。由此同步数据例如可以由另一同步器接收并且在一定程度上为了增大有效距离而传输(发出)。
在另一个有利的实施方式中，发射器和接收器一起集成在发射-和接收单元中。
在另一个有利的实施方式中，同步器具有用于在应用基于时隙的同步通信协议的情况下进行无线数据传输的附加发射-和/或接收单元。由此该同步器也可以发出自有的有效数据或者传输节点的有效数据。
在将本发明作为尽可能标准一致的WirelessHART系统来实现的情况下，在一定程度上获得具有稳定的带外同步的、基于WirelessHART的超低功率的系统。如果将特别的节能的评估逻辑电路用于网络设备，则也可能涉及外部超低功率WirelessHART系统。在所有情况下，同步方法的稳定性可以通过具有例如时间上的冗余或编码冗余的特殊的设计方案来进一步提高。
概括地说，本发明涉及一种网络设备的节能的同步，其中为了实现无线数据传输而应用基于时隙的同步通信协议和其中借助于附加接收器为每个网络设备接收同步数据，该附加接收器具有和发射-和/或接收单元相比较小的能量需求。为了提供用于同步的、节能并且同时稳定的解决方法而提出，对于每个同步信号应用至少两个比特，由此可以区分例如干涉的同步信号或者可以至少明显地减小易受干扰性。

Claims (22)

1.一种用于使网络的网络设备同步的方法，其中为每个所述网络设备应用基于时隙的同步通信协议从而借助于发射-和/或接收单元来实现无线数据传输，其中利用至少一个同步器的至少一个同步信号发出同步数据和其中借助于附加接收器为每个所述网络设备接收所述同步数据，所述附加接收器和所述发射和/或接收单元相比具有较小的能量需求，其特征在于，对于每个所述同步信号应用至少两个比特。
2.根据权利要求1所述的方法，其中至少一个网络设备用作所述同步器，其中借助于附加发射器发出所述同步数据，所述附加发射器和所述发射-和/或接收单元相比具有较小的能量需求。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中至少一个同步器发出所述同步数据，根据所述同步数据可以识别所述同步器。
4.根据权利要求3所述的方法，其中一个同步器对应于至少一个网络设备，由所述网络设备根据所述同步器的同步数据识别所述同步器，其中为了实现同步由所述网络设备仅仅应用对应的所述同步器的所述同步信号。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中由中央同步器发出所述同步数据。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述同步数据设计带有编码冗余。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述通信协议支持以帧结构为基础的通信。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述通信协议支持不同帧结构大小的并行的应用。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中需要应用的帧结构在所述数据传输时利用所述同步数据来控制。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其中用于确定帧结构开始的所述通信协议控制间隙数，利用所述间隙数可以和所述帧结构大小一起确定帧结构中的实际间隙。
11.根据权利要求10所述的方法，其中利用所述同步数据发出信息，根据所述信息可以产生所述间隙数。
12.根据权利要求11所述的方法，其中在至少一个网络设备中产生所述间隙数和其中所述间隙数在间隙数-计数器中一起计数。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中比基于计算出的、用于补偿同步漂移的保护时间所需要的更频繁地发出所述同步数据。
14.一种网络设备，具有：至少一个主处理器；一个本地时钟，一个用于在应用基于时隙的同步通信协议的情况下进行无线数据传输的发射-和/或接收单元以及一个和所述发射-和/或接收单元相比具有较小的能量需求的附加接收器，其特征在于用于对借助于所述附加接收器接收的同步数据进行评估的装置，在实施根据权利要求1至13中任一项所述的方法时发出所述同步数据。
15.根据权利要求14所述的网络设备，具有附加发射器，所述附加发射器和所述发射-和/或接收单元相比具有较小的能量需求，以用于发出所述同步数据。
16.根据权利要求15所述的网络设备，其中所述附加发射器和所述附加接收器一起集成在第二发射-和接收单元中。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的网络设备，其中用于进行评估的所述装置具有间隙数-计数器。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的网络设备，其中用于进行评估的所述装置至少部分地设计为和所述主处理器相比具有较小能量需求的评估硬件。
19.一种具有至少一个用于发出同步数据的发射器的同步器，在实施根据权利要求1至13中任一项所述的方法时发出所述同步数据。
20.根据权利要求19所述的同步器，具有用于接收所述同步数据的接收器。
21.根据权利要求20所述的同步器，其中所述发射器和所述接收器一起集成在发射-和接收单元中。
22.根据权利要求19至21中任一项所述的同步器，具有用于在应用基于时隙的同步通信协议的情况下进行无线数据传输的附加发射-和/或接收单元。
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