CN103178918A - 基于tdma的工厂自动化无线网络时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业无线网络技术，具体地说是一种基于TDMA的工厂自动化无线网络时间同步方法。基于IEEE 802.11标准和TDMA机制，采用硬件打时戳的方法，通过统计收发双方的时戳值，消除了协议栈的处理延迟、物理层接口到无线媒介接口(天线)的延迟以及信息在空气中传播的延迟带来的时间偏差，实现了工厂自动化无线网络高精度的时间同步。本发明在不产生额外开销的前提下，最大限度地提高基于IEEE 802.11单跳网络的工厂自动化无线网络的时间同步精度，满足工厂自动化网络对于传输速率、可靠性、实时性以及网络规模的苛刻要求，达到高同步精度、高效率、低开销以及易于实现等目标。

Description

基于TDMA的工厂自动化无线网络时间同步方法

技术领域

本发明涉及工业无线网络技术，具体地说是一种基于TDMA的工厂自动化无线网络时间同步方法。

背景技术

工业无线网络技术是继现场总线之后，工业控制领域的又一个热点技术，是降低工业测控系统成本，提高工业测控系统应用范围的革命性技术，也是未来几年工业自动化产品新的增长点。工业无线网络技术面向设备间短程、低速率信息交互，适合在恶劣的工业现场环境使用，具有很强的抗干扰能力、超低能耗、实时通信等技术特征，是对现有无线技术在工业应用方向上的功能扩展和技术创新，并最终转化为新的无线技术标准。目前，工业无线网络技术应用于高速的工厂自动化领域，成为继面向过程自动化的工业无线网络技术之后，国际上无线网络技术竞争的又一焦点。相对于传统的有线总线技术，工厂自动化无线网络不仅具有低成本、易安装、易维护的优势，而且能够避免设备因移动导致的线缆易老化、线缆污染、滑环电力接触易失败等问题。然而，工厂自动化对无线通信系统有着更苛刻的要求：(1)高可靠性，丢包率低于10^-9；(2)高通信速率，传输速率在Mbit/s的量级；(3)高实时性，要求延迟低于10ms；(4)大网络规模，要求支持百点至千点的节点数量。

对应于工厂自动化无线网络的上述要求，IEEE 802.11标准族因其物理层具有高速的特点以及单跳网络具有高实时性的特点，成为工厂自动化无线网络物理层的首选。同时，TDMA机制因其确定性的资源分配以及有效避免冲突的特点，可以实现较高的可靠性和实时性，因此成为工厂自动化无线网络介质访问控制层的首选。然而，选择高速的物理层以及基于TDMA的介质访问控制层，需要网络运行过程中精准的时间同步。同时，工厂自动化中的PLC循环周期通常为2-50ms，常见为20ms，为此一般要求超帧周期小于20ms，进而要求微秒级的时隙长度。节点中的时钟由内部硬件决定，受制作工艺、外界环境等因素的影响，每个节点维护的时间有所差别，当网络运行一段时间后，节点间就会产生一定的时间偏差，即存在时间漂移。因此，定期地为节点间进行时间同步就尤为重要，较高的时间同步精度保证了时隙对齐，是工厂自动化无线网络获得高可靠性与实时性的关键。

现有基于IEEE 802.11标准的单跳网络的同步方法的原理为：接入点(AccessPoint，AP)向网络中的各个节点广播带有时间戳信息的信标(Beacon)帧；节点根据获取的AP的时戳信息校准自身的时钟，达到全网的同步。然而，这类方法只是利用经验值补偿时钟的偏差，没有计算时戳数据传输过程中的多种延迟，具体包括协议栈的处理延迟、物理层接口到无线媒介接口(天线)的延迟以及信息在空气中传播的延迟。这类方法的同步精度尚有很大的提升空间。IEEE 1588提出的PTP(Precision Time Protocol)精确时间同步方法，通过灵活设置主时钟和从属时钟以及收发两次时间同步信息来抵消各类延迟，从而可以获得较高的同步精度。但PTP面向有线以太网，无法直接应用于基于IEEE 802.11标准的WLAN中。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提出一种基于IEEE 802.11标准以及TDMA机制的工厂自动化无线网络高精度时间同步方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于TDMA的工厂自动化无线网络时间同步方法，包括以下步骤：

将工厂自动化无线网络组建成基于IEEE 802.11单跳BSS结构的星型网络；

将AP内部的时钟设为主时钟，各节点(现场节点或者手持节点)通过标识符ID进行标识，其内部的时钟设为从时钟；AP在每个超帧周期开始的第一个时隙广播带有硬件时戳的Beacon帧；

带有硬件时戳的Beacon帧尾部有硬件时戳值，其值记为Tm1；节点收到AP广播的Beacon帧后，记录收到Beacon时的TSF值，其值记为Ts1；

各个节点在TDMA机制中预先分配的时隙内，依次向AP发送延迟请求Beacon帧；

AP记录各个节点的延迟请求Beacon帧到达AP时的TSF值，其值记为Tm2，并记录各个延迟请求Beacon帧中载有的Ts2和节点ID；

AP将各个节点对应的ID以及时间值Tm2和Ts2通过延迟响应数据帧进行捎带，并利用TDMA机制预先分配的广播时隙广播给各个节点；

各个节点收到AP的延迟响应数据帧后，抽取对应ID的时间值Tm2和Ts2；

计算主时钟和从时钟之间的延迟

$\mathrm{Delay}=\frac{(\mathrm{Ts}1-\mathrm{Tm}1)+(\mathrm{Tm}2-\mathrm{Ts}2)}{2}---\left(3\right)$

主时钟和从时钟之间的时钟偏移

$\mathrm{Offset}=\frac{(\mathrm{Tm}2-\mathrm{Ts}2)-(\mathrm{Ts}1-\mathrm{Tm}1)}{2}---\left(4\right)$

如果Tm1+Delay＞Ts1，则节点将本地的TSF值调整为(TSF+Offset)；如果Tm1+Delay＜Ts1，节点将本地的TSF值调整为(TSF-Offset)；如果Tm1+Delay＝Ts1，则不作调整。

所述各节点为现场节点和/或手持节点。

所述带有硬件时戳的Beacon帧的子域包括帧控制、序列号、源地址、载荷和硬件时戳值，其中，帧控制、序列号、源地址子域和载荷的长度和内容与IEEE802.11标准中Beacon帧的格式对应，硬件时戳值位于原有IEEE 802.11Beacon帧的尾部，为7个比特，其值记为Tm1。

所述延迟请求Beacon帧的格式与AP广播给各个节点的Beacon帧的格式相同。

所述延迟响应数据帧包括帧控制、序列号、源地址、数据长度和载荷，所述载荷捎带节点的ID号和时间值。

本发明提出的时间同步方法，是在充分考虑工厂自动化无线应用特点的前提下提出的，采用IEEE 1588PTP精确时间同步方法的思想，利用TDMA机制消除时间同步中节点数据交互的不确定因素，在不产生额外开销的前提下，最大限度地提高基于IEEE 802.11单跳网络的工厂自动化无线网络的时间同步精度，满足工厂自动化网络对于传输速率、可靠性、实时性以及网络规模的苛刻要求，达到高同步精度、高效率、低开销以及易于实现等目标。具体表现在：

1.本发明方法面向IEEE 802.11单跳BSS结构的星型网络，一方面降低了维护和管理的难度，提高了系统的灵活性，另一方面，满足了网络实时和高速的要求；

2.本发明方法在IEEE 1588PTP精确时间同步方法的基础上，结合TDMA机制，设计了基于TDMA的工厂自动化无线网络时间同步方法，一方面充分利用了IEEE 802.11高速、实时优势，保护了已有投资，另一方面通过扩展满足了基于TDMA的工厂自动化无线网络高精度时间同步的要求；

3.本发明方法设计了Beacon帧打硬件时戳的方法以及数据帧捎带节点时间值的方法，降低了协议开销，提高了网络的有效吞吐量。

附图说明

图1为本发明中基于IEEE 802.11单跳网络的工厂自动化无线网络拓扑；

图2为本发明中基于TDMA的时间同步方法流程；

图3为本发明中带有硬件时戳的Beacon帧的格式；

图4为本发明中捎带时间数据的延迟响应数据帧的格式；

图5为本发明中超帧结构的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明方法包括以下步骤：将工厂自动化无线网络组建成基于IEEE 802.11单跳BSS结构的星型网络；实现基于TDMA机制的工厂自动化无线网络的时间同步。

如图1所示，本发明基于IEEE 802.11单跳BSS结构的工厂自动化无线网络为星型结构。工厂自动化无线网络中的节点包括：接入点AP、冗余AP、现场节点和(或)手持节点。其中，现场节点和(或)手持节点负责采集工厂自动化相关的各类参数；接入点AP负责将现场节点和(或)手持节点采集到的数据，通过分布式网络转发到主控计算机；接收点AP由于故障、电量耗尽等原因而无法正常工作时，由冗余AP代替其运行。

网络中的所有节点都要维护一个本地定时器，称为TSF(TimingSynchronization Function)的定时器。本发明中，TSF定时器的时钟脉冲设为1us。AP是整个网络的同步源，其TSF将作为全网的基准时钟。为了达到较高的时间同步精度，本发明采用基于硬件时戳的方案。目前市场上的IEEE 802.11芯片普遍支持采用硬件方式为Beacon帧自动打上时戳信息。为了补偿时戳数据传输过程中的协议栈处理延迟、物理层接口到无线媒介接口(天线)的延迟以及信息在空气中传播的延迟，本发明基于IEEE 1588中PTP精确时间同步方法的思想，实现工厂自动化无线网络的时间同步：信标帧的发送端将打上硬件时戳的Beacon帧广播给接收端；接收端的硬件自动保存接收到Beacon帧时的TSF值，供后续时钟校准使用。

所述实现基于TDMA机制的工厂自动化无线网络的时间同步，通过以下描述的算法实现，如图2所示。

(1)将AP内部的时钟设为主时钟，各节点(现场节点或者手持节点)通过标识符ID进行标识，其内部的时钟设为从时钟。AP在每个超帧周期开始的第一个时隙广播带有硬件时戳的Beacon帧。带有硬件时戳的Beacon帧的格式见图3，包括帧控制、序列号、源地址、载荷和硬件时戳值。其中，帧控制、序列号、源地址子域和载荷的长度和内容参见IEEE 802.11标准中Beacon帧的格式；本发明在原有IEEE 802.11Beacon帧的尾部增加了7个比特的硬件时戳值，其值记为Tm1。节点收到AP广播的Beacon帧后，记录收到Beacon时的TSF值，其值记为Ts1。

(2)各个节点在TDMA机制中预先分配的时隙内，依次向AP发送一个称为“延迟请求Beacon帧”的Beacon帧。延迟请求Beacon帧的格式与AP广播给各个节点的Beacon帧的格式相同。

(3)AP记录各个节点的延迟请求Beacon帧到达AP时的TSF值，其值记为Tm2，并记录各个延迟请求Beacon帧中载有的Ts2和节点ID。

(4)AP将各个节点对应的ID以及时间值Tm2和Ts2通过一个称为“延迟响应数据帧”的帧进行捎带，并利用TDMA机制预先分配的广播时隙广播给各个节点。捎带时间数据的延迟响应数据帧的格式见图4。

(5)各个节点收到AP的延迟响应数据帧后，抽取对应ID的时间值Tm2和Ts2。此时，各个节点内部记录了四个时间值，分别为Tm1、Tm2、Ts1和Ts2。

(6)根据Tm1、Tm2、Ts1和Ts2值，计算主时钟到从时钟的延迟Ddown、从时钟到主时钟的延迟Dup、主时钟和从时钟之间的时钟偏移Offset，计算方法如式(1)和式(2)：

Ddown＝Ts1-Tm1+Offset    (1)

Dup＝Tm2-Ts2-Offset    (2)

假设链路对称，则Ddown＝Dup，记为Delay。通过计算公式(1)和(2)，可以得到Delay和Offset的值，分别如公式(3)和(4)。

$\mathrm{Delay}=\frac{(\mathrm{Ts}1-\mathrm{Tm}1)+(\mathrm{Tm}2-\mathrm{Ts}2)}{2}---\left(3\right)$

$\mathrm{Offset}=\frac{(\mathrm{Tm}2-\mathrm{Ts}2)-(\mathrm{Ts}1-\mathrm{Tm}1)}{2}---\left(4\right)$

(7)节点根据Ts1值以及计算得到的Offset值调整本地TSF定时器的值。如果Tm1+Delay＞Ts1，则节点将本地的TSF值调整为(TSF+Offset)；如果Tm1+Delay＜Ts1，节点将本地的TSF值调整为(TSF-Offset)；如果Tm1+Delay＝Ts1，则不作调整。

所述TDMA机制预先分配的用于Beacon帧、延迟请求Beacon帧以及延迟响应数据帧发送和接收时隙见图5，其中，时隙的长度相等，一定数量的时隙组成一个超帧，超帧周期性循环。

Claims (5)

1.一种基于TDMA的工厂自动化无线网络时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

将工厂自动化无线网络组建成基于IEEE 802.11单跳BSS结构的星型网络；

将AP内部的时钟设为主时钟，各节点(现场节点或者手持节点)通过标识符ID进行标识，其内部的时钟设为从时钟；AP在每个超帧周期开始的第一个时隙广播带有硬件时戳的Beacon帧；

带有硬件时戳的Beacon帧尾部有硬件时戳值，其值记为Tm1；节点收到AP广播的Beacon帧后，记录收到Beacon时的TSF值，其值记为Ts1；

各个节点在TDMA机制中预先分配的时隙内，依次向AP发送延迟请求Beacon帧；

AP记录各个节点的延迟请求Beacon帧到达AP时的TSF值，其值记为Tm2，并记录各个延迟请求Beacon帧中载有的Ts2和节点ID；

AP将各个节点对应的ID以及时间值Tm2和Ts2通过延迟响应数据帧进行捎带，并利用TDMA机制预先分配的广播时隙广播给各个节点；

各个节点收到AP的延迟响应数据帧后，抽取对应ID的时间值Tm2和Ts2；

计算主时钟和从时钟之间的延迟

$\mathrm{Delay}=\frac{(\mathrm{Ts}1-\mathrm{Tm}1)+(\mathrm{Tm}2-\mathrm{Ts}2)}{2}---\left(3\right)$

主时钟和从时钟之间的时钟偏移

$\mathrm{Offset}=\frac{(\mathrm{Tm}2-\mathrm{Ts}2)-(\mathrm{Ts}1-\mathrm{Tm}1)}{2}---\left(4\right)$

如果Tm1+Delay＞Ts1，则节点将本地的TSF值调整为(TSF+Offset)；如果Tm1+Delay＜Ts1，节点将本地的TSF值调整为(TSF-Offset)；如果Tm1+Delay＝Ts1，则不作调整。

2.根据权利要求1所述的基于TDMA的工厂自动化无线网络时间同步方法，其特征在于，所述各节点为现场节点和/或手持节点。

3.根据权利要求1所述的基于TDMA的工厂自动化无线网络时间同步方法，其特征在于，所述带有硬件时戳的Beacon帧的子域包括帧控制、序列号、源地址、载荷和硬件时戳值，其中，帧控制、序列号、源地址子域和载荷的长度和内容与IEEE 802.11标准中Beacon帧的格式对应，硬件时戳值位于原有IEEE802.11Beacon帧的尾部，为7个比特，其值记为Tm1。

4.根据权利要求1所述的基于TDMA的工厂自动化无线网络时间同步方法，其特征在于，所述延迟请求Beacon帧的格式与AP广播给各个节点的Beacon帧的格式相同。

5.根据权利要求1所述的基于TDMA的工厂自动化无线网络时间同步方法，其特征在于，所述延迟响应数据帧包括帧控制、序列号、源地址、数据长度和载荷，所述载荷捎带节点的ID号和时间值。

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