CN103457685B - 基于预测补偿的工业无线网络高精度时间同步方法 - 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预测补偿的工业无线网络高精度时间同步方法。本发明将面向工厂自动化的工业无线网络组建为基于IEEE 802.11单跳基本服务集BSS结构的星型网络；按照工业无线网络中的节点的类型和功能，设置主时钟和从时钟；主时钟端和从时钟端之间通过双向时间戳信息交互，计算当前同步周期的时间偏差值；利用当前同步周期的时间偏差值预测下一个同步周期的时间偏差值；利用预测得到的下一个同步周期的时间偏差值补偿时钟漂移，校准时钟。本发明是在充分考虑工厂自动化应用需求的前提下提出的，能够利用较少的无线通信资源实现较高的时间同步精度，达到高精度、高效、低开销且易于实现的目的。

Description

基于预测补偿的工业无线网络高精度时间同步方法

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预测补偿的工业无线网络高精度时间同步方法。

背景技术

工业无线网络技术是继现场总线之后，工业测控领域的又一个热点技术，是降低工业测控系统成本、提高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。工业无线网络技术适用于恶劣的工业现场环境，具有抗干扰能力强、能耗低、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，工业无线网络技术逐渐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。面向工厂自动化的工业无线网络不仅具有工业无线网络低成本、易安装、易维护的优势，而且能够避免工厂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，面向工厂自动化的工业无线网络面临着更加苛刻的需求：（1）大网络规模，要求支持百点至千点的节点数量；（2）高通信速率，传输速率要求Mbit/s的量级；（3）高可靠性，端到端的传输成功率要求99.99%；（4）高实时性，端到端的通信延迟要求低于10ms。

目前面向工厂自动化的工业无线网络的研究刚刚起步。其中，高速率的IEEE802.11物理层满足高通信速率的要求，而成为工厂自动化无线网络物理层的首选。同时，采用TDMA确定性资源分配机制可以有效避免冲突，实现较高的可靠性和实时性，从而成为工厂自动化无线网络介质访问控制层（MAC，MediumAccess Control layer）的首选。此外，为了进一步保证实时性，工厂自动化无线网络往往采用星型拓扑结构。实现这些技术面临的一个重要挑战是精准的时间同步。在工厂自动化应用中，PLC循环周期通常为2-50ms，常见为20ms，为此一般要求TDMA机制下的超帧周期小于20ms。考虑到网络规模百点至千点的要求，超帧中的时隙长度需要达到微秒级。然而，较小的时隙内通信要求较高的时间同步精度以保证时隙对齐，这是实现高可靠性和高实时性的关键。

现有典型的时间同步方法，如传感器网络时间同步协议（TPSN，Timing-synProtocol for Sensor Networks）和精准时间协议（PTP，Precision Time Protocol），利用双向交互的时戳信息获取时间偏差，调整本地时钟。这类算法消除了时戳值在传递过程中的延迟，但忽略了时钟漂移对于时间同步精度的影响。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，即存在时钟漂移。时钟漂移是晶振固有的特性。当网络规模较大时，时钟漂移将引入较大的时间同步误差。此外，如果同步失败，则节点之间的时间偏差无法校准，严重影响节点之间的实时、可靠通信。

发明内容

针对现有时间同步方法未考虑时钟漂移或者同步失败带来的时间同步误差较大的问题，本发明提出一种基于预测补偿的工业无线网络高精度时间同步方法，面向IEEE 802.11星型网络和TDMA资源分配机制，通过双向交互的时间戳信息预测下一个同步周期的时间偏差，节点根据预测的时间偏差值逐步校准自身时钟，避免了由于同步失败导致的时间偏差太大的问题，进一步降低了时间同步误差。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于预测补偿的工业无线网络高精度时间同步方法，包括以下步骤：

将面向工厂自动化的工业无线网络组建为基于IEEE 802.11单跳基本服务集BSS结构的星型网络；

按照工业无线网络中的节点的类型和功能，设置主时钟和从时钟；

主时钟端和从时钟端之间通过双向时间戳信息交互，计算当前同步周期的时间偏差值；

利用当前同步周期的时间偏差值预测下一个同步周期的时间偏差值；

利用预测得到的下一个同步周期的时间偏差值补偿时钟漂移，校准时钟。

所述工业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/或手持节点负责采工业无线网络中的现场数据；接入点AP负责将现场节点和/或手持节点采集到的数据转发到主控计算机；冗余AP在接入点AP无法正常工作时代替其运行。

所述主时钟为AP的TSF；所述从时钟为网络中其他节点的内部时钟。

所述主时钟端和从时钟端之间通过双向时间戳信息交互，计算当前同步周期的时间偏差值，包括以下步骤：

（1）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，现场节点/手持节点收到AP广播的Beacon帧后，记录收到该Beacon帧时的TSF值Ts1，Beacon帧中携带AP广播该Beacon帧的TSF值Tm1；

所述Beacon帧格式按顺序包括帧控制、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符合IEEE 802.11标准中Beacon帧的格式，硬件时戳值为7个比特；

（2）现场节点/手持节点在预先分配的TDMA时隙内，依次向AP发送一个延迟请求Beacon帧；所述延迟请求Beacon帧的格式与AP广播给现场节点/手持节点的Beacon帧的格式相同；

（3）AP记录现场节点/手持节点的延迟请求Beacon帧到达AP时的TSF值Tm2，延迟请求Beacon帧中携带现场节点/手持节点发送该延迟请求BEACON帧的TSF值Ts2和节点ID；

（4）AP将现场节点/手持节点对应的节点ID以及时间值Tm2和Ts2通过延迟响应数据帧进行捎带，并利用预先分配的TDMA广播时隙广播给现场节点/手持节点；

所述延迟响应数据帧的格式按顺序包括帧控制、序列号、源地址、数据长度和荷载，其中，荷载包括节点ID以及时间值Tm2和Ts2；

（5）现场节点/手持节点收到AP的延迟响应数据帧后，抽取对应节点ID的时间值Tm2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，即当前同步周期的时间偏差值Offset：

Ddown=Ts1-Tm1+Offset    （1）

Dup=Tm2-Ts2-Offset      （2）

链路对称的情况下，Ddown=Dup，记为Delay；通过计算公式（1）和（2），可以得到Delay和Offset的值：

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

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

（7）现场节点/手持节点根据Ts1以及计算得到的Offset值调整本地TSF定时器的值：

如果Tm1+Delay>Ts1，则现场节点/手持节点将本地的TSF值调整为TSF+Offset；

如果Tm1+Delay<Ts1，则现场节点/手持节点将本地的TSF值调整为TSF-Offset；

如果Tm1+Delay＝Ts1，则不作调整。

所述利用当前同步周期的时间偏差值预测下一个同步周期的时间偏差值，包括以下步骤：

（1）时间偏差预测值初始化：取前N个时间同步周期计算得到的N个Offset值的平均值作为预测的初始值Offset₀，并令Y₀=Offset₀；

（2）时钟偏差预测过程：利用加权移动平均方法计算下一个同步周期的时钟偏差值Y_t+1：

Y_t+1=α_t×Offset_t+(1-α_t)×Y_t(0≤α≤1 t≥2)    （5）

其中，Y_t+1表示第t+1个同步周期的时间偏差预测值，Y_t为第t个同步周期的预测值，Offset_t为第t个同步周期得到的时钟偏差值Offset；α_t∈[0,1]表示第t个同步周期的权重因子，其值初始化为0和1之间的随机数；

（3）预测误差计算：给定权重因子α_t，计算预测误差：

$E\left({\mathrm{\&alpha;}}_t\right)=\frac{1}{t-1}\underset{i=2}{\overset{t}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(Y_i-{\mathrm{Offset}}_i)}^2---\left(6\right)$

其中，E(α_t)表示第t个同步周期中对应于α_t的预测误差；

定义权重因子和

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&alpha;}}_t^U={\mathrm{\&alpha;}}_t+d\\ {\mathrm{\&alpha;}}_t^L={\mathrm{\&alpha;}}_t-d\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中，d∈[0,1]，d表示α_t的调整量，取0.01；

按照公式（7）分别计算α_t、以及对应下的预测误差E(α_t)、以及并比较E(α_t)、以及的大小，比较结果：

$E\left({\mathrm{\&alpha;}}_t\right)\&le;\left\{\begin{array}{c}E\left({\mathrm{\&alpha;}}_t^L\right)\\ E\left({\mathrm{\&alpha;}}_t^{\text{U}}\right)\end{array}\right.---\left(8\right)$

$E\left({\mathrm{\&alpha;}}_t^L\right)\&le;\left\{\begin{array}{c}E\left({\mathrm{\&alpha;}}_t\right)\\ E\left({\mathrm{\&alpha;}}_t^{\text{U}}\right)\end{array}\right.---\left(9\right)$

$E\left({\mathrm{\&alpha;}}_t^U\right)\&le;\left\{\begin{array}{c}E\left({\mathrm{\&alpha;}}_t\right)\\ E\left({\mathrm{\&alpha;}}_t^{\text{L}}\right)\end{array}\right.---\left(10\right)$

如果E(α_t)、以及之间的关系满足公式（8），则第（t+1）个同步周期的权重α_t+1=α_t；如果满足公式（9），则如果满足公式（10），则 ${\mathrm{\&alpha;}}_{t+1}={\mathrm{\&alpha;}}_t^U.$

所述利用预测得到的下一个同步周期的时间偏差值补偿时钟漂移，校准时钟，包括以下步骤：

（1）现场节点/手持节点计算第（t+1）个同步周期的时钟漂移量f(t+1)：

f(t+1)=f(t)+Y_t+1    （11）

（2）现场节点/手持节点设置本地定时器的步进单位为1，假设每个同步周期的持续时间为T，则在tT至（t+1）T时间内，现场节点/手持节点每隔固定的时间，线性平滑补偿一次本地定时器，补偿量以及补偿规则包括：

如果Tm1+Delay>Ts1，则每隔本地调整后的TSF值增加一个时间单位；

如果Tm1+Delay<Ts1，则每隔本地调整后的TSF值减少一个时间单位；

如果Tm1+Delay＝Ts1，则不做调整。

本发明提出的基于预测补偿的工业无线网络高精度时间同步方法，是在充分考虑工厂自动化应用需求的前提下提出的，能够利用较少的无线通信资源实现较高的时间同步精度，达到高精度、高效、低开销且易于实现的目的。具体表现在：

1.本发明方法面向基于IEEE 802.11单跳结构的星型网络，一方面降低了维护和管理的难度，提高了系统的可靠性，另一方面，满足了网络实时和高速率的要求；

2.本发明方法采用加权移动平均方法对时钟历史偏差数据赋予不同权重值，并根据时钟历史偏差数据的记录时间动态调整其权重值，在快速测量时钟偏移率变化的同时，可以实时跟踪时钟的偏差变化，并精确预测时钟偏差值；

3.本发明方法利用预测的时间偏差值在本地线性平滑补偿各节点的时钟漂移，使各节点的时钟漂移最终趋于零，一方面极大地提高了站点时钟的稳定性；另一方面时间同步精度较高；

4.本发明方法开销较低，体现在：时间偏差预测以及补偿方法在本地执行，不需要额外的网络通信资源；仅需要维护时间偏差值和时间偏差预测值两个变量，存储开销较小；此外，交互的时间偏差值通过数据帧进行捎带，降低了控制报文的开销。

附图说明

图1为本发明中工厂自动化无线网络拓扑图；

图2为本发明中时钟偏差测量过程示意图；

图3为本发明中带有硬件时戳的Beacon帧的格式示意图；

图4为本发明中捎带时间数据的延迟响应数据帧的格式示意图。

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为基于IEEE 802.11单跳基本服务集（BSS，BasicService Set）结构的星型网络；

按照网络中节点的类型和功能，设置主时钟和从时钟；

主时钟端和从时钟端之间通过双向时间戳信息交互，计算时间偏差值；

利用当前同步周期的时间偏差值预测下一个同步周期的时间偏差值；

利用预测得到的下一个同步周期的时间偏差值补偿时钟漂移，校准时钟。

本发明中的工厂自动化无线网络采用基于IEEE 802.11单跳BSS结构的星型网络结构，如图1所示。网络中的节点包括：接入点（AP，Access Point）、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无线网络中的现场数据；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）定时器。本发明中，TSF定时器的时钟脉冲设为1。AP是整个网络的同步源，其TSF将作为全网的基准时钟，即主时钟。网络中其他节点的内部时钟设为从时钟。

主时钟端和从时钟端之间通过双向交互时间戳信息，计算时间偏差值，该过程称为时钟偏差测量过程，流程如图2所示。具体包括以下步骤：

（1）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，Beacon帧格式如图3所示，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。现场节点和/或手持节点收到AP广播的Beacon帧后，记录收到Beacon时的TSF值，其值记为Ts1。

（2）现场节点和/或手持节点在预先分配的TDMA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广播给现场节点和/或手持节点的Beacon帧的格式相同。

（3）AP记录现场节点和/或手持节点的延迟请求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和节点标识（ID，IDentifier）。

（4）AP将现场节点和/或手持节点对应的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，并利用预先分配的TDMA广播时隙广播给现场节点和/或手持节点。捎带时间数据的延迟响应数据帧的格式见图4，包括节点ID以及时间值Tm2和Ts2。

（5）现场节点和/或手持节点收到AP的延迟响应数据帧后，抽取对应ID的时间值Tm2和Ts2。此时，现场节点和/或手持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，计算方法如公式（1）和公式（2）：

Ddown=Ts1-Tm1+Offset    （1）

Dup=Tm2-Ts2-Offset      （2）

本发明考虑链路对称的情况，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）所示。

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

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

（7）现场节点和/或手持节点根据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，则现场节点和/或手持节点将本地的TSF值调整为(TSF+Offset)；如果Tm1+Delay<Ts1，现场节点和/或手持节点将本地的TSF值调整为(TST-Offset)；如果Tm1+Delay＝Ts1，则不作调整。

根据上述七个步骤实际计算得到的时间偏差值Offset预测下一个同步周期的时间偏差值Y。具体包括以下步骤：

（1）时间偏差预测值初始化：取前N个时间同步周期计算得到的N个Offset值的平均值作为预测的初始值Offset₀，并令Y₀=Offset₀；

（2）时钟偏差预测过程：利用加权移动平均方法计算下一个同步周期的时钟偏差值Y_t+1，计算方法如公式（5）所示：

Y_t+1=α_t×Offset_t+(1-α_t)×Y_t(0≤α≤1t≥2)    （5）

其中，Y_t+1表示第（t+1）个同步周期的时间偏差预测值，Y_t为第t个同步周期的预测值，Offset_t为第t个同步周期得到的时钟偏差Offset值；α_t∈[0,1]表示第t个同步周期的权重因子，其值初始化为0和1之间的随机数；

（3）预测误差计算：给定权重因子α_t，按照公式（6）所示计算预测误差：

$E\left({\mathrm{\&alpha;}}_t\right)=\frac{1}{t-1}\underset{i=2}{\overset{t}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(Y_i-{\mathrm{Offset}}_i)}^2---\left(6\right)$

其中，E(α_t)表示第t个同步周期中对应于α_t的预测误差。

定义权重因子和如公式（7）所示：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&alpha;}}_t^U={\mathrm{\&alpha;}}_t+d\\ {\mathrm{\&alpha;}}_t^L={\mathrm{\&alpha;}}_t-d\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中，d∈[0,1]，d表示α_t的调整量，其值经验选取，一般取0.01；

按照公式（7）分别计算α_t、以及对应下的预测误差E(α_t)、以及并比较E(α_t)、以及的大小，比较结果见公式（8）~（10）：

$E\left({\mathrm{\&alpha;}}_t\right)\&le;\left\{\begin{array}{c}E\left({\mathrm{\&alpha;}}_t^L\right)\\ E\left({\mathrm{\&alpha;}}_t^{\text{U}}\right)\end{array}\right.---\left(8\right)$

$E\left({\mathrm{\&alpha;}}_t^L\right)\&le;\left\{\begin{array}{c}E\left({\mathrm{\&alpha;}}_t\right)\\ E\left({\mathrm{\&alpha;}}_t^{\text{U}}\right)\end{array}\right.---\left(9\right)$

$E\left({\mathrm{\&alpha;}}_t^U\right)\&le;\left\{\begin{array}{c}E\left({\mathrm{\&alpha;}}_t\right)\\ E\left({\mathrm{\&alpha;}}_t^{\text{L}}\right)\end{array}\right.---\left(10\right)$

如果E(α_t)、以及之间的关系满足公式（8），则第（t+1）个同步周期的权重α_t+1=α_t；如果满足公式（9），则如果满足公式（10），则 ${\mathrm{\&alpha;}}_{t+1}={\mathrm{\&alpha;}}_t^U.$

根据上述三个步骤得到第（t+1）个同步周期的时间偏差预测值Y_t+1，节点步进补偿本地时钟的漂移。具体包括以下步骤：

（1）现场节点和/或手持节点计算第（t+1）个同步周期的时钟漂移量f(t+1)，如公式（11）所示：

f(t+1)=f(t)+Y_t+1    （11）

（2）现场节点和/或手持节点设置本地定时器的步进单位为1，假设每个同步周期的持续时间为T，则在tT至（t+1）T时间内，现场节点和/或手持节点每隔固定的时间，线性平滑补偿一次本地定时器，补偿量以及补偿规则包括：

如果Tm1+Delay>Ts1，则每隔本地调整后的TSF值增加一个时间单位；

如果Tm1+Delay<Ts1，则每隔本地调整后的TSF值减少一个时间单位；

Tm1+Delay＝Ts1，则不做调整。

Claims (5)

1.一种基于预测补偿的工业无线网络高精度时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

将面向工厂自动化的工业无线网络组建为基于IEEE 802.11单跳基本服务集BSS结构的星型网络；

按照工业无线网络中的节点的类型和功能，设置主时钟和从时钟；

主时钟端和从时钟端之间通过双向时间戳信息交互，计算当前同步周期的时间偏差值；

利用当前同步周期的时间偏差值预测下一个同步周期的时间偏差值；

利用预测得到的下一个同步周期的时间偏差值补偿时钟漂移，校准时钟；

所述利用当前同步周期的时间偏差值预测下一个同步周期的时间偏差值，包括以下步骤：

(1)时间偏差预测值初始化：取前N个时间同步周期计算得到的N个Offset值的平均值作为预测的初始值Offset₀，并令Y₀＝Offset₀；

(2)时钟偏差预测过程：利用加权移动平均方法计算下一个同步周期的时钟偏差值Y_t+1：

Y_t+1＝α_t×Offset_t+(1-α_t)×Y_t (0≤α≤1 t≥2)  (5)

其中，Y_t+1表示第t+1个同步周期的时间偏差预测值，Y_t为第t个同步周期的预测值，Offset_t为第t个同步周期得到的时钟偏差值Offset；α_t∈[0,1]表示第t个同步周期的权重因子，其值初始化为0和1之间的随机数；

(3)预测误差计算：给定权重因子α_t，计算预测误差：

$E\left({\mathrm{\&alpha;}}_t\right)=\frac{1}{t-1}\underset{i=2}{\overset{t}{\&Sigma;}}{(Y_i-{\mathrm{Offset}}_i)}^2---\left(6\right)$

其中，E(α_t)表示第t个同步周期中对应于α_t的预测误差；

定义权重因子和

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&alpha;}}_t^U={\mathrm{\&alpha;}}_t+d\\ {\mathrm{\&alpha;}}_t^L={\mathrm{\&alpha;}}_t-d\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中，d∈[0,1]，d表示α_t的调整量，取0.01；

按照公式(6)(7)分别计算α_t、以及对应下的预测误差E(α_t)、以及并比较E(α_t)、以及的大小，比较结果：

$E\left({\mathrm{\&alpha;}}_t\right)\&le;\left\{\begin{array}{c}E\left({\mathrm{\&alpha;}}_t^L\right)\\ E\left({\mathrm{\&alpha;}}_t^U\right)\end{array}\right.---\left(8\right)$

$E\left({\mathrm{\&alpha;}}_t^L\right)\&le;\left\{\begin{array}{c}E\left({\mathrm{\&alpha;}}_t\right)\\ E\left({\mathrm{\&alpha;}}_t^U\right)\end{array}\right.---\left(9\right)$

$E\left({\mathrm{\&alpha;}}_t^U\right)\&le;\left\{\begin{array}{c}E\left({\mathrm{\&alpha;}}_t\right)\\ E\left({\mathrm{\&alpha;}}_t^L\right)\end{array}\right.---\left(10\right)$

如果E(α_t)、以及之间的关系满足公式(8)，则第(t+1)个同步周期的权重α_t+1＝α_t；如果满足公式(9)，则如果满足公式(10)，则 ${\mathrm{\&alpha;}}_{t+1}={\mathrm{\&alpha;}}_t^U.$

2.根据权利要求1所述的基于预测补偿的工业无线网络高精度时间同步方法，其特征在于，所述工业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业无线网络中的现场数据；接入点AP负责将现场节点和/或手持节点采集到的数据转发到主控计算机；冗余AP在接入点AP无法正常工作时代替其运行。

3.根据权利要求1所述的基于预测补偿的工业无线网络高精度时间同步方法，其特征在于，所述主时钟为AP的TSF；所述从时钟为网络中其他节点的内部时钟；所述TSF为本地定时器。

4.根据权利要求1所述的基于预测补偿的工业无线网络高精度时间同步方法，其特征在于，所述主时钟端和从时钟端之间通过双向时间戳信息交互，计算当前同步周期的时间偏差值，包括以下步骤：

(1)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，现场节点/手持节点收到AP广播的Beacon帧后，记录收到该Beacon帧时的TSF值Ts1，Beacon帧中携带AP广播该Beacon帧的TSF值Tm1；

所述Beacon帧格式按顺序包括帧控制、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符合IEEE 802.11标准中Beacon帧的格式，硬件时戳值为7个比特；

(2)现场节点/手持节点在预先分配的TDMA时隙内，依次向AP发送一个延迟请求Beacon帧；所述延迟请求Beacon帧的格式与AP广播给现场节点/手持节点的Beacon帧的格式相同；

(3)AP记录现场节点/手持节点的延迟请求Beacon帧到达AP时的TSF值Tm2，延迟请求Beacon帧中携带现场节点/手持节点发送该延迟请求BEACON帧的TSF值Ts2和节点ID；

(4)AP将现场节点/手持节点对应的节点ID以及时间值Tm2和Ts2通过延迟响应数据帧进行捎带，并利用预先分配的TDMA广播时隙广播给现场节点/手持节点；

所述延迟响应数据帧的格式按顺序包括帧控制、序列号、源地址、数据长度和荷载，其中，荷载包括节点ID以及时间值Tm2和Ts2；

(5)现场节点/手持节点收到AP的延迟响应数据帧后，抽取对应节点ID的时间值Tm2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，即当前同步周期的时间偏差值Offset：

Ddown＝Ts1-Tm1+Offset  (1)

Dup＝Tm2-Ts2-Offset  (2)

链路对称的情况下，Ddown＝Dup，记为Delay；通过计算公式(1)和(2)，可以得到Delay和Offset的值：

$Delay=\frac{(Ts1-Tm1)+(Tm2-Ts2)}{2}---\left(3\right)$

$Offset=\frac{(Tm2-Ts2)-(Ts1-Tm1)}{2}---\left(4\right)$

(7)现场节点/手持节点根据Ts1以及计算得到的Offset值调整本地TSF定时器的值：

如果Tm1+Delay>Ts1，则现场节点/手持节点将本地的TSF值调整为TSF+Offset；

如果Tm1+Delay<Ts1，则现场节点/手持节点将本地的TSF值调整为TSF-Offset；

如果Tm1+Delay＝Ts1，则不作调整。

5.根据权利要求1所述的基于预测补偿的工业无线网络高精度时间同步方法，其特征在于，所述利用预测得到的下一个同步周期的时间偏差值补偿时钟漂移，校准时钟，包括以下步骤：

(1)现场节点/手持节点计算第(t+1)个同步周期的时钟漂移量f(t+1)：

f(t+1)＝f(t)+Y_t+1  (11)

(2)现场节点/手持节点设置本地定时器的步进单位为1，假设每个同步周期的持续时间为T，则在tT至(t+1)T时间内，现场节点/手持节点每隔固定的时间，线性平滑补偿一次本地定时器，补偿量以及补偿规则包括：

如果Tm1+Delay>Ts1，则每隔本地调整后的TSF值增加一个时间单位；

如果Tm1+Delay<Ts1，则每隔本地调整后的TSF值减少一个时间单位；

如果Tm1+Delay＝Ts1，则不做调整。