CN104717737A - 基于tdma的工业无线网络时间同步校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业自动化、无线通讯领域，具体公开了一种基于TDMA的工业无线网络时间同步校正技术。本技术采用通过对TDMA通信机制的研究，分析了工业无线网络中节点之间时间同步的重要性，发明了一种高精度的时间同步技术。本技术具有时间精度高，计算量小，数据传输负荷小等优点。采用自主研发的WH-M模块，在系统时钟为24M，漂移误差为10ppm的误差情况下，利用PC机和串口调试工具SSCOM32.exe等平台，验证了该技术的效果，可以得到该技术可以减小83%的时间同步误差，并且该技术对于TDMA网络具有通用性。

Description

基于TDMA的工业无线网络时间同步校正方法

技术领域

本发明涉及无线传输技术、网络技术、物联网领域，具体地说是一种基于工业无线网络的节点时间同步的方法。

背景技术

随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从现场设备到各个控制领域，而兴起于本世纪初的工业无线技术引发了传统工业测控模式的重大变革，工业无线网络是从新兴的无线传感器网络发展而来的、具有低成本、低能耗、高度灵活性等特点。已成为继工业总线后又一个研究热点，现在国际上的以美国、德国为代表的西方工业强国投入巨资展开了工业无线关键技术研发工作，本设备也正是适应国际形式，自主研发的我国工业通讯网络设备。工业无线网络是一种面向设备间信息交互的无线通信技术，是对现有无线通信技术在工业应用方向上的功能扩展和提升，是降低工业测控系统成本、扩展应用范畴的革命性技术。工业无线网络技术改变了现有系统控制信息传递的方式。

工业无线网络是一种应用在恶劣的工业现场环境，具有较高的抗干扰能力、高的安全性和实时性，以上这些要求是工业无线需要突破的技术难题。其中，目前主流的工业无线网络都使用了TDMA技术，为了保证工业无线网络的正常工作，时间同步技术正在成为工业无线网络的一项关键技术，正在受到越来越多的专家学者关注和研究。然而现有的网络节点之间的时间存在如下误差来源：

（1）晶振频漂影响

理想情况下，各节点时钟频率相同，同步一次之后稳定运行，不会产生累积偏差。实际情况下，由于网络节点的时钟都不是完全统一的，节点的本地时钟彼此之间会在时间上漂移，所以观察到的时间或者时间间隔对于网络中的节点来说是彼此不同的。

（2）随机误差影响

学者Elson等人仔细分析了多个接收节点在相同的接收机制下对同一个广播数据分组打时间戳会出现时间差异的问题。经过对多组数据分析，得出各接收节点时间戳之间的差异符合正态分布规律。随机误差也是影响时间同步的一个因素。

发明内容

为了使工业无线网络时间同步精度更高，本发明的目的是提供一种基于TDMA的工业无线网络时间同步校正方法。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

基于TDMA的工业无线网络时间同步校正方法，运行在TDMA网络平台，TDMA网络将时间轴划分成一定长度的超帧，每个超帧划分为若干时隙；

在一个超帧内给网络中的每个节点分配一定数量的时隙以接收或发送信息，每个网络节点均有精确的定时；

网络中各个节点的必须时钟同步，才能实现正常的通信；

时钟同步，在网络中各个节点通过报文交换、参考同一节点、利用算法估计对方时间的方式实现节点各个时间相同。

时钟同步，在网络中各个节点之间完成时间同步过程外，需要时间同步的节点根据每次同步的偏差值，进行本地TDMA时隙长度的调整，实现本地TDMA网络时隙的闭环控制，实现全网TDMA时隙偏差减小。

所述TDMA时隙长度调整，在实现过程中，由于硬件定时器计数值必须为整数，根据选取精度；

如果TDMA调整值为小数时，选取一定长度的精度等价周期，在该段TDMA时隙过程中，采用各个TDMA时隙调整值不同的方式，实现该段等价周期内的精度等价，从而选取该调整方式对各个TDMA时隙进行差别化调整。

基于TDMA时间同步校正方法；

假设在一个工业无线网络N中，节点B需要与节点A进行时间同步，做出以下假设：

节点A和B之间的时钟偏差全部来源于晶振的时钟漂移；

节点A的时钟与网络中其他节点的时钟严格一致；

每次时间同步完成的瞬间节点A和B的时钟完全相同，即TDMA的时隙偏差为零；

如果两个节点某次时间同步的绝对TDMA时隙号ASN记为ASN_Last，此时节点B时隙长度为SlotLength，映射到本地的定时器计数个数为SlotCounter_Last，下一次两个节点时间同步时候的时间偏差值的调整值为T_Adj，此时的ASN为ASN_Current，两次同步之间的ASN间隔为ASN_Delt=ASN_Current-ASN_Last，如图2所示。采用时隙长度校正的同步算法中，节点B除了进行正常的时间同步，调整时隙偏差外，还需要调整时隙长度计数器计数个数为SlotCounter_Current=SlotCounter_Last+(T_Adj/ASN_Delt)*(SlotCounter_Last/SlotLenth)。

这里规定(T_Adj/ASN_Delt)*(SlotCounter_Last/SlotLenth)为时隙校正项SlotCounter_Adj；这样，网络节点将按照新的时隙长度运行TDMA网络时隙计时，根据以上所述，基于TDMA的时间同步校正技术实现了TDMA网络时隙的闭环控制。

时隙校正项SlotCounter_Adj；

1）时隙校正项SlotCounter_Adj为整数

由于定时器计数值SlotCounter_Current必须为整数，若校正项SlotCounter_Adj为整数，那完全可以直接计算得到SlotCounter_Current的数值。

2）时隙校正项SlotCounter_Adj为非整数

若校正项SlotCounter_Adj为非整数，则令SlotCounter_Adj_S=[SlotCounter_Adj]，SlotCounter_Adj_L=[SlotCounter_Adj]+1，根据选取精度delt（0.1，0.01……）精度等价周期CycleNum=（1/delt），得到小数部分值为MicroAdj=SlotCounter_Adj-SlotCounter_Adj_S，则小数部分对应的时隙调整间隔为SlotInterval，SlotInterval_S=[SlotInterval]，SlotInterval_L=[SlotInterval]+1，在CycleNum个ASN周期内，以SlotInterval_S周期调整Num_S次，以SlotInterval_L周期调整Num_L次，则有如下等价约束关系：

Num_S+Num_L=CycleNum*MicroAdj;式1

SlotInterval_S*Num_S+SlotInterval_L*Num_L=CycleNum;式2

SlotInterval_L-SlotInterval_S=1；式3

联立式1，式2，式3，解得：

Num_S=CycleNum*MicroAdj*SlotInterval_L-CycleNum；

Num_L=CycleNum-CycleNum*MicroAdj*SlotInterval_S；

在一个TDMA工业无线网络中，采用时隙调整值为SlotCounter_Adj_L时候，以SlotInterval_S为周期，调整Num_S次，然后以SlotInterval_L为周期，调整Num_L次，其余不满足周期要求的时隙采用调整值SlotCounter_Adj_S，这样就实现了在CycleNum个ASN的时段内，实现平均每个时隙调整值与非整数SlotCounter_Adj完全等价。

本发明的优点是：

1、本发明对于数据链路层采用TDMA机制的网络具有良好的普适性。作为工业无线网络的一项基础的支撑技术，时间同步校正技术，在保证时间同步精度的前提下，减少了节点的计算量和网络数据传输负荷，实现网络节点可靠性、实时性的提高，对于降低网络整体能耗具有重要的意义。

2、本技术具有时间精度高，计算量小，数据传输负荷小等优点。采用自主研发的WH-M模块，在系统时钟为24M，漂移误差为10ppm的误差情况下，利用PC机和串口调试工具SSCOM32.exe等平台，验证了该技术的效果，可以得到该技术可以减小83%的时间同步误差，并且该技术对于TDMA网络具有通用性。

附图说明

图1是已有的TDMA机制示意图。

图2是基于TDMA的时间同步校正技术示意图。

图3是网络时隙闭环控制图。

图4是测试节点校正前时间调整值曲线图。

图5是测试节点校正后时间调整值曲线图。

具体实施方式

下面结合附图图1-5对本发明作进一步详细说明。

基于TDMA的工业无线网络时间同步校正方法，运行在TDMA网络平台，TDMA网络将时间轴划分成一定长度的超帧，每个超帧划分为若干时隙；

在一个超帧内给网络中的每个节点分配一定数量的时隙以接收或发送信息，每个网络节点均有精确的定时；

网络中各个节点的必须时钟同步，才能实现正常的通信；

时钟同步，在网络中各个节点通过报文交换、参考同一节点、利用算法估计对方时间的方式实现节点各个时间相同。

时钟同步，在网络中各个节点之间完成时间同步过程外，需要时间同步的节点根据每次同步的偏差值，进行本地TDMA时隙长度的调整，实现本地TDMA网络时隙的闭环控制，实现全网TDMA时隙偏差减小。

所述TDMA时隙长度调整，在实现过程中，由于硬件定时器计数值必须为整数，根据选取精度；

如果TDMA调整值为小数时，选取一定长度的精度等价周期，在该段TDMA时隙过程中，采用各个TDMA时隙调整值不同的方式，实现该段等价周期内的精度等价，从而选取该调整方式对各个TDMA时隙进行差别化调整。

基于TDMA时间同步校正方法；

假设在一个工业无线网络N中，节点B需要与节点A进行时间同步，做出以下假设：

节点A和B之间的时钟偏差全部来源于晶振的时钟漂移；

节点A的时钟与网络中其他节点的时钟严格一致；

每次时间同步完成的瞬间节点A和B的时钟完全相同，即TDMA的时隙偏差为零；

如果两个节点某次时间同步的绝对TDMA时隙号ASN记为ASN_Last，此时节点B时隙长度为SlotLength，映射到本地的定时器计数个数为SlotCounter_Last，下一次两个节点时间同步时候的时间偏差值的调整值为T_Adj，此时的ASN为ASN_Current，两次同步之间的ASN间隔为ASN_Delt=ASN_Current-ASN_Last，如图2所示。采用时隙长度校正的同步算法中，节点B除了进行正常的时间同步，调整时隙偏差外，还需要调整时隙长度计数器计数个数为SlotCounter_Current=SlotCounter_Last+(T_Adj/ASN_Delt)*(SlotCounter_Last/SlotLenth)。

这里规定(T_Adj/ASN_Delt)*(SlotCounter_Last/SlotLenth)为时隙校正项SlotCounter_Adj；这样，网络节点将按照新的时隙长度运行TDMA网络时隙计时，根据以上所述，基于TDMA的时间同步校正技术实现了TDMA网络时隙的闭环控制。

时隙校正项SlotCounter_Adj；

1）时隙校正项SlotCounter_Adj为整数

由于定时器计数值SlotCounter_Current必须为整数，若校正项SlotCounter_Adj为整数，那完全可以直接计算得到SlotCounter_Current的数值。

2）时隙校正项SlotCounter_Adj为非整数

若校正项SlotCounter_Adj为非整数，则令SlotCounter_Adj_S=[SlotCounter_Adj]，SlotCounter_Adj_L=[SlotCounter_Adj]+1，根据选取精度delt（0.1，0.01……）精度等价周期CycleNum=（1/delt），得到小数部分值为MicroAdj=SlotCounter_Adj-SlotCounter_Adj_S，则小数部分对应的时隙调整间隔为SlotInterval，SlotInterval_S=[SlotInterval]，SlotInterval_L=[SlotInterval]+1，在CycleNum个ASN周期内，以SlotInterval_S周期调整Num_S次，以SlotInterval_L周期调整Num_L次，则有如下等价约束关系：

Num_S+Num_L=CycleNum*MicroAdj;式1

SlotInterval_S*Num_S+SlotInterval_L*Num_L=CycleNum;式2

SlotInterval_L-SlotInterval_S=1；式3

联立式1，式2，式3，解得：

Num_S=CycleNum*MicroAdj*SlotInterval_L-CycleNum；

Num_L=CycleNum-CycleNum*MicroAdj*SlotInterval_S；

在一个TDMA工业无线网络中，采用时隙调整值为SlotCounter_Adj_L时候，以SlotInterval_S为周期，调整Num_S次，然后以SlotInterval_L为周期，调整Num_L次，其余不满足周期要求的时隙采用调整值SlotCounter_Adj_S，这样就实现了在CycleNum个ASN的时段内，实现平均每个时隙调整值与非整数SlotCounter_Adj完全等价。

如图1所示，每个超帧划分为若干时隙。在一个超帧内给网络中的每个节点分配一定数量的时隙以接收或发送信息，每个网络节点均有精确的定时。为了实现TDMA机制的正常工作，网络中各个节点的时钟必须同步，才能实现正常的通信。因此，同步精度是至关重要的，时钟同步精度对网络通信的可靠性有非常重要的影响。

图2为本发明核心算法示意图，图中描述了相邻两次时间同步时需要进行的操作。图3为本发明的控制过程的描述，显示该算法为一个闭环控制过程。图4为使用本发明技术前，网络节点的时间误差，从图中可见，该误差-400-200us，相对还是比较大的。图5为使用本发明后的误差曲线，误差缩小到-50-50us范围，可见本技术对控制节点误差效果明显。SlotCounter时隙计数器。

基于TDMA的时间同步校正技术效果测试；

该技术的效果测试在自主研发工业无线网络模块WH-M上实现。WH-M模块采用飞思卡尔MC13224处理器射频单芯片解决方案，系统时钟为24M，漂移误差为10ppm。测试平台还包括艾默生WirelessHART智能网关、PC机和串口调试工具SSCOM32.exe。搭建包含有5个测试节点的WirelessHART网络。当网络组建起来后，每个节点会通过串口打印自己的同步调整值，打印T_Adj后面的数值是当时网络节点的时间同步调整值，单位为微秒。

当网络组建完毕，在没有采用时间同步校正技术的情况下，设定时间同步周期为30秒，选取5分钟时长的窗口，观察记录时间窗口内每个网络节点各自的时间同步调整值T_delt，绘制出下面曲线图4所示。由图可见，每个节点时间调整值介于-400到200微秒之间。当采用了时间同步校正技术的时候，网络节点的时间误差缩小到-50到50微秒之间，其时间误差的曲线图如图5所示。比较采用基于TDMA的工业无线网络时间同步校正技术前后网络节点的误差，可以得出，该技术使网络之间节点的误差缩小了83%。这对于工业无线网络提高通信可靠性、增加网络拓扑跳数、降低网络整体能耗以及减小网络负荷有重要意义，并且该技术对于采用TDMA机制的网络具有通用性。

Claims (4)

1.基于TDMA的工业无线网络时间同步校正方法，运行在TDMA网络平台，TDMA网络将时间轴划分成一定长度的超帧，每个超帧划分为若干时隙；

在一个超帧内给网络中的每个节点分配一定数量的时隙以接收或发送信息，每个网络节点均有精确的定时；

网络中各个节点的必须时钟同步，才能实现正常的通信；

其特征在于：

时钟同步，在网络中各个节点通过报文交换、参考同一节点、利用算法估计对方时间的方式实现节点各个时间相同；

时钟同步，在网络中各个节点之间完成时间同步过程外，需要时间同步的节点根据每次同步的偏差值，进行本地TDMA时隙长度的调整，实现本地TDMA网络时隙的闭环控制，实现全网TDMA时隙偏差减小。

2.按照权利要求1所述的基于TDMA的工业无线网络时间同步校正方法，所述TDMA时隙长度调整，在实现过程中，由于硬件定时器计数值必须为整数，根据选取精度；

其特征在于：如果TDMA调整值为小数时，选取一定长度的精度等价周期，在该段TDMA时隙过程中，采用各个TDMA时隙调整值不同的方式，实现该段等价周期内的精度等价，从而选取该调整方式对各个TDMA时隙进行差别化调整。

3.按照权利要求1所述的基于TDMA的工业无线网络时间同步校正方法，其特征在于：

基于TDMA时间同步校正方法；

假设在一个工业无线网络N中，节点B需要与节点A进行时间同步，做出以下假设：

节点A和B之间的时钟偏差全部来源于晶振的时钟漂移；

节点A的时钟与网络中其他节点的时钟严格一致；

每次时间同步完成的瞬间节点A和B的时钟完全相同，即TDMA的时隙偏差为零；

如果两个节点某次时间同步的绝对TDMA时隙号ASN记为ASN_Last，此时节点B时隙长度为SlotLength，映射到本地的定时器计数个数为SlotCounter_Last，下一次两个节点时间同步时候的时间偏差值的调整值为T_Adj，此时的ASN为ASN_Current，两次同步之间的ASN间隔为ASN_Delt=ASN_Current-ASN_Last，采用时隙长度校正的同步算法中，节点B除了进行正常的时间同步，调整时隙偏差外，还需要调整时隙长度计数器计数个数为

SlotCounter_Current=SlotCounter_Last+(T_Adj/ASN_Delt)*(SlotCounter_Last/SlotLenth)；

这里规定(T_Adj/ASN_Delt)*(SlotCounter_Last/SlotLenth)为时隙校正项SlotCounter_Adj；这样，网络节点将按照新的时隙长度运行TDMA网络时隙计时，根据以上所述，基于TDMA的时间同步校正技术实现了TDMA网络时隙的闭环控制。

4.按照权利要求3所述的基于TDMA的工业无线网络时间同步校正方法，其特征在于：

时隙校正项SlotCounter_Adj；

1）时隙校正项SlotCounter_Adj为整数；

由于定时器计数值SlotCounter_Current必须为整数，若校正项SlotCounter_Adj为整数，那完全可以直接计算得到SlotCounter_Current的数值；

2）时隙校正项SlotCounter_Adj为非整数；

若校正项SlotCounter_Adj为非整数，则令SlotCounter_Adj_S=[SlotCounter_Adj]，SlotCounter_Adj_L=[SlotCounter_Adj]+1，根据选取精度delt（0.1，0.01……）精度等价周期CycleNum=（1/delt），得到小数部分值为MicroAdj=SlotCounter_Adj-SlotCounter_Adj_S，则小数部分对应的时隙调整间隔为SlotInterval，SlotInterval_S=[SlotInterval]，SlotInterval_L=[SlotInterval]+1，在CycleNum个ASN周期内，以SlotInterval_S周期调整Num_S次，以SlotInterval_L周期调整Num_L次，则有如下等价约束关系：

Num_S+Num_L=CycleNum*MicroAdj;式1

SlotInterval_S*Num_S+SlotInterval_L*Num_L=CycleNum;式2

SlotInterval_L-SlotInterval_S=1；式3

联立式1，式2，式3，解得：

Num_S=CycleNum*MicroAdj*SlotInterval_L-CycleNum；

Num_L=CycleNum-CycleNum*MicroAdj*SlotInterval_S；

在一个TDMA工业无线网络中，采用时隙调整值为SlotCounter_Adj_L时候，以SlotInterval_S为周期，调整Num_S次，然后以SlotInterval_L为周期，调整Num_L次，其余不满足周期要求的时隙采用调整值SlotCounter_Adj_S，这样就实现了在CycleNum个ASN的时段内，实现平均每个时隙调整值与非整数SlotCounter_Adj完全等价。