CN105812117B

CN105812117B - 面向工业异构网络的无线链路时延补偿装置和方法

Info

Publication number: CN105812117B
Application number: CN201410842944.3A
Authority: CN
Inventors: 曾鹏; 王照伟; 李栋; 王金涛; 李志博; 于海斌
Original assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Current assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Priority date: 2014-12-29
Filing date: 2014-12-29
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2034-12-29
Also published as: CN105812117A

Abstract

本发明涉及面向工业异构网络的无线链路时延补偿装置和方法，具体地说是一种工业异构网络环境下，基于IEEE 1588时间同步协议的无线链路时延补偿装置和方法。该装置包括ESTW模块，ETE模块，以及IEEE 1588报文驻留时间检测和补偿模块。该方法包括以下步骤：采用ESTW模块实现特定以太网节点间的无线通信，利用FPGA实现ESTW模块的特定IEEE 1588报文驻留时间检测，然后将报文驻留时间加入到相应IEEE 1588报文的修正域中，完成无线链路时延补偿。本发明在不修改已有IEEE 1588协议的前提下降低了协议开销，提高了网络的吞吐量，满足了链路时延补偿的实时性要求，提高了网络的时间同步精度。同时，在不影响现有以太网设备的情况下，降低了额外的硬件开发需求，增强了实用性。

Description

面向工业异构网络的无线链路时延补偿装置和方法

技术领域

本发明涉及工业异构网络的无线通信领域，具体地说是一种面向工业异构网络的无线链路时延补偿装置和方法。

背景技术

基于无线技术构建新型工业回程网络，可有效降低网络布设成本，增加网络覆盖面积。而工业以太网作为当前成熟的、广泛应用的工业有线网络，短期内不能被无线网络所取代，进而造成无线网络和以太网长期共存的现象，即构成工业异构网络。精确的时间同步对于保证工业异构网络的实时性和安全性等应用需求至关重要。

工业异构网络作为无线网络和有线网络的集成，网络中存在多种通信链路，包括以太网节点间的有线通信链路和无线通信链路等。同时，实验发现，现有以太网时间同步技术的精度可以达到次ns级，但实现无线通信的以太网节点间的同步精度却可达ms级，进而造成全网的同步精度严重下降。因此，实现以太网节点间的无线传输、同时保证高精度的时间同步是工业异构网络技术目前迫切需要解决的问题。

由于精度低、成本高、安全性低、可扩展性差以及应用范围有限等因素，现有的时间同步技术不能直接应用到工业异构网络中。而建立在UDP/IP协议基础之上的成熟以太网时间同步协议IEEE 1588协议，可以被直接应用到无线网络中。同时，IEEE 1588协议提供普通时钟(Ordinary Clock，OC)、透明时钟(Transparent Clock，TC)、边界时钟(BoundaryClock，BC)等不同的时钟类型，具有可扩展性好、同步精度高等特点。所以IEEE 1588协议是实现工业异构网络时间同步的首选。

IEEE 1588协议实现高精度时间同步的关键是基于硬件时间戳和对称链路，即在介质访问控制层(Media Access Control Layer，MAC层)和物理层(Physical Layer，PHY层)之间的介质独立接口(Medium Independent Interface，MII)处取出时间戳，同时联合TC机制保证同步节点间的上下行链路时延一致。当前市场上的以太网芯片多提供MII接口，但Wi-Fi芯片多为单芯片结构，即造成Wi-Fi节点时间戳的选取只能在MAC层以上实现，产生较大的时延波动。所以，Wi-Fi节点的CPU处理、MAC层排队、PHY层传输等转发时延误差以及时间戳选取机制会造成链路的非对称，严重影响时间同步精度。现有方法多采用统计学原理进行链路时延补偿，增加了网络中的报文，同时实时性差。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种面向工业异构网络的无线链路时延补偿装置和方法，是一种工业异构网络环境下，基于IEEE 1588时间同步协议的无线链路时延补偿装置和方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种面向工业异构网络的无线链路时延补偿装置，包括：

ESTW模块，用于实现以太网节点间的无线通信；

ETE模块，用于提供以太网端口处PHY层与MAC层之间的MII端口；

IEEE 1588报文驻留时间检测和补偿模块，用于完成IEEE 1588报文在ESTW模块的驻留时间检测和补偿；

其中，ESTW模块与ETE模块之间通过以太网端口相连，与IEEE 1588报文驻留时间检测和补偿模块之间通过驱动层的GPIO口相连，ETE模块与IEEE 1588报文驻留时间检测和补偿模块之间通过MII端口相连。

所述ESTW模块包括无线网卡以及主板，主板的以太网端口与以太网节点实现有线连接，无线网卡实现报文的无线传输。

所述ETE模块为RTL8212双PHY层芯片。

所述IEEE 1588报文驻留时间检测和补偿模块包括IEEE 1588报文检测模块、时钟模块、时间戳寄存器模块、IEEE 1588报文一致性检测模块以及IEEE 1588报文修正域补偿模块；

所述IEEE 1588报文检测模块用于完成MII端口处IEEE 1588报文的检测；

所述时钟模块用于提供当前时间信息；

所述时间戳寄存器模块用于完成时间戳信息的存储；

所述IEEE 1588报文一致性检测模块完成报文在ESTW模块的驻留时间计算；

所述IEEE 1588报文修正域补偿模块对报文修正域的值进行修正。

其中，时钟模块根据IEEE 1588报文检测模块的检测结果，决定是否将当前时间发送给时间戳寄存器模块；IEEE 1588报文一致性检测模块调取时间戳寄存器模块的时间信息，并将检测后的信息发送给IEEE 1588报文修正域补偿模块；IEEE 1588报文修正域补偿模块根据IEEE 1588报文一致性检测模块的时间信息以及IEEE 1588报文检测模块的报文信息对相应报文修正域进行补偿。

一种面向工业异构网络的无线链路时延补偿方法，包括以下步骤：

采用ESTW模块实现以太网节点间的无线通信，所述以太网节点为既连接有线网络又连接无线网络的以太网节点；

利用FPGA实现ESTW模块的IEEE 1588报文驻留时间检测；

将报文驻留时间加入到相应IEEE 1588报文的修正域中，完成链路时延补偿。

所述IEEE 1588报文驻留时间检测指IEEE 1588报文驻留时间检测和补偿装置通过检测IEEE1588报文在以太网端口位置TS1和Wi-Fi端口位置TS2处的时间戳差值，计算IEEE 1588报文在ESTW模块中的驻留时间。

所述将报文驻留时间加入到相应IEEE 1588报文的修正域中，具体为：IEEE 1588报文修正域补偿模块根据IEEE 1588报文检测模块的报文检测结果以及报文sequenceID，将sequenceID一致的时间差值，即相应报文的驻留时间，增加到Follow_Up报文和Delay_Resp报文的修正域correction_field中。

所述报文修正域是指IEEE 1588报文的报头correctionField域，在two-step时钟中，Sync报文和Delay_Req报文的该域值为0，Follow_Up报文和Delay_Resp报文的该域值分别为Sync报文和Delay_Req报文在中间节点的转发时延。

所述特定IEEE 1588报文包括：Sync报文、Delay_Req报文、Follow_Up报文、Delay_Resp报文。

所述Wi-Fi端口IEEE 1588报文检测包括实现Wi-Fi驱动层的IEEE 1588报文检测。

本发明提出的工业异构网络无线链路时延补偿装置和方法充分考虑工业异构网络的“有线-无线”架构的特殊性以及无线链路的非对称性问题，利用IEEE 1588协议的异构特点，在不影响现有IEEE 1588协议运行的基础上，减少网络中的报文，实现实时性链路时延补偿。具体表现在：

1.本发明基于现有的IEEE 1588协议层次化时间同步模型，可扩展性好、灵活性强，不需要额外的协议开销；

2.本发明采用ESTW模块实现以太网节点间的无线通信，在不影响现有以太网设备的同时，降低了额外的硬件开发需求，实用性强；

3.本发明利用FPGA实现IEEE 1588报文在ESTW模块的驻留时间检测，降低了协议开销，提高了网络的吞吐量，满足了链路时延补偿的实时性要求，提高了网络的时间同步精度。

附图说明

图1为本发明的工业异构网络示意图；

图2为本发明的ESTW模块示意图；

图3为无线链路时延补偿装置；

图4为IEEE 802.3/Ethernet协议下的IEEE 1588报文封装格式；

图5为UDP/IP协议下的IEEE 1588报文封装格式；

图6为IEEE 1588报文驻留时间检测和补偿模块；

图7为Wi-Fi端IEEE 1588报文检测流程图

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。

构建工业实时应用的层次化异构网络；

设计ESTW模块实现特定以太网节点间的无线通信；

利用FPGA实现ESTW模块的报文驻留时间检测，同时完成IEEE 1588报文修正域的链路时延补偿。

如图1所示，所述工业异构网络中同时存在无线通信链路(A—D，B—F，C—H)和有线通信链路(A—B，A—C，B—E，C—G，D—I，D—G)。网络中节点均为具有IEEE 1588功能的以太网节点，节点A、B、C、D、F、H为添加了ESTW模块的混合节点。节点间无线通信的实现由ESTW模块实现。

如图2所示，所述ESTW模块由YOBTON公司的YBT5N9220以太网卡以及COMPEX公司的WP546HV主板构成。图中虚线箭头所指示的方向为网络中报文传输的方向。ESTW模块的PHY1端口与以太网节点实现有线连接，而其Wi-Fi网卡实现报文的无线传输。

如图3所示为所述ESTW模块的IEEE 1588报文驻留时间检测结构。图中虚线箭头所指示的方向为报文的传输方向。RTL8212芯片的PHY1端口通过RJ45接口与以太网节点相连，PHY2端口通过RJ45接口接ESTW模块的PHY1端口，二者同时通过MII口与FPGA相连。TS1和TS2位置分别为以太网端口和Wi-Fi端口的时间戳选取点，其中TS1的位置在PHY层和MAC层之间的MII接口处，TS2的位置在MAC层之上的驱动层。Wi-Fi端在驱动层实现IEEE 1588报文检测，并将检测结果通过通用输入输出(General Purpose Input Output，GPIO)端口输出。IEEE 1588报文驻留时间检测模块通过检测MII口的报文实现以太网端的IEEE 1588报文检测。结合TS1和TS2位置处的时间戳，IEEE 1588报文驻留时间检测模块计算IEEE 1588报文在ESTW模块中的驻留时间，同时对相应IEEE 1588报文的修正域值进行补偿，实现高精度的链路时延补偿。

如图4和图5所示，为所述IEEE 1588报文的两种封装格式。当报文封装格式为“IEEE 802.3/Ethernet”时，以太网帧类型域的值为0x88f7；当报文承载方式为“UDP/IP”时，其UDP端口号为319/320(319为事件报文，320为普通报文)。同时，IEEE 1588报文的报头messageType域指示报文的类型(0—Sync报文，1—Delay_Req报文，2—Pdelay_Req报文，3—Pdelay_Resp报文，8—Follow_Up报文，9—Delay_Resp报文)。

如图6所示，所述IEEE 1588报文驻留时间检测模块结构包括：IEEE 1588报文检测模块、时钟模块、时间戳寄存器模块、IEEE 1588报文一致性检测模块以及IEEE 1588报文修正域补偿模块。当IEEE 1588报文检测模块检测到PHY1端口的MII接口上有数据的发送或接受时，即通知时钟模块记下该时刻的时间值，继续对数据进行分析，若是IEEE 1588报文中的事件报文，则将该时间值发给时间戳寄存器模块，否则丢弃该数值；同时，由ESTW模块的Wi-Fi端发送来的GPIO信号同样触发时钟模块将当前的时间值发送到时间戳寄存器模块。时间戳寄存器模块通过IEEE 1588报文的sequence ID区分时间戳值。IEEE 1588报文一致性检测模块调取时间戳寄存器的时间戳值，并将差值，即相应IEEE1588报文的驻留时间输出给IEEE 1588报文修正域补偿模块。IEEE 1588报文修正域补偿模块修改相同sequenceID的IEEE 1588报文的修正域correctionField，然后将修正后的报文通过PHY1/PHY2输出。模块中的信号为MII端口信号。各模块的具体步骤如下：

IEEE 1588报文检测模块针对Sync报文、Delay_Req报文、Follow_Up报文、Delay_Resp等报文进行检测。在接受/发送MAC帧时，首先接收/发送的是前导码序列0X55和帧开始符0xD5。当检测到帧开始符时，IEEE 1588报文检测模块即通知时钟模块记录当前时间。针对IEEE 1588报文不同的封装方式，其检测机制如下：

IEEE 802.3/Ethernet封装格式下，若以太网帧类型域的值为0x88f7，则该报文为IEEE802.3/Ethernet封装格式下的IEEE 1588报文，继续分析报文的报头，解析message_type域的值以及报文序列号sequenceID；

UDP/IP协议封装格式下，若以太网帧类型域的值为0x0800，则该报文为IPV4报文；继续检测IPV4报文的类型域，若为0xl1，则上层数据为UDP数据报文，进一步检测UDP的源端口号，若为319或320，则为IEEE 1588报文。最后解析message_type域的值以及报文序列号sequenceID。

最后，将检测结果发送给时钟模块，将报文和检测结果同时发送给IEEE 1588报文修正域补偿模块。

时钟模块由1个32位的ns寄存器和1个48位的s寄存器构成。时钟模块根据IEEE1588报文检测模块的检测结果以及GPIO值将当前的IEEE 1588报文的时间戳值发送给时间戳寄存器模块。

时间戳寄存器模块对时钟模块传送到的时间值进行存储。

PTP报文一致性检测模块的功能主要是调用时间戳寄存器模块的时间值，通过比较时间值的序列号，并求取时间差来获取相应IEEE 1588报文的驻留时间，同时将驻留时间以及序列号sequenceID输出到IEEE 1588报文修正域补偿模块。

IEEE 1588报文修正域补偿模块根据IEEE 1588报文检测模块的报文检测结果以及相应的报文，将sequenceID一致的时间差值，增加到Follow_Up报文和Delay_Resp报文修正域correction_field，然后将报文通过PHY1或PHY2输出。

如图7所示，所诉Wi-Fi端IEEE 1588报文检测主要包括驱动层应用程序的修改，即对AR9220芯片驱动程序中的发送函数和接受函数进行修改。IEEE 1588报文检测过程和IEEE 1588报文检测模块一致。当在发送或接收到IEEE 1588报文时，设置GPIO引脚，触发时钟模块。

Claims

1.一种面向工业异构网络的无线链路时延补偿装置，其特征在于，包括：

ESTW模块，用于实现以太网节点间的无线通信；

ETE模块，用于提供以太网端口处PHY层与MAC层之间的MII端口；

其中，ESTW模块与ETE模块之间通过以太网端口相连，与IEEE 1588报文驻留时间检测和补偿模块之间通过驱动层的GPIO口相连，ETE模块与IEEE 1588报文驻留时间检测和补偿模块之间通过MII端口相连；

所述时钟模块用于提供当前时间信息；

所述时间戳寄存器模块用于完成时间戳信息的存储；

所述IEEE 1588报文修正域补偿模块对报文修正域的值进行修正 ;

2.根据权利要求1所述的面向工业异构网络的无线链路时延补偿装置，其特征在于，所述ESTW模块包括无线网卡以及主板，主板的以太网端口与以太网节点实现有线连接，无线网卡实现报文的无线传输。

3.根据权利要求1所述的面向工业异构网络的无线链路时延补偿装置，其特征在于，所述ETE模块为RTL8212双PHY层芯片。

4.一种面向工业异构网络的无线链路时延补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用FPGA实现ESTW模块的IEEE 1588报文驻留时间检测；

将报文驻留时间加入到相应IEEE 1588报文的修正域中，完成链路时延补偿；

时钟模块根据IEEE 1588报文检测模块的检测结果，决定是否将当前时间发送给时间戳寄存器模块；IEEE 1588报文一致性检测模块调取时间戳寄存器模块的时间信息，并将检测后的信息发送给IEEE 1588报文修正域补偿模块；IEEE 1588报文修正域补偿模块根据IEEE 1588报文一致性检测模块的时间信息以及IEEE 1588报文检测模块的报文信息对相应报文修正域进行补偿。

5.根据权利要求4所述的一种面向工业异构网络的无线链路时延补偿方法，其特征在于，所述IEEE 1588报文驻留时间检测指IEEE 1588报文驻留时间检测和补偿装置通过检测IEEE1588报文在以太网端口位置TS1和Wi-Fi端口位置TS2处的时间戳差值，计算IEEE 1588报文在ESTW模块中的驻留时间。

6.根据权利要求4所述的一种面向工业异构网络的无线链路时延补偿方法，其特征在于，所述将报文驻留时间加入到相应IEEE 1588报文的修正域中，具体为：IEEE 1588报文修正域补偿模块根据IEEE 1588报文检测模块的报文检测结果以及报文sequenceID，将sequenceID一致的时间差值，即相应报文的驻留时间，增加到Follow_Up报文和Delay_Resp报文的修正域correction_field中。

7.根据权利要求4所述的一种面向工业异构网络的无线链路时延补偿方法，其特征在于，所述报文修正域是指IEEE 1588报文的报头correctionField域，在two-step时钟中，Sync报文和Delay_Req报文的该域值为0，Follow_Up报文和Delay_Resp报文的该域值分别为Sync报文和Delay_Req报文在中间节点的转发时延。

8.根据权利要求4所述的一种面向工业异构网络的无线链路时延补偿方法，其特征在于，所述特定IEEE 1588报文包括：Sync报文、Delay_Req报文、Follow_Up报文、Delay_Resp报文。

9.根据权利要求5所述的一种面向工业异构网络的无线链路时延补偿方法，其特征在于，所述Wi-Fi端口IEEE 1588报文检测包括实现Wi-Fi驱动层的IEEE 1588报文检测。