CN110401505A - 一种无线网络精确时间同步方法 - Google Patents
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Abstract
一种无线网络精确时间同步方法，该方法为以主设备的时钟作为基准时钟，主设备以广播或组播的形式或者利用MU‑MIMO技术发送报文给各个从设备，主设备与各个从设备之间通过两次以上交换携带时间信息的报文，各个从设备根据报文携带的时间信息确定从设备与主设备之间的时间偏移，并根据时间偏移调整本地时钟，使各自的时钟均与主设备时间同步。本发明中各从设备便可按照计算所得校准自身的时钟，各自完成与主设备的时间同步，从而实现整个局域网络内所有设备之间的时间同步，本发明中以广播或组播方式，取代传统的点对点的通讯方式，提高了。在无线设备驱动层中完成时间戳，在不需要额外的硬件支持下最大程度地减小不确定抖动和延时的影响，提高同步精度。
Description
技术领域
本发明公开一种无线网络精确时间同步方法，涉及无线通信与工业物联网领域。
背景技术
无线网络技术自推出以来，由于其低成本、易安装等优势，得到了广泛的关注和发展，在各场景的应用也日益增多。然而，在某些领域，如工业控制、测量等领域，对时间同步的精度有极高的要求，精确的时间同步是相关系统能否有效的开展和运行的重要基础，而无线网络的时间同步大都是采用点对点的方式进行时间同步，加之传统的无线时间同步方法同步精度不够，因此在对时间同步的精度有极高的要求的应用场合，仍然不适用无线网络，而必须采用有线网络，使得无线网络无法完全替代有线网络。
目前，有线网络系统中广泛采用的时间同步方式有：网络时间协议(NTP)、GPS和IEEE1588精确时间同步协议(Precision Time Protocol，PTP)等方式，GPS易受环境干扰，对于应用环境要求较高，更适用于开阔、障碍物较少的地区，无法用于室内或水下等环境。且布置GPS装置也会增加额外的成本；NTP仅可以实现毫秒级的时间同步，同步精度不高，难以满足那些需要达到微秒级同步精度或者更加精确的领域的应用要求；IEEE 1588协议提供了一个可以将分布式系统中各节点进行高精度时间同步的机制，硬件时间戳支持下精度可达纳秒级，然而IEEE1588协议是针对有线网络为背景制定，目前市面上支持IEEE1588硬件时间戳的硬件设备集中在以太网网络设备，无线网络设备还并不具备这种硬件支持，无法直接运用于无线网络中。
发明内容
针对上述提到的现有技术中的无线网络的时间同步都是采用点对点方式进行的缺点，本发明提供一种无线网络精确时间同步方法，其同时对整个局域网内覆盖设备进行时间同步，提高了时间同步的速度和效率。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种无线网络精确时间同步方法，该方法为以主设备的时钟作为基准时钟，主设备以广播或组播的形式或者利用MU-MIMO技术发送报文给各个从设备，主设备与各个从设备之间通过两次以上交换携带时间信息的报文，各个从设备根据报文携带的时间信息确定从设备与主设备之间的时间偏移，并根据时间偏移调整本地时钟，使各自的时钟均与主设备时间同步。
本发明解决其技术问题采用的技术方案进一步还包括：
所述的主设备以广播或组播的形式或者利用MU-MIMO技术发送第一报文时，记录时间信息为t1，各个从设备接收到第一报文时，记录各自的时间信息为各个从设备向主设备发送第二报文时，记录各自的时间信息为主设备接收到各个从设备发来的第二报文时，分别记录时间信息为n为从设备编号，主设备向各个从设备发送第三报文。
所述的时间信息t1随第一报文发送给各个从设备，时间信息随第三报文发送给从设备。
所述的时间信息t1和时间信息随第三报文发送给从设备。
所述的主设备向各个从设备发送第三报文以广播或组播的形式发送或者利用MU-MIMO技术发送，或者采用单独发送的形式。
所述的各个从设备向主设备发送第二报文时，按照各个从设备在网络中注册的顺序发送；或者按照IEEE 802.11标准，等待DCF帧间间隔以及随机回退时间后，进行发送。
所述的主设备接收到所有从设备发来的第二报文后，等待短帧间隔时间后，向各个从设备发送第三报文。
所述的主设备以周期性方式向从设备发出时间同步请求报文。
所述的主设备中的时间信息为物理层生成的时间戳、驱动层生成的时间戳或应用层生成的时间戳。
所述的从设备中的时间信息为物理层生成的时间戳、驱动层生成的时间戳或应用层生成的时间戳。
本发明的有益效果是：本发明中各从设备便可按照计算所得校准自身的时钟，各自完成与主设备的时间同步，从而实现整个局域网络内所有设备之间的时间同步，本发明中以广播或组播方式，取代传统的点对点的通讯方式，提高了。本发明中，在无线设备驱动层中完成时间戳，在不需要额外的硬件支持下最大程度地减小不确定抖动和延时的影响，提高同步精度。
下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
附图说明
图1是无线局域网通信系统示意图。
图2是本发明其中一种实施例的全网时间同步过程示意图。
图3是本发明另一实施例的全网时间同步过程示意图。
图4是本发明其中一种实施例的时间同步实现流程图。
图5是时间戳生成点示意图。
图6是本发明另一实施例的时间同步实现流程图。
图7是本发明实施例五和实施例六无线局域网通信系统示意图。
图8是本发明实施例五和实施例六全网时间同步过程示意图。
具体实施方式
本实施例为本发明优选实施方式，其他凡其原理和基本结构与本实施例相同或近似的，均在本发明保护范围之内。
本发明主要为一种无线网络精确时间同步方法，其主要应用于无线网络中，请参看附图1，如图1所示是一个典型的无线局域网(即WLAN)通信系统示意图，无线局域网通信系统按照某种无线通信协议(本实施例中，以IEEE 802.11标准为例)实施，在线局域网通信系统中，通常包含两种类型的设备：无线接入点(即AP，通常作为主设备)和站点(即STA，通常作为从设备)，通常AP作为WLAN的中心节点，是网络的创建者；STA作为终端节点，是WLAN网络的使用者，本实施例中，无线局域网通信系统包括AP(即设备1，本实施例中，以一个AP为例，当存在有一个AP时，以AP作为主设备，当一个局域网中存在有多个主设备时，每次从设备只会在一个AP中注册组网，注册组网时，讲该AP作为主设备，当AP与网络中的从设备完成同步，如果从设备在不同AP之间切换，则各个从设备在与新的AP完成组网后，重新进行同步过程)，作为主设备，为整个局域网提供基准时钟；其余设备则是STA(即设备2、设备3、设备4……设备n)，作为从设备与主设备进行时间同步。
无线网络精确时间同步方法为以主设备的时钟作为基准时钟，主设备以广播或组播的形式或者利用MU-MIMO技术发送报文同时给各个从设备，本实施例中，主设备周期性(本实施例中，发送周期可根据实际情况和需要具体设定，周期设置的越小，可能会有助于提高同步的精度，但也会增大带宽负荷；周期设置的太大，可能会影响到同步精度，一般周期可设置为1s。)地向从设备发起时间同步请求，即主设备周期性地以广播或组播的形式或者利用MU-MIMO技术向各个从设备发送第一报文(通常为时间同步请求报文，即Sync报文)，记录发送时间(本实施例中为发送时间戳)为t1，各个从设备接收到第一报文时，分别记录接收时间(本实施例中为接收时间戳)为各个从设备按照一定顺序(本实施例中，按照各个从设备在网络中注册的顺序发送，或者按照IEEE 802.11标准，等待DCF帧间间隔以及随机回退时间后发送)分别向主设备发送第二报文(本实施例中为Delay_Req报文)，或者各个从设备依据MU-MIMO技术同时向主设备发送第二报文，从设备记录相应的发送时间(本实施例中为发送时间戳)为主设备接收到第二报文(本实施例中为Delay_Req报文)时，记录接收各个从设备报文接收时间(本实施例中为接收时间戳)为n为从设备编号，主设备向各个从设备发送第三报文(本实施例中为Delay_Resp报文)，本实施例中，主设备接收到第二报文后，等待设定时间(本实施例中，等待短帧间隔时间)后，向各个从设备发送第三报文，第三报文中包含有接收时间t4信息。由于每次时间同步时，每个从设备与主设备之间的时间偏移offset和传输延时delay都几乎是一定的(误差可以忽略不计)，所以，每次同步时根据各个从设备根据数据报文携带的时间信息(本实施例中为时间戳数据)确定从设备与主设备之间的时间偏移，并根据时间偏移调整本地时钟，使各个从设备中各自的时钟均与主设备时间同步。
本实施例中，可采用时间戳t1随第一报文发送给各个从设备，时间戳随第三报文发送给从设备的发送方式；具体实施时，也可以采用时间戳t1和时间戳都随第三报文发送给从设备的方式。
本实施例中，主设备向各个从设备发送第三报文采用组播或广播的形式或者利用MU-MIMO技术发送，或者也可以采用单独发送的形式。
所述的主设备中的时间戳生成可在物理层，也可以在驱动层或应用层。
所述的从设备中的时间戳生成可在物理层，也可以在驱动层或应用层。
本实施例中，采用精确时间同步协议硬件时间戳方式来完成时，发送报文时在接近物理层的位置生成时间戳并随报文实时发送，可实现极高精度的时间同步，硬件时间戳最为精确，可达纳秒级的同步，但是需要硬件支持。
本实施例中，在驱动层生成时间戳，可以在驱动中调用无线设备中嵌入式操作系统内核的时间API(即时间接口)中的时间作为时间戳，无线设备中嵌入式操作系统自带的时间生成机制为开源代码。本实施例中，优选为在驱动层中生成时间戳。
本实施例中，在应用层生成时间戳，即在数据报文封包时，读取时间戳信息。
本发明时间同步方法中，生成时间戳的精确与否将在很大程度上影响时间同步精度。请参看附图5，时间戳的生成位置如图5所示，分为硬件时间戳和软件时间戳两种。在越接近物理层的位置生成时间戳，时间戳会越精准，同步精度也就越高。
本实施例中，时间戳不必实时随报文发送，虽然时间戳不必实时生成发送，若仅在应用层完成时间戳，会不可避免的引入操作系统和协议栈的延时和抖动，将极大地影响时间戳的精度(通常应用层软件时间戳的精度是几毫秒至几十毫秒)，因此，为保证时间戳的精准，在本实施例中，可选择在无线设备驱动层中完成时间戳，在不需要额外的硬件支持下最大程度地减小不确定抖动和延时的影响，提高同步精度(时间戳的精度可达到微秒级)。
下面将以几个具体实例，对本发明进行具体说明：
实施例一：请结合参看附图3和附图6，本实施例中，无线网络精确时间同步方法包括下述步骤：
步骤S1、主设备周期性地发起时间同步请求，在每一次时间同步过程中，主设备向局域网络以广播或组播发送Sync报文，并记录发送时间t1(本实施例中为发送时间戳时间)，本实施例中，该时间戳t1优选采用硬件时间戳，也可以采用驱动层生成的时间戳或软件时间戳；
步骤S2、网络中的各个从设备分别在接收到Sync报文时记录接收时间(本实施例中为接收时间戳时间)，本实施例中，该时间戳优选采用硬件时间戳，也可以采用驱动层生成的时间戳或软件时间戳；
步骤S3、各从设备按照一定的顺序(本实施例中，可采用在网络中注册的顺序，或者例如按照IEEE 802.11标准，等待DCF帧间间隔(DIFS)以及随机回退(backoff)时间后)向主设备发送Delay_Req报文，并记录各个从设备各自的发送时间(本实施例中为发送时间戳时间)；
步骤S4、主设备记录接收到各Delay_Req报文的时间(本实施例中为接收时间戳时间)，并等待一段时间(例如等待短帧间隔(SIFS))之后向相应的从设备回复Delay_Resp报文，Delay_Resp报文中包含有时间戳t1以及本实施例中，时间戳t1以及随Delay_Req报文一起发送，当其采用硬件时间戳或在驱动层生成的时间戳时，可避免在封包时引入的延时和抖动；
步骤S5、各从设备获得了相应的四个时间戳t1、和后便可计算出与主设备之间的时间偏差offset和传输延时delay，如下式：
(1)t2-t1＝offset+delay
(2)t4-t3＝-offset+delay
各从设备再根据计算所得的时间偏移offset调整自身的时钟，与主设备完成同步，即可实现主、从设备之间的时间同步，进而实现整个局域网络内所有设备之间的时间同步。
实施例二：请结合参看附图2和附图6，本实施例中，无线网络精确时间同步方法包括下述步骤：
步骤S1、主设备周期性地发起时间同步请求，在每一次时间同步过程中，主设备向局域网络以广播或组播发送Sync报文，并记录发送时间t1(本实施例中为发送时间戳时间)，本实施例中，该时间戳t1优选采用硬件时间戳，也可以采用驱动层生成的时间戳或软件时间戳；
步骤S2、网络中的各个从设备分别在接收到Sync报文时记录接收时间(本实施例中为接收时间戳时间)，本实施例中，该时间戳优选采用硬件时间戳，也可以采用驱动层生成的时间戳或软件时间戳；
步骤S3、各从设备按照一定的顺序(本实施例中，可采用在网络中注册的顺序，或者例如按照IEEE 802.11标准，等待DCF帧间间隔(DIFS)以及随机回退(backoff)时间后)向主设备发送Delay_Req报文，并记录各个从设备各自的发送时间(本实施例中为发送时间戳时间)；
步骤S4、主设备记录接收到各Delay_Req报文的时间(本实施例中为接收时间戳时间)，并等待一段时间(例如等待短帧间隔(SIFS))之后向所有从设备广播或组播发送Delay_Resp报文，Delay_Resp报文中包含有时间t1和本实施例中，时间戳t1以及随Delay_Req报文一起发送，当其采用硬件时间戳或在驱动层生成的时间戳时，可避免在封包时引入的延时和抖动；
步骤S5、各个从设备接收并获得了相应的四个时间戳t1、和后便可计算出与主设备之间的时间偏差offset和传输延时delay，如下式：
(1)t2-t1＝offset+delay
(2)t4-t3＝-offset+delay
各从设备再根据计算所得的时间偏移offset调整自身的时钟，与主设备完成同步，即可实现主、从设备之间的时间同步，进而实现整个局域网络内所有设备之间的时间同步。
实施例三：请结合参看附图3和附图4，本实施例中，无线网络精确时间同步方法包括下述步骤：
步骤S1、主设备周期性地发起时间同步请求，在每一次时间同步过程中，主设备向局域网络以广播或组播发送Sync报文，并记录发送时间t1(本实施例中为发送时间戳时间)，发送时间t1随Sync报文一起发送，本实施例中，该时间戳t1优选采用硬件时间戳，也可以采用驱动层生成的时间戳或软件时间戳；
步骤S2、网络中的各个从设备分别在接收到Sync报文时记录接收时间(本实施例中为接收时间戳时间)，本实施例中，该时间戳优选采用硬件时间戳，也可以采用驱动层生成的时间戳或软件时间戳；
步骤S3、各从设备按照一定的顺序(本实施例中，可采用在网络中注册的顺序，或者例如按照IEEE 802.11标准，等待DCF帧间间隔(DIFS)以及随机回退(backoff)时间后)向主设备发送Delay_Req报文，并记录各个从设备各自的发送时间(本实施例中为发送时间戳时间)；
步骤S4、主设备记录接收到各Delay_Req报文的时间(本实施例中为接收时间戳时间)，并等待一段时间(例如等待短帧间隔(SIFS))之后向相应的从设备回复Delay_Resp报文，Delay_Resp报文中包含有时间
步骤S5、各从设备获得了相应的四个时间戳t1、和后便可计算出与主设备之间的时间偏差offset和传输延时delay，如下式：
(1)t2-t1＝offset+delay
(2)t4-t3＝-offset+delay
各从设备再根据计算所得的时间偏移offset调整自身的时钟，与主设备完成同步，即可实现主、从设备之间的时间同步，进而实现整个局域网络内所有设备之间的时间同步。
实施例四：请结合参看附图2和附图4，本实施例中，无线网络精确时间同步方法包括下述步骤：
步骤S1、主设备周期性地发起时间同步请求，在每一次时间同步过程中，主设备向局域网络以广播或组播发送Sync报文，并记录发送时间t1(本实施例中为发送时间戳时间)，发送时间t1随Sync报文一起发送，本实施例中，该时间戳t1优选采用硬件时间戳，也可以采用驱动层生成的时间戳或软件时间戳；
步骤S2、网络中的各个从设备分别在接收到Sync报文时记录接收时间(本实施例中为接收时间戳时间)，本实施例中，该时间戳优选采用硬件时间戳，也可以采用驱动层生成的时间戳或软件时间戳；
步骤S3、各从设备按照一定的顺序(本实施例中，可采用在网络中注册的顺序，或者例如按照IEEE 802.11标准，等待DCF帧间间隔(DIFS)以及随机回退(backoff)时间后)向主设备发送Delay_Req报文，并记录各个从设备各自的发送时间(本实施例中为发送时间戳时间)；
步骤S4、主设备记录接收到各Delay_Req报文的时间(本实施例中为接收时间戳时间)，并等待一段时间(例如等待短帧间隔(SIFS))之后向所有从设备广播或组播发送Delay_Resp报文，Delay_Resp报文中包含有时间
步骤S5、各从设备获得了相应的四个时间戳t1、和后便可计算出与主设备之间的时间偏差offset和传输延时delay，如下式：
(1)t2-t1＝offset+delay
(2)t4-t3＝-offset+delay
各从设备再根据计算所得的时间偏移offset调整自身的时钟，与主设备完成同步，即可实现主、从设备之间的时间同步，进而实现整个局域网络内所有设备之间的时间同步。
实施例五：请结合参看附图6、附图7和附图8，本实施例中，无线网络精确时间同步方法包括下述步骤：
步骤S1、主设备周期性地发起时间同步请求，在每一次时间同步过程中，主设备向局域网络以MU-MIMO(Multi-User Multiple-Input Multiple-Output，即多用户多输入多输出，是802.11ac Wave 2以及802.11ax标准提出最重要的特性之一，主设备和从设备都支持MU-MIMO技术的情况下则可以使此技术发送时间同步报文)方式发送Sync报文，并记录发送时间t1(本实施例中为发送时间戳时间)，本实施例中，该时间戳t1优选采用硬件时间戳，也可以采用驱动层生成的时间戳或软件时间戳；
步骤S2、网络中的各个从设备分别在接收到Sync报文时记录接收时间(本实施例中为接收时间戳时间)，本实施例中，该时间戳优选采用硬件时间戳，也可以采用驱动层生成的时间戳或软件时间戳；
步骤S3、各从设备等待一段时间，例如等待短帧间隔(SIFS)或等待DCF帧间间隔(DIFS)以及随机回退(backoff)时间后以MU-MIMO技术同时向主设备发送Delay_Req报文，并记录各个从设备各自的发送时间(本实施例中为发送时间戳时间)；
步骤S4、主设备记录接收到各Delay_Req报文的时间(本实施例中为接收时间戳时间)，并等待一段时间(例如等待短帧间隔(SIFS))之后以MU-MIMO技术向所有从设备回复Delay_Resp报文，Delay_Resp报文中包含有时间戳t1以及本实施例中，时间戳t1以及随Delay_Req报文一起发送，当其采用硬件时间戳或在驱动层生成的时间戳时，可避免在封包时引入的延时和抖动；
步骤S5、各从设备获得了相应的四个时间戳t1、和后便可计算出与主设备之间的时间偏差offset和传输延时delay，如下式：
(1)t2-t1＝offset+delay
(2)t4-t3＝-offset+delay
各从设备再根据计算所得的时间偏移offset调整自身的时钟，与主设备完成同步，即可实现主、从设备之间的时间同步，进而实现整个局域网络内所有设备之间的时间同步。
实施例六：请结合参看附图4、附图7和附图8，本实施例中，无线网络精确时间同步方法包括下述步骤：
步骤S1、主设备周期性地发起时间同步请求，在每一次时间同步过程中，主设备向局域网络以MU-MIMO(Multi-User Multiple-Input Multiple-Output，即多用户多输入多输出，是802.11ac Wave 2以及802.11ax标准提出最重要的特性之一，主设备和从设备都支持MU-MIMO技术的情况下则可以使此技术发送时间同步报文)方式发送Sync报文，并记录发送时间t1(本实施例中为发送时间戳时间)，发送时间t1随Sync报文一起发送，本实施例中，该时间戳t1优选采用硬件时间戳，也可以采用驱动层生成的时间戳或软件时间戳；
步骤S2、网络中的各个从设备分别在接收到Sync报文时记录接收时间(本实施例中为接收时间戳时间)，本实施例中，该时间戳优选采用硬件时间戳，也可以采用驱动层生成的时间戳或软件时间戳；
步骤S3、各从设备等待一段时间，例如等待短帧间隔(SIFS)或等待DCF帧间间隔(DIFS)以及随机回退(backoff)时间后以MU-MIMO技术同时向主设备发送Delay_Req报文，并记录各个从设备各自的发送时间(本实施例中为发送时间戳时间)；
步骤S4、主设备记录接收到各Delay_Req报文的时间(本实施例中为接收时间戳时间)，并等待一段时间(例如等待短帧间隔(SIFS))之后以MU-MIMO技术向所有从设备回复Delay_Resp报文，Delay_Resp报文中包含有时间
步骤S5、各从设备获得了相应的四个时间戳t1、和后便可计算出与主设备之间的时间偏差offset和传输延时delay，如下式：
(1)t2-t1＝offset+delay
(2)t4-t3＝-offset+delay
各从设备再根据计算所得的时间偏移offset调整自身的时钟，与主设备完成同步，即可实现主、从设备之间的时间同步，进而实现整个局域网络内所有设备之间的时间同步。
以上所述实施例仅为本发明较佳的实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员可对本申请所述的各实施例进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、等同替换或改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种无线网络精确时间同步方法，其特征是：所述的方法为以主设备的时钟作为基准时钟，主设备以广播或组播的形式或者利用MU-MIMO技术发送报文给各个从设备，主设备与各个从设备之间通过两次以上交换携带时间信息的报文，各个从设备根据报文携带的时间信息确定从设备与主设备之间的时间偏移，并根据时间偏移调整本地时钟，使各自的时钟均与主设备时间同步。
2.根据权利要求1所述的无线网络精确时间同步方法，其特征是：所述的主设备以广播或组播的形式或者利用MU-MIMO技术发送第一报文时，记录时间信息为t1，各个从设备接收到第一报文时，记录各自的时间信息为各个从设备向主设备发送第二报文时，记录各自的时间信息为主设备接收到各个从设备发来的第二报文时，分别记录时间信息为n为从设备编号，主设备向各个从设备发送第三报文。
3.根据权利要求2所述的无线网络精确时间同步方法，其特征是：所述的时间信息t1随第一报文发送给各个从设备，时间信息随第三报文发送给从设备。
4.根据权利要求2所述的无线网络精确时间同步方法，其特征是：所述的时间信息t1和时间信息随第三报文发送给从设备。
5.根据权利要求2所述的无线网络精确时间同步方法，其特征是：所述的主设备向各个从设备发送第三报文以广播或组播的形式或者利用MU-MIMO技术发送，或者采用单独发送的形式。
6.根据权利要求2所述的无线网络精确时间同步方法，其特征是：所述的各个从设备向主设备发送第二报文时，按照各个从设备在网络中注册的顺序发送；或者按照IEEE 802.11标准，等待DCF帧间间隔以及随机回退时间后，进行发送。
7.根据权利要求2所述的无线网络精确时间同步方法，其特征是：所述的主设备接收到所有从设备发来的第二报文后，等待短帧间隔时间后，向各个从设备发送第三报文。
8.根据权利要求1所述的无线网络精确时间同步方法，其特征是：所述的主设备以周期性方式向从设备发出时间同步请求报文。
9.根据权利要求1所述的无线网络精确时间同步方法，其特征是：所述的主设备中的时间信息为物理层生成的时间戳、驱动层生成的时间戳或应用层生成的时间戳。
10.根据权利要求1所述的无线网络精确时间同步方法，其特征是：所述的从设备中的时间信息为物理层生成的时间戳、驱动层生成的时间戳或应用层生成的时间戳。
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