CN114050884B - 一种面向工业无线与tsn融合的跨网时间同步方法 - Google Patents

一种面向工业无线与tsn融合的跨网时间同步方法 Download PDF

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CN114050884B CN202111323593.1A CN202111323593A CN114050884B CN 114050884 B CN114050884 B CN 114050884B CN 202111323593 A CN202111323593 A CN 202111323593A CN 114050884 B CN114050884 B CN 114050884B
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Abstract

本发明涉及一种面向工业无线与TSN融合的跨网时间同步方法，属于工业互联网领域，包括以下步骤：S1：边界网关的TSN模块以从时钟状态与TSN网络2的TSN交换机进行时钟同步；S2：在边界网关内部，TSN模块作为工业无线模块的主时钟，工业无线模块通过串口与TSN模块进行时钟同步；S3：工业无线网络中的路由设备以从时钟状态和边界网关的工业无线模块通过信标帧同步方式进行时钟同步，同时路由设备又作为节点设备的主时钟，对节点设备进行时钟同步；S4：终端侧转换节点以从时钟状态和工业无线网络的节点设备之间使用免时间戳同步方式进行时钟同步，最后TSN网络1的TSN交换机以从时钟状态和终端侧转换节点进行同步。

Description

一种面向工业无线与TSN融合的跨网时间同步方法
技术领域
本发明属于工业互联网领域，涉及一种面向工业无线与TSN融合的跨网时间同步方法。
背景技术
传统制造工厂其工业控制网络、管理网络等内网可认为是封闭网络，外界无法访问，而随着智能制造的发展与应用推广，需要内部网络与外部网络进行互联互通；同时在旋转类机械装备、老旧工厂升级改造布线不方便和油气管线等生产现场距离过远等工业场景必须采用无线通信技术；更多工业互联用例如机器与机器交互协同、工厂物流、大型制造装备远程维护和AR/VR等则需要无线通信来满足其高效性需求和各方面性能指标。目前，包括有线和无线技术在内的融合网络研究已有一定基础并开始在自动化系统、智能城市和家庭区域网络中广泛部署。一方面有线网络由于拓扑稳定性和更小的数据包丢失率而具有更高的可靠性和性能；另一方面在空间范围移动性、能耗、数据吞吐量、及时性、可靠性和其他特征方面网络连接性要求各不相同，因此有必要结合有线和无线网络技术来为工厂网络提供所需的服务质量。
工业控制业务需要由具有确定时延及可靠保障的网络承载，TSN因具有确定时延转发能力且兼容以太网协议而受到广泛关注。然而，有线TSN不能满足海量传感器及AGV等新型设备在智能工厂的广泛部署需求，工业无线网络与TSN协同传输成为工业与自动化领域的研究热点。
时钟同步是指将系统中设备的时钟与某一特定的时间信息源之间的偏差限定在一定范围之内的过程，是分布式系统中尤为重要的技术，其目的是通过确保任意两个节点之间的有限最大偏移来建立具有预定义精度的全局时间概念。特别是在工业控制网络中，网络中的许多基本操作如对象跟踪、确定性调度以及资源管理等都离不开时钟同步，这意味着网络中的所有节点需要共享一个统一的时间尺度。
当工厂网络将无线网络和有线网络这两种不同通信协议的网络相融合时，如何进行跨网时间同步就成为了一个具有挑战的问题。目前国内外对跨网时间同步的研究还比较少。由于工业异构网络对实时性、低延迟等特征的高要求，直接采用已有的方法满足不了新型工业异构网络的诸多需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于有效地进行跨网时间同步，以异构网络为对象，通过IEEE 802.1AS、信标帧同步、免时间戳同步等同步方式同时结合统计学算法，研究异构网络中同步节点之间的时间建模和时间误差补偿模型，提高跨网时间同步精度。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种面向工业无线与TSN融合的跨网时间同步方法，包括以下步骤：
S1：边界网关的TSN模块以从时钟状态与TSN网络2的TSN交换机进行时钟同步；
S2：在边界网关内部，TSN模块作为工业无线模块的主时钟，工业无线模块通过串口与TSN模块进行时钟同步，从而将时间信息从TSN网络1转发到工业无线网络；
S3：工业无线网络中的路由设备以从时钟状态和边界网关的工业无线模块通过信标帧同步方式进行时钟同步，同时路由设备又作为节点设备的主时钟，对节点设备进行时钟同步，从而确保工业无线网络的时钟同步；
S4：终端侧转换节点以从时钟状态和工业无线网络的节点设备之间使用免时间戳同步方式进行时钟同步，不依赖于专门的同步协议，仅跟随现有网络数据流完成同步参数估计，以此将时间信息从工业无线网络转发到TSN网络1。随后TSN网络1的TSN交换机以从时钟状态和终端侧转换节点完成时钟同步。
进一步，步骤S1中，具体包括以下步骤：
S11：从时钟利用对等延迟测量机制获取时间戳t1、t2、t3、t4；
S12：从时钟求取主从时钟的链路延迟；
S13：从时钟求取处理时间记为time_process；
S14：将链路延迟和处理时间之和记为Δ1。
进一步，步骤S1中，利用延迟测量机制测量主从时钟间的链路延迟，从时钟和主时钟之间通过交换延迟请求报文Delay_rep和延迟响应报文Delay_resp来获取相应的时间戳，Delay_resp(t2)表示主时钟在t3时刻回复给从时钟的延迟响应报文中携带了t2这个时刻；Follow_up_delay_resp(t3)表示主时钟发送给从时钟的跟随延迟响应报文中携带了t3这个时刻；在Follow_up_delay_resp消息发送后，从时钟接收到时间戳t1、t2、t3、t4；从时钟和主时钟之间的链路延迟delay_resp计算如表达式(1)所示：
Figure BDA0003342833050000021
处理时间即为本地时间，是主时钟接收时间同步事件消息与主时钟发送下一个后续时间同步事件消息之间的时间间隔的持续时间，处理时间记为time_process，此处即为t3；
将链路延迟和处理时间之和记为Δ1＝delay_resp+time_process。
进一步，边界网关包含一个工业无线模块和一个TSN模块，使用SLIP协议对IP数据包进行封装，通过SLIP串口来保证数据传输的透明性，使得数据在两网之间无缝连接。
进一步，步骤S2中，TSN模块时钟输出的同步脉冲信号为1PPS脉冲，工业无线模块通过检测TSN模块时钟输出的同步脉冲信号来调整自己的本地时间；包括以下步骤：
S21：TSN模块将自身的初始时钟T0通过串口发送给工业无线模块，工业无线模块根据此时间设置自己的本地初始时间local_time0；
S22：启动中断程序开始检测TSN模块输出的1PPS脉冲信号，工业无线模块每检测到1次1PPS信号，记接收到1PPS信号的时间为local_time1；
S23：工业无线模块对自己的本地时钟进行一次校正；
假设工业无线模块在local_time2时刻进行校正，则校正后的时间local_time满足以下表达式：
local_time0＝T0+S/R                 (2)
local_time＝local_time2+N-local_time1    (3)
其中，S表示串口报文长度，R表示串口波特率，N表示工业无线模块接收到的脉冲个数。
进一步，步骤S3中，将工业无线模块记为A，路由设备记为P1，节点设备记为P2。
节点A向节点P1发送时间消息的时刻到节点P1接收到该消息的时刻为节点A和节点P1之间交互的一个同步周期，节点A和节点P1间的这种过程重复N次产生N个同步周期；在每次两节点进行时间信息的单向交互后(即一个同步周期)，节点P1通过时间戳信息计算出时钟频率偏移进行调整；
节点P1调整后，又向节点P2发送时间消息，节点P1向节点P2发送时间消息的时刻到节点P2接收到该消息的时刻为节点P1和节点P2之间交互的一个同步周期，节点P1和节点P2间的这种过程重复N次产生N个同步周期；在每次两节点进行时间信息的单向交互后(即一个同步周期)，节点P2通过时间戳信息计算出时钟频率偏移进行调整。
参考节点A和第一层节点P1。在节点A和节点P1的第一个同步周期，节点A将其当前的时间信息
Figure BDA0003342833050000031
发送给节点P1，由P1记录的接收时间
Figure BDA0003342833050000032
表示为：
Figure BDA0003342833050000033
式中，
Figure BDA0003342833050000034
表示节点P1在t0时刻相对于参考节点A的初始时钟偏移；
Figure BDA0003342833050000035
表示节点P1相对于参考节点A的时钟频率偏移；
Figure BDA0003342833050000036
表示时间信息收发过程中产生的固定时延，取值范围(1ms～10ms)；
Figure BDA0003342833050000041
表示时间信息收发过程中产生的随机时延；
Figure BDA0003342833050000042
表示时间信息收发过程中由于频率偏移而积累的同步误差；
进而，在节点A和节点P1的第一个同步周期参考节点A和待同步节点P1之间的收发时间戳的差值
Figure BDA0003342833050000043
表示为：
Figure BDA0003342833050000044
Figure BDA0003342833050000045
为P1第一个周期的校正时刻。随后节点P1在
Figure BDA0003342833050000046
时刻利用差值
Figure BDA0003342833050000047
来调整自己的本地时钟，P1调整后的时间用
Figure BDA0003342833050000048
表示，且有
Figure BDA0003342833050000049
从初始时间t0到校正时刻
Figure BDA00033428330500000410
这段时间内，节点A和节点P1之间的真实时钟偏差
Figure BDA00033428330500000411
为：
Figure BDA00033428330500000412
由公式(7)-(5)得节点P1调整后新的时钟偏移量
Figure BDA00033428330500000413
为：
Figure BDA00033428330500000414
在节点A和节点P1的第二个同步周期，节点A将其当前的时间信息
Figure BDA00033428330500000415
发送给节点P1，节点P1记录的接收时间
Figure BDA00033428330500000416
表示为：
Figure BDA00033428330500000417
其中，
Figure BDA00033428330500000418
为节点A和节点P1的第二个同步周期时间信息收发过程中产生的随机时延。
进而，在节点A和节点P1的第二个同步周期，参考节点A和节点P1的收发时间戳的差值
Figure BDA00033428330500000419
表示为：
Figure BDA00033428330500000420
设P1在第一个同步周期调整后的时间为
Figure BDA00033428330500000421
该时刻对应的节点A的时间为
Figure BDA00033428330500000422
此时由于节点P1刚刚调整本地时间，节点A和节点P1的时间很接近，因此设
Figure BDA00033428330500000423
公式(10)变为：
Figure BDA00033428330500000424
将
Figure BDA0003342833050000051
和
Figure BDA0003342833050000052
代入到公式(11)得：
Figure BDA0003342833050000053
从
Figure BDA0003342833050000054
到
Figure BDA0003342833050000055
这段时间内(即节点A和节点P1的第二个同步周期)，节点A和节点P1之间的真实时钟偏差
Figure BDA0003342833050000056
为：
Figure BDA0003342833050000057
其中
Figure BDA0003342833050000058
为P1在节点A和节点P1的第二个周期的校正时刻。
由公式(13)-(12)得节点P1在第二次调整后新的时钟偏移量
Figure BDA0003342833050000059
为：
Figure BDA00033428330500000510
在节点A和节点P1的第i个同步周期，得到参考节点A和节点P1的收发时间戳的差值
Figure BDA00033428330500000511
为：
Figure BDA00033428330500000512
其中，
Figure BDA00033428330500000513
为节点A和节点P1的第i个周期时间信息收发过程中产生的随机时延。
节点P1在第i次调整后新的时钟偏移量
Figure BDA00033428330500000514
为：
Figure BDA00033428330500000515
为了使计算更为简化，公式(15)化为如下表达式：
Figure BDA00033428330500000516
令
Figure BDA00033428330500000517
因为随机时延
Figure BDA00033428330500000518
和
Figure BDA00033428330500000519
可以看作是均值相同并服从高斯分布的随机变量，易知Qi也是服从高斯分布的随机变量，即Qi～(0，δ2)；使用最大似然估计方法对频率偏移
Figure BDA00033428330500000520
进行估计，公式(17)基于观测量
Figure BDA00033428330500000521
的对数似然函数表示为：
Figure BDA00033428330500000522
对
Figure BDA00033428330500000523
求偏导并令其为0有：
Figure BDA00033428330500000524
得其解为：
Figure BDA0003342833050000061
P1仅需要获取式(19)中的参数，即可估算出
Figure BDA0003342833050000062
通过选取适当的
Figure BDA0003342833050000063
值即可调整
Figure BDA0003342833050000064
使节点P1和节点A的频率逐步接近从而完成P1和A的时间同步。
进一步，步骤S3中，第一层节点P1和第二层节点P2。节点P1收到来自参考节点A的时间信息后，根据时间戳计算调整自己的本地时钟后又作为节点P2的参考节点。同样地节点P2以节点P1为参考节点，节点P1向节点P2发送时间信息；
在节点P1和节点P2的第一个同步周期，节点P1将其当前的时间信息
Figure BDA0003342833050000065
发送给节点P2，节点P2收到节点P1发送的时间信息的时间记为
Figure BDA0003342833050000066
表示为：
Figure BDA0003342833050000067
式中，
Figure BDA0003342833050000068
表示节点P2在t0时刻相对于参考节点P1的初始时钟偏移；
Figure BDA0003342833050000069
表示节点P2相对于参考节点P1的时钟频率偏移；
Figure BDA00033428330500000610
表示时间信息收发过程中产生的固定时延，取值范围(1ms～10ms)；
Figure BDA00033428330500000611
表示时间信息收发过程中产生的随机时延；
Figure BDA00033428330500000612
Figure BDA00033428330500000613
表示时间信息收发过程中由于频率偏移而积累的同步误差；
在节点P1和节点P2的第一个同步周期节点P1和节点P2的收发时间戳差值
Figure BDA00033428330500000614
为：
Figure BDA00033428330500000615
Figure BDA00033428330500000616
为P2节点P1和节点P2的第一个同步周期的校正时刻。然后节点P2在
Figure BDA00033428330500000617
时刻利用时间戳差值
Figure BDA00033428330500000618
调整本地时钟，调整后的本地时间用
Figure BDA00033428330500000619
表示，且有
Figure BDA00033428330500000620
Figure BDA00033428330500000621
从初始时刻到校正时刻这段时间内，节点P1和节点P2之间的真实时钟偏差
Figure BDA00033428330500000622
为：
Figure BDA00033428330500000623
由公式(22)-(21)得节点P2在节点P1和节点P2的第一个同步周期调整后新的时钟偏移量
Figure BDA00033428330500000624
为：
Figure BDA00033428330500000625
在节点P1和节点P2的第二个同步周期，参考节点P1需要在每个周期内利用节点A和节点P1在第一个同步周期的收发时间戳的差值
Figure BDA00033428330500000626
来校正自己的本地时钟，所以对于节点P2和P1，在第二个同步周期其收发时间戳的差值
Figure BDA0003342833050000071
表示为：
Figure BDA0003342833050000072
其中
Figure BDA0003342833050000073
为节点P1和节点P2的第二个同步周期节点P1向节点P2发送同步消息的发送时间；
Figure BDA0003342833050000074
为节点P1和节点P2的第二个同步周期节点P2接收到同步消息的接收时间；
Figure BDA0003342833050000075
为节点P1和节点P2的第二个同步周期时间信息收发过程中产生的随机时延；
将
Figure BDA0003342833050000076
和
Figure BDA0003342833050000077
代入式(24)得在节点P1和节点P2的第二个同步周期节点P1和节点P2的收发时间戳差值
Figure BDA0003342833050000078
为：
Figure BDA0003342833050000079
其中
Figure BDA00033428330500000710
表示在节点P1和节点P2的第一个同步周期节点P2收到节点P1发送的时间信息的接收时间；
Figure BDA00033428330500000711
表示在节点A和节点P1的第一个同步周期节点P1收到节点A发送的时间信息的接收时间；
Figure BDA00033428330500000712
表示在节点A和节点P1的第一同步个周期节点A向节点P1发送时间消息的发送时间。
Figure BDA00033428330500000713
为P2在节点P1和节点P2的第二个周期的校正时刻。然后节点P2在
Figure BDA00033428330500000714
时刻利用时间戳差值
Figure BDA00033428330500000715
调整本地时钟，调整后的时间用
Figure BDA00033428330500000716
表示，且有
Figure BDA00033428330500000717
Figure BDA00033428330500000718
在节点P1和节点P2的第一个同步周期节点P2在
Figure BDA00033428330500000719
时刻调整后的时间为
Figure BDA00033428330500000720
此时间对应的时刻到本次校正时刻
Figure BDA00033428330500000721
这段时间内，节点P2相较于P1之间真实的时钟偏差
Figure BDA00033428330500000722
为：
Figure BDA00033428330500000723
由公式(26)-(25)得节点P2在节点P1和节点P2的第二个同步周期调整后的时钟偏移量
Figure BDA00033428330500000724
为：
Figure BDA00033428330500000725
其中
Figure BDA00033428330500000726
为节点P1和节点P2的第二个同步周期节点P1向节点P2发送同步消息的发送时间；
Figure BDA00033428330500000727
表示在节点A和节点P1的第一个同步周期节点A和节点P1之间的收发时间戳的差值。
在节点P1和节点P2的第三个同步周期，参考节点P1需要在每个周期内利用节点A和节点P1在第二个同步周期的收发时间戳的差值
Figure BDA0003342833050000081
来校正自己的本地时钟，所以对于节点P2和P1，在节点P1和节点P2的第三个同步周期其收发时间戳的差值
Figure BDA0003342833050000082
表示为：
Figure BDA0003342833050000083
将
Figure BDA0003342833050000084
和
Figure BDA0003342833050000085
代入式(28)得在节点P1和节点P2的第三个同步周期节点P1和节点P2的收发时间戳差值
Figure BDA0003342833050000086
为：
Figure BDA0003342833050000087
其中
Figure BDA0003342833050000088
表示在节点P1和节点P2的第二个同步周期节点P2收到节点P1发送的时间信息的接收时间；
Figure BDA0003342833050000089
表示在节点A和节点P1的第二个同步周期节点P1收到节点A发送的时间信息的接收时间；
Figure BDA00033428330500000810
表示在节点A和节点P1的第二个同步周期节点A向节点P1发送时间消息的发送时间；
Figure BDA00033428330500000811
表示在节点A和节点P1的第一个同步周期节点P1收到节点A发送的时间信息的接收时间；
Figure BDA00033428330500000812
表示在节点A和节点P1的第一个同步周期节点A向节点P1发送时间消息的发送时间。
对于节点P1和节点P2的第i个同步周期，参考节点P1需要在每个周期内利用节点A和节点P1在第i个同步周期的收发时间戳的差值
Figure BDA00033428330500000813
来校正自己的本地时钟，所以对于节点P2和P1，在第i个同步周期其收发时间戳的差值
Figure BDA00033428330500000814
表示为：
Figure BDA00033428330500000815
令
Figure BDA00033428330500000816
其中
Figure BDA00033428330500000817
表示为节点P1和节点P2的第i个同步周期节点P1向节点P2发送同步消息的发送时间；
Figure BDA00033428330500000818
表示在节点P1和节点P2的第i-1个同步周期节点P2收到节点P1发送的时间信息的接收时间；
Figure BDA00033428330500000819
表示在节点P1和节点P2的第i个同步周期时间信息收发过程中产生的随机时延；
Figure BDA00033428330500000820
表示在节点A和节点P1的第i-1个同步周期节点P1收到节点A发送的时间信息的接收时间；
Figure BDA00033428330500000821
表示在节点A和节点P1的第i-1个同步周期节点A向节点P1发送时间消息的发送时间；
Figure BDA00033428330500000822
表示为节点P1和节点P2的第i-j-1个同步周期节点P1向节点P2发送同步消息的发送时间；
Figure BDA0003342833050000091
表示在节点A和节点P1的第i-j-1个同步周期节点A向节点P1发送时间消息的发送时间。
使用最大似然估计方法对频率偏移
Figure BDA0003342833050000092
进行估计，公式(30)基于观测量
Figure BDA0003342833050000093
的对数似然函数表示为：
Figure BDA0003342833050000094
式(31)两边对
Figure BDA0003342833050000095
求偏导有：
Figure BDA0003342833050000096
令式(32)等于0得其解为：
Figure BDA0003342833050000097
P2仅需要获取式(33)中的参数，即可估算出
Figure BDA0003342833050000098
通过选取适当的
Figure BDA0003342833050000099
值即可调整
Figure BDA00033428330500000910
使节点P2和节点P1的频率逐步接近从而完成P2和P1的时间同步。
进一步，步骤S4中，以工业无线网络的节点设备为主时钟，记为M，终端侧转换节点作为从时钟，记为S，节点S周期性地向节点M发送普通数据包，通过控制接收方对发送方的响应时间间隔Δi来隐式地传递同步信息；
在第i个周期发送节点S在
Figure BDA00033428330500000911
时刻向接收节点M发送一个普通数据包，接收节点M在
Figure BDA00033428330500000912
时刻收到该数据包，并且在等待响应时间间隔Δi后，在
Figure BDA00033428330500000913
时刻向发送节点S返回一个响应报文，发送节点S在
Figure BDA00033428330500000914
时刻收到该响应报文，随后记录下收发的本地时刻并存储在本地缓存中，伴随着节点数据包收发过程的重复进行，节点可利用本地缓存的收发时间估计出时钟频率偏移。
进一步，步骤S4中的时间同步次数设为N，有A∈{2，3，4，...N-1}，任取素数P、Q、D，其中N＝P*Q，当(D*E)mod((P-1)*(Q-1))＝1成立，则有Ci＝(Ai EXP D)mod N，其中1＜i＜N，则Ci就是生成的随机数，同时用Ci表示第i次同步过程中接收节点需等待的响应时间间隔Δi。注意，根据RSA算法原理，此处虽然同步N次，但只能得出N-2个同步过程中的响应时间间隔Δi，但当N足够大的时候，同步N-2次和同步N次可视为是一样的。
设fS、fM分别是节点S和节点M的晶振频率，定义节点S相对于节点M的时钟频率偏移
Figure BDA0003342833050000101
第一个同步周期，当节点S在
Figure BDA0003342833050000102
时刻向节点M发送一个普通数据包，节点M收到该数据包的时间
Figure BDA0003342833050000103
表示为下式：
Figure BDA0003342833050000104
其中，
Figure BDA0003342833050000105
表示节点S相对于节点M的初始时钟偏移；d1表示数据包在收发过程中产生的固定时延；X1表示数据包在收发过程中产生的随机时延；
节点M发送响应报文的时间
Figure BDA0003342833050000106
可根据所述RSA算法获得，即
Figure BDA0003342833050000107
节点S收到节点M发送的响应报文的时间记为
Figure BDA0003342833050000108
则：
Figure BDA0003342833050000109
其中，d2是响应报文在传输中的固定时延，且d2＝d1-m，这里m的大小与上行的数据包报文长度和下行的响应报文长度差成正比；Y1是第一个同步周期中下行链路随机时延；
第二个同步周期，节点S在
Figure BDA00033428330500001010
时刻向节点M发送一个普通数据包，节点M在
Figure BDA00033428330500001011
时刻收到该数据包，根据RSA算法得到第二个同步周期的响应时间间隔Δ2的值，此时节点M发送响应报文的时间
Figure BDA00033428330500001012
则：
Figure BDA00033428330500001013
其中，d2是数据包在第二个同步周期数据包收发过程中产生的固定时延；Y2第二个同步周期中下行链路随机时延；
第三个同步周期，节点S在
Figure BDA00033428330500001014
时刻向节点M发送一个普通数据包，节点M在
Figure BDA00033428330500001015
时刻收到该数据包，根据RSA算法得到第三个同步周期的响应时间间隔Δ3的值，此时节点M发送响应报文的时间
Figure BDA00033428330500001016
则：
Figure BDA00033428330500001017
其中，Y3表示第三个同步周期中下行链路随机时延；
第i个同步周期，节点S在
Figure BDA00033428330500001018
时刻向节点M发送一个普通数据包，节点M在
Figure BDA00033428330500001019
时刻收到该数据包，根据RSA算法可得第i个周期的响应时间间隔Δi的值，此时节点M发送响应报文的时间
Figure BDA0003342833050000111
节点S在
Figure BDA0003342833050000112
时刻受到节点M返回的响应报文。可得，
Figure BDA0003342833050000113
Figure BDA0003342833050000114
Δi∈(Δ2，Δ3，...，ΔN-1)         (40)
Figure BDA0003342833050000115
其中Xi表示第i个周期数据包在收发过程中产生的随机时延；Yi表示第i个周期下行链路随机时延。
N-1个同步周期后，发送节点S获得一组本地时间戳对
Figure BDA0003342833050000116
接收节点M获得一组本地时间戳对
Figure BDA0003342833050000117
结合响应时间间隔Δi，利用最大似然估计方法估计出节点间的频率偏移和固定延迟；
用式(39)-(38)可得：
Figure BDA0003342833050000118
因为Xi和Yi是均值为0，方差为σ2的高斯随机分布，令Vi＝Xi+Yi，所以Vi是均值为0，方差为2σ2的高斯随机分布，令
Figure BDA0003342833050000119
则式(42)简化为：
Figure BDA00033428330500001110
其中，
Figure BDA00033428330500001111
则式(43)表示为下列矩阵形式：
Figure BDA00033428330500001112
式(44)关于参数(α，d1，σ2)最大似然函数表示为：
Figure BDA00033428330500001113
对式(45)两边取对数有：
Figure BDA00033428330500001114
对式(46)求关于α的一阶偏导数有：
Figure BDA00033428330500001115
对式(46)求关于d1的一阶偏导数有：
Figure BDA00033428330500001116
令式(47)和式(48)为0，联立求解可得ρ(MS)和d1的最大似然函数为：
Figure BDA0003342833050000121
Figure BDA0003342833050000122
所以，响应报文在传输中的固定时延d2＝d1-m。
在终端侧转换节点和工业无线网络的节点设备完成同步后，TSN网络1的TSN交换机以从时钟状态和终端侧转换节点完成同步，其同步方法和步骤S1一致。
本发明的有益效果在于：本方法在无线网络中将时间同步信息从两级网络扩展到三级网络中，每次同步周期后一级节点的时间调整都要考虑上一级节点的校正量，并且在传统的校正量中加入了固定延迟的影响，同时不需要联合估计频率偏移和时钟偏移，只需单独估计出频率偏移就可以实现与网络多级节点的同步，在优化校正量的同时减少了算法复杂度。同时，本发明通过多级转发时间同步信息的方式，使同步信息由融合网络的主时钟经工业无线网络向从时钟逐级进行传递，完成工业无线网络和TSN网络的跨网时间同步。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明所述面向工业无线与TSN融合的跨网网络架构图；
图2为跨网时间同步方法示意图；
图3为TSN网络同步流程图；
图4为对等延迟测量机制图；
图5为边界网关结构示意图；
图6为校正型时间同步消息交互流程图；
图7为基于RSA算法的免时间戳同步协议。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
随着工业化与信息化的不断融合发展，在实际的工厂网络中，网络大多是由有线和无线网络融合构成的。在这种异构网络中，网络在进行数据融合、能量管理、确定性调度时要求不同网络间的设备具有较强的时序约束关系。如图1所示，本方案创新性的提出了一种面向工业无线与TSN融合的跨网网络架构，此架构把工业无线网络两端TSN化，由两个TSN网络、一个工业无线网络、一个边界网关以及一个终端侧转换节点组成，其中边界网关包含一个工业无线模块和一个TSN模块。TSN网络1和TSN网络2使用相同的协议，工业无线网络和两个TSN网络使用不同的协议。
TSN网络包括TSN终端和TSN交换机；工业无线网络可以是WIA-PA、无线传感器网络、WirelessHART以及5G等无线通信网络；边界网关和终端侧转换节点用来转换工业无线网络和TSN网络之间的协议，起着沟通两网的桥梁作用。
无线和有线混合网络中的非对称延迟是同步过程不准确的主要原因之一，同步精度受不对称延迟的影响，其影响程度取决于计算出的路径延迟的精度。本方案跨网时间同步方法示意图如图2所示。
整个融合网络以TSN网络2的TSN交换机为主时钟，以TSN网络1的TSN交换机为从时钟，时间信息从TSN网络2的TSN交换机经过边界网关、路由设备、节点设备和终端侧转换节点转发到TSN网络1的TSN交换机，主时钟和从时钟之间跨越了工业无线网络。TSN网络和工业无线网络均使用诸如IEEE 802.1AS、信标帧同步等现有较为成熟的时钟同步协议进行同步，不引入额外的协议开销。
首先，边界网关的TSN模块以从时钟状态与TSN网络2的TSN交换机进行时钟同步；然后在边界网关内部，TSN模块又作为工业无线模块的主时钟，工业无线模块通过串口与TSN模块进行时钟同步，从而将时间信息从TSN网络2转发到了工业无线网络。
其次，工业无线网络中的路由设备以从时钟状态和边界网关的工业无线模块通过信标帧同步方式进行时钟同步，同时路由设备又作为节点设备的主时钟，从而确保工业无线网络的时钟同步。
最后，终端侧转换节点以从时钟状态和工业无线网络的节点设备之间使用免时间戳同步方式进行时钟同步，不依赖于专门的同步协议，仅跟随现有网络数据流完成同步参数估计，以此将时间信息从工业无线网络转发到TSN网络1。随后TSN网络1的TSN交换机以从时钟状态和终端侧转换节点完成时钟同步。
通过这样一级一级转发时间同步信息的方式，使同步信息由融合网络的主时钟经工业无线网络向从时钟逐级进行传递，完成工业无线网络和TSN网络的跨网时间同步。
TSN网络时间同步过程中以TSN网络2的TSN交换机为主时钟，边界网关内部的TSN模块为从时钟。考虑到有线网络拓扑结构相对稳定，故在进行TSN网络时间同步过程中主要考虑主从时钟的链路延迟和处理时间，其链路延迟根据IEEE 802.1AS计算，其同步流程图如图3所示。
1)链路延迟测量。利用如图4所示的延迟测量机制测量主从时钟间的链路延迟。
图4中从时钟和主时钟之间通过交换延迟请求报文Delay_rep和延迟响应报文Delay_resp来获取相应的时间戳，图中Delay_resp(t2)表示主时钟在t3时刻回复给从时钟的延迟响应报文中携带了t2这个时刻，同理，Follow_up_delay_resp(t3)表示主时钟发送给从时钟的跟随延迟响应报文中携带了t3这个时刻。在跟随延迟响应报文Follow_up_delay_resp消息发送后，从时钟就接收到t1、t2、t3、t4等时间戳，根据IEEE 802.1AS，从时钟和主时钟之间的链路延迟delay_resp计算如表达式(1)所示：
Figure BDA0003342833050000141
2)处理时间测量。处理时间即为本地时间(此处为主时钟接收时间同步事件消息与主时钟发送下一个后续时间同步事件消息之间的时间间隔的持续时间)。处理时间记为time_process，此处即为t3。
最后将链路延迟和处理时间之和记为Δ1＝delay_resp+time_process。
边界网关结构如图5所示，包含一个工业无线模块和一个TSN模块，为支持WIA-PA等非IP网络的IP化，本方案中使用SLIP协议对IP数据包进行封装，通过SLIP串口来保证数据传输的透明性，使得数据在两网之间无缝连接。
其中TSN模块以从时钟状态同步到TSN网络2的主时钟后，然后又以主时钟状态通过串口通信将时间同步信息转发到工业无线模块，由此将时间信息从TSN网络2转发到了工业无线网络。
TSN模块时钟输出的同步脉冲信号为1PPS脉冲，工业无线模块通过检测TSN模块时钟输出的同步脉冲信号来调整自己的本地时间。
对于两模块之间的时钟同步，首先需要TSN模块将自身的初始时钟T0通过串口发送给工业无线模块，工业无线模块根据此时间设置自己的本地初始时间local_time0，然后启动中断程序开始检测TSN模块输出的1PPS脉冲信号，每检测到1次1PPS信号，记接收到1PPS信号的时间为local_time1，随后对自己的本地时钟进行一次校正。假设工业无线模块在local_time2时刻进行校正，则校正后的时间local_time满足以下表达式：
local_time0＝T0+S/R                     (2)
local_time＝local_time2+N-local_time1                    (3)
其中，S表示串口报文长度；R表示串口波特率；N表示工业无线模块接收到的脉冲个数。
工业无线网络可运行WIA-PA、ISA100.11a、5G或WirelessHART等协议。在以往的同步校正型算法中，往往只通过发送端和接收端时间戳的差值求取频率偏移从而来调整时钟，并没有考虑固定时延带来的误差影响；或是考虑了固定时延的影响，但只在单跳网络中考虑。为了进一步提升节点时钟的校正精度，本文基于单向消息传播的同步机制，在多跳网络中对频率偏移进行估计和补偿，同时在校正量中加入固定时延。同步过程如下：
在此基础上工业无线模块根据上述方法以从时钟状态已同步到TSN网络2，接下来工业无线模块又以主时钟状态将时间同步信息转发到路由设备和节点设备。
整个工业无线网络首先以边界网关内的工业无线模块作为时钟同步的参考节点，工业无线模块将同步信息传递到路由设备，路由根据此信息调整自己的本地时钟；然后路由设备又作为节点设备的时钟的参考节点并将同步信息转发到节点设备，节点设备以此时间同步信息来调整自己的本地时钟。如图6所示，将工业无线模块记为A，路由设备记为P1，节点设备记为P2。
节点A向节点P1发送时间消息的时刻到节点P1接收到该消息的时刻为节点A和节点P1之间交互的一个同步周期，节点A和节点P1间的这种过程重复N次产生N个同步周期；在每次两节点进行时间信息的单向交互后(即一个同步周期)，节点P1通过时间戳信息计算出时钟频率偏移进行调整；
节点P1调整后，又向节点P2发送时间消息，节点P1向节点P2发送时间消息的时刻到节点P2接收到该消息的时刻为节点P1和节点P2之间交互的一个同步周期，节点P1和节点P2间的这种过程重复N次产生N个同步周期；在每次两节点进行时间信息的单向交互后(即一个同步周期)，节点P2通过时间戳信息计算出时钟频率偏移进行调整。
1、参考节点A和第一层节点P1
在第一个同步周期，节点A将其当前的时间信息
Figure BDA0003342833050000161
发送给节点P1，由P1记录的接收时间
Figure BDA0003342833050000162
可表示为：
Figure BDA0003342833050000163
式中，
Figure BDA0003342833050000164
表示节点P1在t0时刻相对于参考节点A的初始时钟偏移；
Figure BDA0003342833050000165
表示节点P1相对于参考节点A的时钟频率偏移；
Figure BDA0003342833050000166
表示时间信息收发过程中产生的固定时延，取值范围(1ms～10ms)；
Figure BDA0003342833050000167
表示时间信息收发过程中产生的随机时延；
Figure BDA0003342833050000168
表示时间信息收发过程中由于频率偏移而积累的同步误差。
进而，在第一个同步周期，参考节点A和待同步节点P1之间的收发时间戳的差值
Figure BDA0003342833050000169
可表示为：
Figure BDA00033428330500001610
Figure BDA00033428330500001611
为P1第一个同步周期的校正时刻。节点P1在
Figure BDA00033428330500001612
时刻利用差值
Figure BDA00033428330500001613
来调整自己的本地时钟，P1调整后的时间用
Figure BDA00033428330500001614
表示，且有
Figure BDA00033428330500001615
从初始时间t0到校正时刻
Figure BDA00033428330500001616
这段时间内，节点A和节点P1之间的真实时钟偏差
Figure BDA00033428330500001617
为：
Figure BDA00033428330500001618
由公式(7)-(5)可得节点P1调整后新的时钟偏移量
Figure BDA00033428330500001619
为：
Figure BDA00033428330500001620
在第二个同步周期，节点A将其当前的时间信息
Figure BDA00033428330500001621
发送给节点P1。在第二个同步周期，节点P1记录的接收时间
Figure BDA00033428330500001622
可表示为：
Figure BDA00033428330500001623
其中，
Figure BDA0003342833050000171
为第二个同步周期时间信息收发过程中产生的随机时延。
进而，在第二个同步周期，参考节点A和节点P1的收发时间戳的差值
Figure BDA0003342833050000172
可表示为：
Figure BDA0003342833050000173
设P1在第一个同步周期调整后的时间为
Figure BDA0003342833050000174
该时刻对应的节点A的时间为
Figure BDA0003342833050000175
此时由于节点P1刚刚调整本地时间，节点A和节点P1的时间很接近，因此可设
Figure BDA0003342833050000176
所以公式(10)变为：
Figure BDA0003342833050000177
将
Figure BDA0003342833050000178
和
Figure BDA0003342833050000179
代入到公式(11)可得：
Figure BDA00033428330500001710
从
Figure BDA00033428330500001711
到
Figure BDA00033428330500001712
这段时间内(即第二个同步周期)，节点A和节点P1之间的真实时钟偏差
Figure BDA00033428330500001713
为：
Figure BDA00033428330500001714
其中
Figure BDA00033428330500001715
为P1第二个同步周期的校正时刻。由公式(13)-(12)可得节点P1在第二次调整后新的时钟偏移量
Figure BDA00033428330500001716
为：
Figure BDA00033428330500001717
类似地，在第i个同步周期，可以得到参考节点A和节点P1的收发时间戳的差值
Figure BDA00033428330500001718
为：
Figure BDA00033428330500001719
其中，
Figure BDA00033428330500001720
为第i个同步周期时间信息收发过程中产生的随机时延。
节点P1在第i次调整后新的时钟偏移量
Figure BDA00033428330500001721
为：
Figure BDA00033428330500001722
表1给出了节点时钟同步过程中的主要参数，包括参考时间、初始偏移量、校正时间以及校正量等。
表1时间同步中的主要参数
Figure BDA00033428330500001723
Figure BDA0003342833050000181
为了使计算更为简化，公式(15)可化为如下表达式：
Figure BDA0003342833050000182
令
Figure BDA0003342833050000183
因为随机时延
Figure BDA0003342833050000184
和
Figure BDA0003342833050000185
可以看作是均值相同并服从高斯分布的随机变量，易知Qi也是服从高斯分布的随机变量，即Qi～(0，δ2)。使用最大似然估计方法对频率偏移
Figure BDA0003342833050000186
进行估计，公式(17)基于观测量
Figure BDA0003342833050000187
的对数似然函数表示为：
Figure BDA0003342833050000188
对
Figure BDA0003342833050000189
求偏导并令其为0有：
Figure BDA00033428330500001810
得其解为：
Figure BDA00033428330500001811
P1仅需要获取式(19)中的参数，即可估算出
Figure BDA00033428330500001812
通过选取适当的
Figure BDA00033428330500001813
值即可调整
Figure BDA00033428330500001814
使节点P1和节点A的频率逐步接近从而完成P1和A的时间同步。
2、第一层节点P1和第二层节点P2
节点P1收到来自参考节点A的时间信息后，根据时间戳计算调整自己的本地时钟后又作为节点P2的参考节点。同样地节点P2以节点P1为参考节点，节点P1向节点P2发送时间信息。
在节点P1和节点P2的第一个同步周期，节点P1将其当前的时间信息
Figure BDA00033428330500001815
发送给节点P2，节点P2收到节点P1发送的时间信息的时间记为
Figure BDA00033428330500001816
可表示为：
Figure BDA00033428330500001817
式中，
Figure BDA00033428330500001818
表示节点P2在t0时刻相对于参考节点P1的初始时钟偏移；
Figure BDA00033428330500001819
表示节点P2相对于参考节点P1的时钟频率偏移；
Figure BDA0003342833050000191
表示时间信息收发过程中产生的固定时延，取值范围(1ms～10ms)；
Figure BDA0003342833050000192
表示时间信息收发过程中产生的随机时延；
Figure BDA0003342833050000193
为时间信息收发过程中由于频率偏移而积累的同步误差。
进而可得在节点P1和节点P2的第一个同步周期节点P1和节点P2的收发时间戳差值
Figure BDA0003342833050000194
为：
Figure BDA0003342833050000195
Figure BDA0003342833050000196
为P2第一个同步周期的校正时刻。然后节点P2在
Figure BDA0003342833050000197
时刻利用时间戳差值
Figure BDA0003342833050000198
调整本地时钟，调整后的本地时间用
Figure BDA0003342833050000199
表示，且有
Figure BDA00033428330500001910
从初始时刻到校正时刻这段时间内，节点P1和节点P2之间的真实时钟偏差
Figure BDA00033428330500001911
为：
Figure BDA00033428330500001912
由公式(22)-(21)得节点P2在节点P1和节点P2的第一个同步周期调整后新的时钟偏移量
Figure BDA00033428330500001913
为：
Figure BDA00033428330500001914
在第二个同步周期，参考节点P1需要在每个周期内利用节点A和节点P1在第一个同步周期的收发时间戳的差值
Figure BDA00033428330500001915
来校正自己的本地时钟，所以对于节点P2和P1，在节点P1和节点P2的第二个同步周期其收发时间戳的差值
Figure BDA00033428330500001916
可表示为：
Figure BDA00033428330500001917
其中
Figure BDA00033428330500001918
为节点P1和节点P2的第二个同步周期节点P1向节点P2发送同步消息的发送时间；
Figure BDA00033428330500001919
为第节点P1和节点P2的二个同步周期节点P2接收到同步消息的接收时间；
Figure BDA00033428330500001920
为节点P1和节点P2的第二个同步周期时间信息收发过程中产生的随机时延；
将
Figure BDA00033428330500001921
和
Figure BDA00033428330500001922
代入式(24)，可得在节点P1和节点P2的第二个同步周期节点P1和节点P2的收发时间戳差值
Figure BDA00033428330500001923
为：：
Figure BDA00033428330500001924
其中
Figure BDA0003342833050000201
表示在节点P1和节点P2的第一个同步周期节点P2收到节点P1发送的时间信息的接收时间；
Figure BDA0003342833050000202
表示在节点A和节点P1的第一个同步周期节点P1收到节点A发送的时间信息的接收时间；
Figure BDA0003342833050000203
表示在节点A和节点P1的第一个同步周期节点A向节点P1发送时间消息的发送时间。
Figure BDA0003342833050000204
为P2第二个同步周期的校正时刻。然后节点P2在
Figure BDA0003342833050000205
时刻利用时间戳差值
Figure BDA0003342833050000206
调整本地时钟，调整后的时间用
Figure BDA0003342833050000207
表示，且有
Figure BDA0003342833050000208
在节点P1和节点P2的第一个同步周期节点P2在
Figure BDA0003342833050000209
时刻调整后的时间为
Figure BDA00033428330500002010
此时间对应的时刻到本次校正时刻
Figure BDA00033428330500002011
这段时间内，节点P2相较于节点P1之间真实的时钟偏差
Figure BDA00033428330500002012
为：
Figure BDA00033428330500002013
由公式(26)-(25)得节点P2在节点P1和节点P2的第二个同步周期调整后的时钟偏移量
Figure BDA00033428330500002014
为：
Figure BDA00033428330500002015
其中
Figure BDA00033428330500002016
为节点P1和节点P2的第二个同步周期节点P1向节点P2发送同步消息的发送时间；
Figure BDA00033428330500002017
表示在节点A和节点P1的第一个同步周期节点A和节点P1之间的收发时间戳的差值。
在节点P1和节点P2的第三个同步周期，参考节点P1需要在每个周期内利用节点A和节点P1在第二个同步周期的收发时间戳的差值
Figure BDA00033428330500002018
来校正自己的本地时钟，所以对于节点P2和P1，在节点P1和节点P2的第三个同步周期其收发时间戳的差值
Figure BDA00033428330500002019
可表示为：
Figure BDA00033428330500002020
其中
Figure BDA00033428330500002021
为节点P1和节点P2的第三个同步周期节点P1向节点P2发送同步消息的发送时间；
Figure BDA00033428330500002022
为节点P1和节点P2的第三个同步周期节点P2接收到同步消息的接收时间；
Figure BDA00033428330500002023
为节点P1和节点P2的第三个同步周期时间信息收发过程中产生的随机时延；
将
Figure BDA00033428330500002024
和
Figure BDA00033428330500002025
代入式(28)可得在节点P1和节点P2的第三个同步周期节点P1和节点P2的收发时间戳差值
Figure BDA00033428330500002026
为：
Figure BDA00033428330500002027
Figure BDA0003342833050000211
其中
Figure BDA0003342833050000212
表示在节点P1和节点P2的第二个同步周期节点P2收到节点P1发送的时间信息的接收时间；
Figure BDA0003342833050000213
表示在节点A和节点P1的第二个同步周期节点P1收到节点A发送的时间信息的接收时间；
Figure BDA0003342833050000214
表示在节点A和节点P1的第二个同步周期节点A向节点P1发送时间消息的发送时间；
Figure BDA0003342833050000215
表示在节点A和节点P1的第一个同步周期节点P1收到节点A发送的时间信息的接收时间；
Figure BDA0003342833050000216
表示在节点A和节点P1的第一个同步周期节点A向节点P1发送时间消息的发送时间。
类似地，对于节点P1和节点P2的第i个同步周期，参考节点P1需要在每个周期内利用节点A和节点P1在第i个同步周期的收发时间戳的差值
Figure BDA0003342833050000217
来校正自己的本地时钟，所以对于节点P2和P1，在节点P1和节点P2的第i个同步周期其收发时间戳的差值
Figure BDA0003342833050000218
可表示为：
Figure BDA0003342833050000219
令
Figure BDA00033428330500002110
其中
Figure BDA00033428330500002111
表示为节点P1和节点P2的第i个同步周期节点P1向节点P2发送同步消息的发送时间；
Figure BDA00033428330500002112
表示在节点P1和节点P2的第i-1个同步周期节点P2收到节点P1发送的时间信息的接收时间；
Figure BDA00033428330500002113
表示在节点P1和节点P2的第i个同步周期时间信息收发过程中产生的随机时延；
Figure BDA00033428330500002114
表示在节点A和节点P1的第i-1个同步周期节点P1收到节点A发送的时间信息的接收时间；
Figure BDA00033428330500002115
表示在节点A和节点P1的第i-1个同步周期节点A向节点P1发送时间消息的发送时间；
Figure BDA00033428330500002116
表示为节点P1和节点P2的第i-j-1同步个周期节点P1向节点P2发送同步消息的发送时间；
Figure BDA00033428330500002117
表示在节点A和节点P1的第i-j-1个同步周期节点A向节点P1发送时间消息的发送时间。
使用最大似然估计方法对频率偏移
Figure BDA00033428330500002118
进行估计，公式(30)基于观测量
Figure BDA00033428330500002119
的对数似然函数表示为：
Figure BDA00033428330500002120
式(31)两边对
Figure BDA00033428330500002121
求偏导有：
Figure BDA0003342833050000221
令式(32)等于0得其解为：
Figure BDA0003342833050000222
P2仅需要获取式(33)中的参数，即可估算出
Figure BDA0003342833050000223
通过选取适当的
Figure BDA0003342833050000224
值即可调整
Figure BDA0003342833050000225
使节点P2和节点P1的频率逐步接近从而完成P2和P1的时间同步。
本方法将时间同步信息从两级网络扩展到三级网络中，每次同步周期后一级节点的时间调整都要考虑上一级节点的校正量，并且在传统的校正量中加入了固定延迟的影响，同时不需要联合估计频率偏移和时钟偏移，只需单独估计出频率偏移就可以实现与节点A的同步，在优化校正量的同时减少了算法复杂度。
终端侧转换节点是跨越工业无线网络和TSN网络1的重要节点，起着连接两网的桥梁作用。在以往的跨网时间同步方法中，大多数同步方式是采用通过硬件时钟模块来获取时间戳，这不仅带来了较高的硬件复杂度，还因为不同协议网络使用不同的时间同步机制造成额外的协议开销。
针对上述问题，此处节点设备和终端侧转换节点同步本文使用基于RSA算法的免时间戳同步方法，不依赖专门的同步协议，不受限于不同网络使用不同的时间同步协议，摆脱现有免时间戳同步方法对跟随响应报文的依赖，仅跟随现有网络数据流的发送完成同步参数估计，数据流交互过程中无需携带时间戳信息，从而隐式地获得跨网时间同步所需的同步消息。
如图7所示，以工业无线网络的节点设备为主时钟，记为M，终端侧转换节点作为从时钟，记为S，节点S周期性地向节点M发送普通数据包，通过控制接收方对发送方的响应时间间隔Δi来隐式地传递同步信息。
在第i个同步周期发送节点S在
Figure BDA0003342833050000226
时刻向接收节点M发送一个普通数据包，接收节点M在
Figure BDA0003342833050000227
时刻收到该数据包，并且在等待响应时间间隔Δi后，在
Figure BDA0003342833050000228
时刻向发送节点S返回一个响应报文，发送节点S在
Figure BDA0003342833050000229
时刻收到该响应报文，随后记录下收发的本地时刻并存储在本地缓存中，伴随着节点数据包收发过程的重复进行，节点可利用本地缓存的收发时间估计出时钟频率偏移。
1、预设响应时间间隔Δi
在基于RSA算法的免时间戳同步方法中，接收节点M根据RSA算法来确定响应时间间隔Δi，RSA算法是一种不对称密码算法，给定一个数，则可以产生这个数范围之内的不同随机数，此处本文只借鉴RSA算法能生成随机数的特点。具体机制如下：
假设此过程同步N次，有A∈{2，3，4，...N-1}，任取素数P、Q、D，其中N＝P*Q，当(D*E)mod((P-1)*(Q-1))＝1成立，则有Ci＝(Ai EXP D)mod N，其中1＜i＜N，则Ci就是生成的随机数，同时用Ci表示第i次同步过程中接收节点需等待的响应时间间隔Δi。注意，根据RSA算法原理，此处虽然同步N次，但只能得出N-2个同步过程中的响应时间间隔Δi，但当N足够大的时候，同步N-2次和同步N次可视为是一样的。
2、基于RSA算法的免时间戳同步方法建模
设fS、fM分别节点S和节点M的晶振频率，定义节点S相对于节点M的时钟频率偏移
Figure BDA0003342833050000231
第一个同步周期，如图7所示，当节点S在
Figure BDA0003342833050000232
时刻向节点M发送一个普通数据包，节点M收到该数据包的时间
Figure BDA0003342833050000233
可表示为下式：
Figure BDA0003342833050000234
其中，
Figure BDA0003342833050000235
表示节点S相对于节点M的初始时钟偏移；d1表示数据包在收发过程中产生的固定时延；X1表示数据包在收发过程中产生的随机时延。
节点M向节点S发送响应报文的时间
Figure BDA0003342833050000236
可根据上述RSA算法获得，即
Figure BDA0003342833050000237
Figure BDA0003342833050000238
节点S收到节点M发送的响应报文的时间记为
Figure BDA0003342833050000239
则：
Figure BDA00033428330500002310
其中，d2是响应报文在传输中的固定时延，且d2＝d1-m，这里m的大小与上行的数据包报文长度和下行的响应报文长度差成正比；Y1是第一个同步周期中下行链路随机时延。
第二个同步周期，节点S在
Figure BDA00033428330500002311
时刻向节点M发送一个普通数据包，节点M在
Figure BDA00033428330500002312
时刻收到该数据包，根据RSA算法可得第二个同步周期的响应时间间隔Δ2的值，此时节点M发送响应报文的时间
Figure BDA00033428330500002313
则：
Figure BDA00033428330500002314
其中，d2是数据包在第二个同步同步周期数据包收发过程中产生的固定时延；Y2第二个同步周期中下行链路随机时延。
第三个同步周期，节点S在
Figure BDA0003342833050000241
时刻向节点M发送一个普通数据包，节点M在
Figure BDA0003342833050000242
时刻收到该数据包，根据RSA算法可得第三个同步周期的响应时间间隔Δ3的值，此时节点M发送响应报文的时间
Figure BDA0003342833050000243
则：
Figure BDA0003342833050000244
其中，Y3表示第三个同步周期中下行链路随机时延。
类似地，第i个同步周期，节点S在
Figure BDA0003342833050000245
时刻向节点M发送一个普通数据包，节点M在
Figure BDA0003342833050000246
时刻收到该数据包，根据RSA算法可得第i个同步周期的响应时间间隔Δi的值，此时节点M发送响应报文的时间
Figure BDA0003342833050000247
节点S在
Figure BDA0003342833050000248
时刻受到节点M返回的响应报文。可得，
Figure BDA0003342833050000249
Figure BDA00033428330500002410
Δi∈(Δ2，Δ3，...，ΔN-1)          (40)
Figure BDA00033428330500002411
其中Xi表示第i个同步周期数据包在收发过程中产生的随机时延；Yi表示第i个同步周期下行链路随机时延。
N-1个同步周期后，发送节点S可以获得一组本地时间戳对
Figure BDA00033428330500002412
接收节点M可以获得一组本地时间戳对
Figure BDA00033428330500002413
结合响应时间间隔Δi，利用最大似然估计方法即可估计出节点间的频率偏移和固定延迟。
用式(39)-(38)可得：
Figure BDA00033428330500002414
因为Xi和Yi是均值为0，方差为σ2的高斯随机分布，令Vi＝Xi+Yi，所以Vi是均值为0，方差为2σ2的高斯随机分布。令
Figure BDA00033428330500002415
则式(42)可以简化为：
Figure BDA00033428330500002416
其中，
Figure BDA00033428330500002417
则式(43)可以表示为下列矩阵形式：
Figure BDA00033428330500002418
式(44)关于参数(α，d1，σ2)最大似然函数可表示为：
Figure BDA0003342833050000251
对式(45)两边取对数有：
Figure BDA0003342833050000252
对式(46)求关于α的一阶偏导数有：
Figure BDA0003342833050000253
对式(46)求关于d1的一阶偏导数有：
Figure BDA0003342833050000254
令式(47)和式(48)为0，联立求解可得ρ(MS)和d1的最大似然函数为：
Figure BDA0003342833050000255
Figure BDA0003342833050000256
所以，响应报文在传输中的固定时延d2＝d1-m。
在终端侧转换节点和工业无线网络的节点设备完成同步后，TSN网络1的TSN交换机以从时钟状态和终端侧转换节点完成同步，其同步方法和TSN网络时间同步过程一致。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种面向工业无线与TSN融合的跨网时间同步方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：边界网关的TSN模块以从时钟状态与TSN网络2的TSN交换机进行时钟同步；
S2：在边界网关内部，TSN模块作为工业无线模块的主时钟，工业无线模块通过串口与TSN模块进行时钟同步；
S3：工业无线网络中的路由设备以从时钟状态和边界网关的工业无线模块通过信标帧同步方式进行时钟同步，同时路由设备又作为节点设备的主时钟，对节点设备进行时钟同步；
S4：终端侧转换节点以从时钟状态和工业无线网络的节点设备之间使用免时间戳同步方式进行时钟同步，最后TSN网络1的TSN交换机以从时钟状态和终端侧转换节点进行同步；
步骤S3中，将工业无线模块记为A，路由设备记为P1，节点设备记为P2；
节点A向节点P1发送时间消息的时刻到节点P1接收到该消息的时刻为节点A和节点P1之间交互的一个同步周期，节点A和节点P1间的这种过程重复N次产生N个同步周期；在每次两节点进行时间信息的单向交互后，即一个同步周期，节点P1通过时间戳信息计算出时钟频率偏移进行调整；
节点P1调整后，又向节点P2发送时间消息，节点P1向节点P2发送时间消息的时刻到节点P2接收到该消息的时刻为节点P1和节点P2之间交互的一个同步周期，节点P1和节点P2间的这种过程重复N次产生N个同步周期；在每次两节点进行时间信息的单向交互后，即一个同步周期，节点P2通过时间戳信息计算出时钟频率偏移进行调整；
在节点A和节点P1的第一个同步周期，节点A将其当前的时间信息发送给节点P1，由P1记录的接收时间表示为：
式中，表示节点P1在t0时刻相对于参考节点A的初始时钟偏移；表示节点P1相对于参考节点A的时钟频率偏移；表示时间信息收发过程中产生的固定时延；表示时间信息收发过程中产生的随机时延；表示时间信息收发过程中由于频率偏移而积累的同步误差；
进而，在节点A和节点P1的第一个同步周期参考节点A和待同步节点P1之间的收发时间戳的差值表示为：
为P1第一个周期的校正时刻；随后节点P1在时刻利用差值来调整自己的本地时钟，P1调整后的时间用表示，且有
从初始时间t0到校正时刻这段时间内，节点A和节点P1之间的真实时钟偏差为：
由公式(4)-(2)得节点P1调整后新的时钟偏移量为：
在节点A和节点P1的第二个同步周期，节点A将其当前的时间信息发送给节点P1，节点P1记录的接收时间表示为：
其中，为节点A和节点P1的第二个同步周期时间信息收发过程中产生的随机时延；
进而，在节点A和节点P1的第二个同步周期，参考节点A和节点P1的收发时间戳的差值表示为：
设P1在第一个同步周期调整后的时间为该时刻对应的节点A的时间为设公式(7)变为：
将和代入到公式(8)得：
从到这段时间内，即节点A和节点P1的第二个同步周期内，节点A和节点P1之间的真实时钟偏差为：
其中为P1在节点A和节点P1的第二个周期的校正时刻；
由公式(10)-(9)得节点P1在第二次调整后新的时钟偏移量为：
在节点A和节点P1的第i个同步周期，得到参考节点A和节点P1的收发时间戳的差值为：
其中，为节点A和节点P1的第i个周期时间信息收发过程中产生的随机时延；
节点P1在第i次调整后新的时钟偏移量为：
为了使计算更为简化，公式(12)化为如下表达式：
令Qi是服从高斯分布的随机变量，即Qi～(0，δ2)；使用最大似然估计方法对频率偏移进行估计，公式(14)基于观测量的对数似然函数表示为：
对求偏导并令其为0有：
得其解为：
P1仅需要获取式(16)中的参数，即可估算出通过选取适当的值即可调整使节点P1和节点A的频率逐步接近，从而完成P1和A的时间同步；
步骤S3中，节点P1收到来自参考节点A的时间信息后，同样地节点P2以节点P1为参考节点，节点P1向节点P2发送时间信息；
在节点P1和节点P2的第一个同步周期，节点P1将其当前的时间信息发送给节点P2，节点P2收到节点P1发送的时间信息的时间记为表示为：
式中，表示节点P2在t0时刻相对于参考节点P1的初始时钟偏移；表示节点P2相对于参考节点P1的时钟频率偏移；表示时间信息收发过程中产生的固定时延；表示时间信息收发过程中产生的随机时延；表示时间信息收发过程中由于频率偏移而积累的同步误差；
在节点P1和节点P2的第一个同步周期节点P1和节点P2的收发时间戳差值为：
为P2节点P1和节点P2的第一个同步周期的校正时刻；然后节点P2在时刻利用时间戳差值调整本地时钟，调整后的本地时间用表示，且有
从初始时刻到校正时刻这段时间内，节点P1和节点P2之间的真实时钟偏差为：
由公式(20)-(19)得节点P2在节点P1和节点P2的第一个同步周期调整后新的时钟偏移量为：
在节点P1和节点P2的第二个同步周期，参考节点P1需要在每个周期内利用节点A和节点P1在第一个同步周期的收发时间戳的差值来校正自己的本地时钟，所以对于节点P2和P1，其收发时间戳的差值表示为：
其中为节点P1和节点P2的第二个同步周期节点P1向节点P2发送同步消息的发送时间；为节点P1和节点P2的第二个同步周期节点P2接收到同步消息的接收时间；为节点P1和节点P2的第二个同步周期时间信息收发过程中产生的随机时延；
将和代入上式得在节点P1和节点P2的第二个同步周期节点P1和节点P2的收发时间戳差值为：
其中表示在节点P1和节点P2的第一个同步周期节点P2收到节点P1发送的时间信息的接收时间；表示在节点A和节点P1的第一个同步周期节点P1收到节点A发送的时间信息的接收时间；表示在节点A和节点P1的第一同步个周期节点A向节点P1发送时间消息的发送时间；
为P2在节点P1和节点P2的第二个周期的校正时刻；然后节点P2在时刻利用时间戳差值调整本地时钟，调整后的时间用表示，且有
在节点P1和节点P2的第一个同步周期节点P2在时刻调整后的时间为此时间对应的时刻到本次校正时刻这段时间内，节点P2相较于P1之间真实的时钟偏差为：
由公式(24)-(23)得节点P2在节点P1和节点P2的第二个同步周期调整时间后的时钟偏移量为：
其中为节点P1和节点P2的第二个同步周期节点P1向节点P2发送同步消息的发送时间；表示在节点A和节点P1的第一个同步周期节点A和节点P1之间的收发时间戳的差值；
在节点P1和节点P2的第三个同步周期，参考节点P1需要在每个周期内利用节点A和节点P1在第二个同步周期的收发时间戳的差值来校正自己的本地时钟，所以对于节点P2和P1，在节点P1和节点P2的第三个同步周期其收发时间戳的差值表示为：
将和代入上式得在节点P1和节点P2的第三个同步周期节点P1和节点P2的收发时间戳差值为：
其中表示在节点P1和节点P2的第二个同步周期节点P2收到节点P1发送的时间信息的接收时间；表示在节点A和节点P1的第二个同步周期节点P1收到节点A发送的时间信息的接收时间；表示在节点A和节点P1的第二个同步周期节点A向节点P1发送时间消息的发送时间；表示在节点A和节点P1的第一个同步周期节点P1收到节点A发送的时间信息的接收时间；表示在节点A和节点P1的第一个同步周期节点A向节点P1发送时间消息的发送时间；
对于节点P1和节点P2的第i个同步周期，参考节点P1需要在每个周期内利用点A和节点P1在第i个同步周期的收发时间戳的差值来校正自己的本地时钟，所以对于节点P2和P1，其收发时间戳的差值表示为：
令
其中表示为节点P1和节点P2的第i个同步周期节点P1向节点P2发送同步消息的发送时间；表示在节点P1和节点P2的第i-1个同步周期节点P2收到节点P1发送的时间信息的接收时间；表示在节点P1和节点P2的第i个同步周期时间信息收发过程中产生的随机时延；表示在节点A和节点P1的第i-1个同步周期节点P1收到节点A发送的时间信息的接收时间；表示在节点A和节点P1的第i-1个同步周期节点A向节点P1发送时间消息的发送时间；表示为节点P1和节点P2的第i-j-1个同步周期节点P1向节点P2发送同步消息的发送时间；表示在节点A和节点P1的第i-j-1个同步周期节点A向节点P1发送时间消息的发送时间；
使用最大似然估计方法对频率偏移进行估计，公式(28)基于观测量的对数似然函数表示为：
式(29)两边对求偏导有：
令式(30)等于0得其解为：
P2仅需要获取式(31)中的参数，即可估算出通过选取适当的值即可调整使节点P2和节点P1的频率逐步接近，从而完成P2和P1的时间同步。
2.根据权利要求1所述的面向工业无线与TSN融合的跨网时间同步方法，其特征在于：步骤S1中，具体包括以下步骤：
S11：从时钟利用对等延迟测量机制获取时间戳t1、t2、t3、t4；
S12：从时钟求取主从时钟的链路延迟；
S13：从时钟求取处理时间记为time_process；
S14：将链路延迟和处理时间之和记为Δ1。
3.根据权利要求2所述的面向工业无线与TSN融合的跨网时间同步方法，其特征在于：步骤S1中，利用延迟测量机制测量主从时钟间的链路延迟，从时钟和主时钟之间通过交换延迟请求报文Delay_rep和延迟响应报文Delay_resp来获取相应的时间戳，Delay_resp(t2)表示主时钟在t3时刻回复给从时钟的延迟响应报文中携带了t2这个时刻；Follow_up_delay_resp(t3)表示主时钟发送给从时钟的跟随延迟响应报文中携带了t3这个时刻；在Follow_up_delay_resp消息发送后，从时钟接收到时间戳t1、t2、t3、t4；从时钟和主时钟之间的链路延迟delay_resp计算如表达式(32)所示：
处理时间即为本地时间，是主时钟接收时间同步事件消息与主时钟发送下一个后续时间同步事件消息之间的时间间隔的持续时间，处理时间记为time_process，此处即为t3；
将链路延迟和处理时间之和记为Δ1＝delay_resp+time_process。
4.根据权利要求1所述的面向工业无线与TSN融合的跨网时间同步方法，其特征在于：边界网关包含一个工业无线模块和一个TSN模块，使用SLIP协议对IP数据包进行封装，通过SLIP串口来保证数据传输的透明性，使得数据在两网之间无缝连接。
5.根据权利要求4所述的面向工业无线与TSN融合的跨网时间同步方法，其特征在于：步骤S2中，TSN模块时钟输出的同步脉冲信号为1PPS脉冲，工业无线模块通过检测TSN模块时钟输出的同步脉冲信号来调整自己的本地时间；包括以下步骤：
S21：TSN模块将自身的初始时钟T0通过串口发送给工业无线模块，工业无线模块根据此时间设置自己的本地初始时间local_time0；
S22：启动中断程序开始检测TSN模块输出的1PPS脉冲信号，工业无线模块每检测到1次1PPS信号，记接收到1PPS信号的时间为local_time1；
S23：工业无线模块对自己的本地时钟进行一次校正；
假设工业无线模块在local_time2时刻进行校正，则校正后的时间local_time满足以下表达式：
local_time0＝T0+S/R           (33)
local_time＝local_time2+N-local_time1       (34)
其中，S表示串口报文长度，R表示串口波特率，N表示工业无线模块接收到的脉冲个数。
6.根据权利要求1所述的面向工业无线与TSN融合的跨网时间同步方法，其特征在于：步骤S4中，以工业无线网络的节点设备为主时钟，记为M，终端侧转换节点作为从时钟，记为S，节点S周期性地向节点M发送普通数据包，通过控制接收方对发送方的响应时间间隔Δi来隐式地传递同步信息；
在第i个周期发送节点S在时刻向接收节点M发送一个普通数据包，接收节点M在时刻收到该数据包，并且在等待响应时间间隔Δi后，在时刻向发送节点S返回一个响应报文，发送节点S在时刻收到该响应报文，随后记录下收发的本地时刻并存储在本地缓存中，伴随着节点数据包收发过程的重复进行，节点可利用本地缓存的收发时间估计出时钟频率偏移。
7.根据权利要求6所述的面向工业无线与TSN融合的跨网时间同步方法，其特征在于：步骤S4中的时间同步次数设为N，有A∈{2，3，4，...N-1}，任取素数P、Q、D，其中N＝P*Q，当(D*E)mod((P-1)*(Q-1))＝1成立，则有Ci＝(AiEXP D)mod N，其中1＜i＜N，则Ci就是生成的随机数，同时用Ci表示第i次同步过程中接收节点需等待的响应时间间隔Δi；
设fs、fM分别是节点S和节点M的晶振频率，定义节点S相对于节点M的时钟频率偏移
第一个同步周期，当节点S在时刻向节点M发送一个普通数据包，节点M收到该数据包的时间表示为下式：
其中，表示节点S相对于节点M的初始时钟偏移；d1表示数据包在收发过程中产生的固定时延；X1表示数据包在收发过程中产生的随机时延；
节点M发送响应报文的时间可根据RSA算法获得，即节点S收到节点M发送的响应报文的时间记为则：
其中，d2是响应报文在传输中的固定时延，且d2＝d1-m，这里m的大小与上行的数据包报文长度和下行的响应报文长度差成正比；Y1是第一个同步周期中下行链路随机时延；
第二个同步周期，节点S在时刻向节点M发送一个普通数据包，节点M在时刻收到该数据包，根据RSA算法得到第二个同步周期的响应时间间隔Δ2的值，此时节点M发送响应报文的时间则：
其中，d2是数据包在第二个同步周期数据包收发过程中产生的固定时延；Y2第二个同步周期中下行链路随机时延；
第三个同步周期，节点S在时刻向节点M发送一个普通数据包，节点M在时刻收到该数据包，根据RSA算法得到第三个同步周期的响应时间间隔Δ3的值，此时节点M发送响应报文的时间则：
其中，Y3表示第三个同步周期中下行链路随机时延；
第i个同步周期，节点S在时刻向节点M发送一个普通数据包，节点M在时刻收到该数据包，根据RSA算法可得第i个周期的响应时间间隔Δi的值，此时节点M发送响应报文的时间节点S在时刻受到节点M返回的响应报文，可得，
Δi∈(Δ2，Δ3，...，ΔN-1)(41)
其中Xi表示第i个周期数据包在收发过程中产生的随机时延；Yi表示第i个周期下行链路随机时延；
N-1个同步周期后，发送节点S获得一组本地时间戳对接收节点M获得一组本地时间戳对结合响应时间间隔Δi，利用最大似然估计方法估计出节点间的频率偏移和固定延迟；
用式(40)-(39)可得：
因为Xi和Yi是均值为0，方差为σ2的高斯随机分布，令Vi＝Xi+Yi，所以Vi是均值为0，方差为2σ2的高斯随机分布，令则式(43)简化为：
其中，则式(44)表示为下列矩阵形式：
式(45)关于参数(α,d1,σ2)最大似然函数表示为：
对式(46)两边取对数有：
对式(47)求关于α的一阶偏导数有：
对式(47)求关于d1的一阶偏导数有：
令式(48)和式(49)为0，联立求解可得ρ(MS)和d1的最大似然函数为：
所以，响应报文在传输中的固定时延d2＝d1-m；
在终端侧转换节点和工业无线网络的节点设备完成同步后，TSN网络1的TSN交换机以从时钟状态和终端侧转换节点完成同步，其同步方法和步骤S1一致。
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