CN116456450B - 一种EtherCAT与5G融合组网的时间同步方法 - Google Patents

一种EtherCAT与5G融合组网的时间同步方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种EtherCAT与5G融合组网的时间同步方法，属于工业互联网与5G融合技术领域。所述方法包括：在EtherCAT与5G融合组网架构中增加时延测量模块，通过所述时延测量模块检测5G网络时延；根据检测到的5G网络时延，所述时延测量模块向各网段的EtherCAT主站发送时延补偿数值，主站将补偿时延后的主站时钟发送给其网段第一个从站，其他从站根据第一个从站时钟进行偏移补偿和静态漂移补偿；后续开始循环动态同步过程，所述时延测量模块动态检测5G网络时延变化情况，实现EtherCAT主站与从站间5G网络时延动态补偿。本发明能够提高EtherCAT与5G融合组网的时间同步精度。

Description

一种EtherCAT与5G融合组网的时间同步方法
技术领域
本发明涉及工业互联网与5G融合技术领域，尤其涉及一种EtherCAT与5G融合组网的时间同步方法。
背景技术
5G是具有高速率、低时延和大连接特点的新一代宽带移动通信技术，5G应用场景多样并逐渐与工业互联网技术（如EtherCAT）深度融合。EtherCAT采用分布式时钟（Distributed Clock，DC）技术实现主站与从站之间的时间同步，时钟同步的初始化过程包括传输延迟测量、偏移补偿和漂移补偿，以保证从站设备时钟精准同步，以及主站时钟的低精度同步。
在EtherCAT中，各从站在总线中处在不同位置，时间差在数据帧传输到各节点时形成，为避免传输延时和时钟漂移对运动控制系统产生的影响，EtherCAT采用了分布式时钟（Distributed Clock，DC）机制进行时间同步，在此过程中三种时间补偿具体如下：
（1）链路传输时延：主站通过向每个从站发送广播写(BWR)数据报来触发传输延迟测量。当从站的端口接收到数据报时，从站记录时间戳，并将其单独存储在相应的Receive_Time_Port 0到3从站寄存器中，在每个从站完成对Receive_Time_Port寄存器的时间戳写入后，主站读取每个从站的Receive_Time_Port寄存器并收集所有的时间戳。主站根据收集到的时间戳和识别出的网络拓扑结构，计算传输延迟，然后将计算的延迟写入每个从站的System_Time_Delay寄存器，链路传输时延tprop_delay定义为从设备与参考设备之间数据传输需要的时间。
（2）偏移量：每个从站的偏移量被定义为主站的系统时间和每个从站的本地时间之间的差值，根据System_Time_Offset寄存器中存储的本地时间和偏移量，每个从站通过每10ns计算一次系统时间来补偿其偏移量，如下式所示：
tsys_time = tloc_time + toffset
其中，tsys_time、tloc_time和toffset分别表示每个从站的系统时间、本地时间和偏移量。
（3）漂移补偿：每个从时钟的漂移是由主时钟的抖动和从时钟之间振荡器的频率差异引起的。
△t = (tloc_time + toffset) − (trecv_time + tprop_delay)
当计算的漂移值等于零时，每个从站的本地时间增加10ns；当计算的漂移值不为零时，基于计算值的符号进行补偿，每个从站的本地时间为正时，每10ns增加9ns，为负时每10ns增加11ns。
但是，DC同步过程存在不足，从站作为参考时钟进行DC同步时，将主站时间设定为系统时间，主站将此时间发送给参考从站，参考从站收到该时间后将其定为参考时间，此过程没有考虑主站和参考从站之间的传输延迟，即默认参考时间与系统时间相同，这种疏忽会导致主站和参考从站之间的同步精度下降。此外，因为非参考从站通过漂移补偿与参考时间同步，主站和参考从站的同步误差不可避免地导致了主站和每个非参考从站之间的同步误差，并且随着循环次数的累积增加时间补偿的误差。
目前的现有技术中，仅针对只包含EtherCAT主从站构成的网络进行主从时延补偿，能够在一定程度上提高同步精度，但在EtherCAT与5G形成的融合组网进行通信的情况下不能适用。
5G空口时延包括数据包从终端设备到目标设备的总的时间延迟，5G无线信道的物理特性总是处于变化中，主要受传输时间间隔、资源调度时间、混合重传来回时间、终端和基站的处理时间等因素影响，终端和基站的处理时间受设备处理能力、数据分组的大小等因素影响，在传输过程中可能发生信道切换、丢包等情况，5G信号传输的时延随时间随机变化，即信道衰落现象，因此5G空口时延是不断变化的。
由于在主站与第一个从站之间存在由5G无线信道衰落导致的5G空口时延变化，此时会造成主站与第一个从站之间链路时延的变化，如果只采用传统的DC同步方案以及主从时延补偿，5G空口时延变化的部分就会被遗漏，从而造成链路时延的误差。
在EtherCAT与5G网络形成融合组网后，对于EtherCAT来说，这种5G网络内部的变化会使得链路传输时延随之变化，而在工业应用场景中，时间同步精度直接影响现场的安全性与可靠性，因此链路传输时延需要及时更新。
发明内容
本发明针对EtherCAT和5G融合组网场景下的多EtherCAT网段跨网同步需求，提供一种EtherCAT与5G融合组网的时间同步方法，在EtherCAT与5G融合组网架构中增加时延测量模块，通过时延测量模块动态检测5G网络时延的变化情况，实现EtherCAT主站与EtherCAT从站间5G网络时延动态补偿。同时在各网段主站时钟同步到同一高精度时钟的基础上，可实现融合5G网络的多EtherCAT网段时间同步。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种EtherCAT与5G融合组网的时间同步方法，包括以下步骤：
在EtherCAT与5G融合组网架构中增加时延测量模块，通过所述时延测量模块检测5G网络时延；
根据检测到的5G网络时延，所述时延测量模块向各网段的EtherCAT主站发送时延补偿数值，主站将补偿时延后的主站时钟发送给其网段第一个从站，其他从站根据第一个从站时钟进行偏移补偿和静态漂移补偿；
后续开始循环动态同步过程，所述时延测量模块动态检测5G网络时延变化情况，实现EtherCAT主站与从站间5G网络时延动态补偿。
优选地，所述循环动态同步过程包括：
所述时延测量模块动态检测5G网络时延变化情况，当检测到的5G网络时延与初始值的差值小于或等于预设的偏差门限值时，继续循环动态同步；当检测到的5G网络时延与初始值的差值大于预设的偏差门限值，且大于的次数超过预设的偏差容忍次数后，将初始值改为当前5G网络时延的数值，然后主站将重新补偿时延后的主站时钟发送给其网段第一个从站，其他从站根据第一个从站时钟再次进行偏移补偿和静态漂移补偿，开始新的循环动态同步。
优选地，所述时延测量模块部署在5G网络外部时，位于EtherCAT主站同侧；所述时延测量模块与所有EtherCAT主站连接到同一节点，以捕获所有的EtherCAT数据帧；
EtherCAT主站发送EtherCAT数据帧时，所述时延测量模块记录数据帧发送到节点的时间戳，以及数据帧经EtherCAT从站接收处理后发送到节点后的时间戳/>；之后，EtherCAT主站从第一从站读取Receive_Time_Port 0寄存器/>和Receive_Time_Port 1寄存器/>的值，所述时延测量模块由此计算传输时延/>：
。
优选地，所述时延测量模块部署在5G网络外部时，具体同步过程如下：
首先，EtherCAT主站读取所有从站的数据链路状态寄存器，计算网络拓扑结构，并读取从站各端口接收数据帧时的时间戳，计算各个从站间的传输时延，再将时延数值写入各从站，并重置所有从站的时间控制环路滤波器，以免除之前的同步对本次同步的影响；
然后，所述时延测量模块在传输实际EtherCAT业务数据前，通过捕获EtherCAT数据帧对当前5G网络时延循环测量多次，取平均值作为当前5G网络时延的初始值，并设置偏差门限值以及偏差容忍次数；完成后，所述时延测量模块将初始值发送给主站，并持续捕获EtherCAT数据帧，计算5G网络时延；
主站开始第一次将补偿时延后的主站时钟发送给第一个从站，使第一个从站的时间改变为收到的时钟值，并使其他从站相对于第一个从站时钟进行偏移补偿以及静态漂移补偿；
而后开始循环动态同步，过程中主站周期性的将补偿时延后的主站时钟值发送给第一个从站，然后其他从站相对于第一个从站时钟进行动态漂移补偿，并且所述时延测量模块会动态检测5G网络时延变化，当检测到的5G网络时延与初始值的差值小于或等于偏差门限值时，继续循环动态同步；当检测到的5G网络时延与初始值的差值大于偏差门限值，且大于的次数超过偏差容忍次数后，将初始值改为当前5G网络时延的数值，然后将重新补偿时延后的主站时钟发送给第一个从站，并使其他从站相对于第一个从站时钟再次进行偏移补偿和静态漂移补偿，开始新的循环动态同步。
优选地，所述时延测量模块部署在5G网络内部时，通过读取统计5G网络内部时延和5G下行空口单向时延，这两段时延相加作为5G网络时延数值，即主站时钟的时延补偿数值，反馈给EtherCAT主站。
优选地，所述5G网络内部时延通过以下方式计算：
5G网络基站同步采用PTP协议，选定主时钟和从时钟，定义同一绝对时刻主从时钟之间的偏差值为，由主时钟发送一个Sync报文至从时钟，记录发送报文的时间为/>，报文经过一段延时后被从时钟接收，记录从时钟接收报文的时间为/>，主时钟发送完Sync报文后，再将时间戳/>通过一个Follow_Up报文发送至从时钟，从时钟通过接收报文获取时间戳/>；在从时钟接收Follow_Up报文后，经过一段随机的延时，从时钟发送一个Delay_Req报文至主时钟，记录发送报文的时间为/>，主时钟接收报文后，记录其接收时间为/>；之后，主时钟利用Delay_Resp报文发送时间戳/>，从时钟接收报文后获取时间戳/>；
定义报文从主时钟传输至从时钟的链路延时为，在PTP协议中，假定主从时钟间的链路延时是对称的，即往返延时值大小相等，可得以下时间关系：
；
；
；
。
优选地，所述5G下行空口单向时延通过以下方式计算：
对于UE到基站的接入网空口时延，下行分组时延测量包括：
（1）下行空口时延D1；
（2）下行gNB-DU时延D2；
（3）下行F1用户面接口时延D3；
（4）下行CU-UP时延D4；
获得5G下行空口单向时延如下式：。
优选地，所述时延测量模块部署在5G网络内部时，具体同步过程如下：
在5G网络内部以及EtherCAT主站间建立时间同步的基础上，EtherCAT主站先计算各个从站间的传输时延，将时延数值写入各从站；然后由所述时延测量模块从5G网络内部统计时延，将其作为时延的初始值发送给主站进行时延补偿，使第一个从站的时间改变为收到的时钟值，同时其他从站相对于第一个从站时钟进行偏移补偿以及静态漂移补偿；
而后开始循环动态同步，过程中主站周期性的将补偿时延后的主站时钟值发送给第一个从站，然后其他从站相对于第一个从站时钟进行动态漂移补偿，并且所述时延测量模块会动态检测5G网络时延变化，当检测到的5G网络时延与初始值的差值小于或等于偏差门限值时，继续循环动态同步；当检测到的5G网络时延与初始值的差值大于偏差门限值，且大于的次数超过偏差容忍次数后，将初始值改为当前5G网络时延的数值，然后将重新补偿时延后的主站时钟发送给第一个从站，并使其他从站相对于第一个从站时钟再次进行偏移补偿和静态漂移补偿，开始新的循环动态同步。
另一方面，提供了一种电子设备，所述电子设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由所述处理器加载并执行以实现上述EtherCAT与5G融合组网的时间同步方法。
另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现上述EtherCAT与5G融合组网的时间同步方法。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明在EtherCAT与5G融合组网中，通过增加时延测量机制检测5G网络时延变化，并对时延变化进行相应的补偿，及时修正5G网络时延变化带来的时间同步误差，从而提高整个系统的时间同步精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的EtherCAT与5G融合组网的时间同步方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的EtherCAT与5G融合组网外部时延检测系统架构图；
图3是本发明实施例提供的EtherCAT与5G融合组网内部时延检测系统架构图；
图4是5G空口时延示意图；
图5是EtherCAT主站作为参考时钟无补偿方案的原流程示意图；
图6是本发明实施例提供的EtherCAT主站作为参考时钟增加5G空口动态时延补偿机制后的流程图。
如图所示，为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在本发明的保护范围中。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
EtherCAT网络是主从结构网络，一个EtherCAT网段中可以有一个主站和一个或多个从站。考虑多EtherCAT网段形成的大型局域网场景，该场景下包含多个EtherCAT主站，每个EtherCAT主站控制对应网段的从站，各网段存在独立的时钟源。在EtherCAT-5G融合网络中，EtherCAT主站可以直接接入5G网元UPF（用户面功能，User Plane Function），UPF是gNB（5G基站，gNodeB）间切换的本地移动锚点，负责接口切换过程中数据包的路由与转发，安装上5G模组的EtherCAT从站作为5G UE通过基站接入5G网络。
在进行全局网络时钟同步时，在各网段中选择EtherCAT主站时钟作为参考时钟，全局主时钟选择精度更高的5G网络时钟，整个融合组网系统的时钟同步包含三部分：5G网络内部的时钟同步；EtherCAT主站时钟与5G网络时钟的同步；EtherCAT网络内所有设备间的时钟同步。
本发明提出一种应对EtherCAT-5G融合组网空口时延变化的时间同步机制，针对包括5G空口时延在内的5G网络时延变化，在系统中加入5G网络时延测量机制，通过测量结果判断时延是否变化并对时延变化进行相应的补偿，主站将重新补偿时延后的主站时钟发送给第一个从站，减小时延变化给EtherCAT-5G融合组网造成的误差，提高系统整体的时间同步性能。
具体地，本发明的实施例提供了一种EtherCAT与5G融合组网的时间同步方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
在EtherCAT与5G融合组网架构中增加时延测量模块，通过所述时延测量模块检测5G网络时延；
根据检测到的5G网络时延，所述时延测量模块向各网段的EtherCAT主站发送时延补偿数值，主站将补偿时延后的主站时钟发送给其网段第一个从站，其他从站根据第一个从站时钟进行偏移补偿和静态漂移补偿；
后续开始循环动态同步过程，所述时延测量模块动态检测5G网络时延变化情况，实现EtherCAT主站与从站间5G网络时延动态补偿。
其中，所述循环动态同步过程包括：
所述时延测量模块动态检测5G网络时延变化情况，当检测到的5G网络时延与初始值的差值小于或等于预设的偏差门限值时，继续循环动态同步；当检测到的5G网络时延与初始值的差值大于预设的偏差门限值，且大于的次数超过预设的偏差容忍次数后，将初始值改为当前5G网络时延的数值，然后主站将重新补偿时延后的主站时钟发送给其网段第一个从站，其他从站根据第一个从站时钟再次进行偏移补偿和静态漂移补偿，开始新的循环动态同步。
下面分别通过两种系统模型，以及两种系统模型中的时延测量机制对本发明方法进行说明。
第一种系统模型，时延测量模块部署在5G网络外部，整体系统架构如图2所示。
所述时延测量模块部署在5G网络外部时，位于EtherCAT主站同侧；所述时延测量模块与所有EtherCAT主站连接到同一节点，以捕获所有的EtherCAT数据帧。
EtherCAT主站发送EtherCAT数据帧时，所述时延测量模块记录数据帧发送到节点的时间戳，以及数据帧经EtherCAT从站接收处理后发送到节点后的时间戳/>；之后，EtherCAT主站从第一从站读取Receive_Time_Port 0寄存器/>和Receive_Time_Port 1寄存器/>的值，所述时延测量模块由此计算传输时延/>：
。
在5G网络内部完成时钟同步基础上，使用PTP协议将EtherCAT主站的系统时钟同步到5G网络内的高精度时钟源，提升EtherCAT主站系统时钟精度。然后开始进行EtherCAT网段内所有设备的时钟同步，其同步过程是在EtherCAT DC同步原有方式的基础上增加了5G网络融合组网时延动态补偿机制。
具体同步过程如下：
首先，EtherCAT主站读取所有从站的数据链路状态寄存器，计算网络拓扑结构，并读取从站各端口接收数据帧时的时间戳，计算各个从站间的传输时延，再将时延数值写入各从站，并重置所有从站的时间控制环路滤波器，以免除之前的同步对本次同步的影响；
然后，所述时延测量模块在传输实际EtherCAT业务数据前，通过捕获EtherCAT数据帧对当前5G网络时延循环测量多次，取平均值作为当前5G网络时延的初始值，并设置偏差门限值以及偏差容忍次数；完成后，所述时延测量模块将初始值发送给主站，并持续捕获EtherCAT数据帧，计算5G网络时延；
主站开始第一次将补偿时延后的主站时钟发送给第一个从站，使第一个从站的时间改变为收到的时钟值，并使其他从站相对于第一个从站时钟进行偏移补偿以及静态漂移补偿；
而后开始循环动态同步，过程中主站周期性的将补偿时延后的主站时钟值发送给第一个从站，然后其他从站相对于第一个从站时钟进行动态漂移补偿，并且所述时延测量模块会动态检测5G网络时延变化，当检测到的5G网络时延与初始值的差值小于或等于偏差门限值时，继续循环动态同步；当检测到的5G网络时延与初始值的差值大于偏差门限值，且大于的次数超过偏差容忍次数后，将初始值改为当前5G网络时延的数值，然后将重新补偿时延后的主站时钟发送给第一个从站，并使其他从站相对于第一个从站时钟再次进行偏移补偿和静态漂移补偿，开始新的循环动态同步。
第二种系统模型，时延测量模块部署在5G网络外部，整体系统架构如图3所示。
5G网络内部通过PTP协议进行5G基站及5G网元间的时间同步，同步过程中会计算基站、网元间的传输时延，根据EtherCAT主站到基站间的路由，将各段时延值相加得到5G网络内部时延；5G基站与UE的时钟同步通过各分段时延获得5G下行空口单向时延/>。由此，5G网络内部核心网及接入网的时延均可测得。
所述时延测量模块部署在5G网络内部时，通过读取统计5G网络内部时延和5G下行空口单向时延/>，这两段时延相加作为5G网络时延数值，即主站时钟的时延补偿数值，反馈给EtherCAT主站。
5G核心网时间同步所采用的技术如下所述，借用其同步过程所计算出的各节点间时延获取指定路径的总时延值。
基站同步采用IEEE1588v2协议，IEEE1588v2是由IEEE和ITU标准组织定义的关于精确时间同步的协议标准，也称为PTP。IEEE1588v2协议通过主从设备间消息传递，利用精确的时间戳计算时间和频率偏移，达到主从频率同步和时间同步。
所述5G网络内部时延通过以下方式计算：
选定主时钟和从时钟，定义同一绝对时刻主从时钟之间的偏差值为，由主时钟发送一个Sync报文至从时钟，记录发送报文的时间为/>，报文经过一段延时后被从时钟接收，记录从时钟接收报文的时间为/>，主时钟发送完Sync报文后，再将时间戳/>通过一个Follow_Up报文发送至从时钟，从时钟通过接收报文获取时间戳/>；在从时钟接收Follow_Up报文后，经过一段随机的延时，从时钟发送一个Delay_Req报文至主时钟，记录发送报文的时间为/>，主时钟接收报文后，记录其接收时间为/>；之后，主时钟利用Delay_Resp报文发送时间戳/>，从时钟接收报文后获取时间戳/>；
定义报文从主时钟传输至从时钟的链路延时为，在PTP协议中，假定主从时钟间的链路延时是对称的，即往返延时值大小相等，可得以下时间关系：
；
；
；
。
对于UE到基站的接入网空口时延，3GPP TS 38.314定义的RAN（Radio AccessNetwork，无线电接入网）侧的下行分组时延测量包括（单位都是 0.1ms）：
（1）下行空口时延D1；
（2）下行gNB-DU时延D2；
（3）下行F1用户面接口时延D3；
（4）下行CU-UP时延D4。
如图4所示，虚线表示5G定义的下行空口单向时延；实线表示5G定义的各分段下行时延测量。数据包从基站发出到到达用户，实线部分描述的即为基站gNode B的PDCP层从上层收到数据包开始到该数据包最后部分被UE端MAC层接收到并重传反馈信息被基站接收到为止的总时长。其中，时延D4为下行CU-UP（Centralized Unit-User Plane）时长， 时延D3为F1用户面接口（F1-U）时长，时延D2为gNB-DU（gNode B-Distributed Unit）时长，时延D1定义为下行空口时延。现有5G标准从分段时延可测量的角度定义了5G的各段时延，可以用各分段时延获得5G下行空口单向时延，如下式：
。
具体同步过程如下：
在5G网络内部以及EtherCAT主站间建立时间同步的基础上，EtherCAT主站先计算各个从站间的传输时延，将时延数值写入各从站；然后由所述时延测量模块从5G网络内部统计时延，将其作为时延的初始值发送给主站进行时延补偿，使第一个从站的时间改变为收到的时钟值，同时其他从站相对于第一个从站时钟进行偏移补偿以及静态漂移补偿；
而后开始循环动态同步，过程中主站周期性的将补偿时延后的主站时钟值发送给第一个从站，然后其他从站相对于第一个从站时钟进行动态漂移补偿，并且所述时延测量模块会动态检测5G网络时延变化，当检测到的5G网络时延与初始值的差值小于或等于偏差门限值时，继续循环动态同步；当检测到的5G网络时延与初始值的差值大于偏差门限值，且大于的次数超过偏差容忍次数后，将初始值改为当前5G网络时延的数值，然后将重新补偿时延后的主站时钟发送给第一个从站，并使其他从站相对于第一个从站时钟再次进行偏移补偿和静态漂移补偿，开始新的循环动态同步。
作为对比，EtherCAT-5G融合组网无5G空口动态时延补偿情况下，EtherCAT主站作为参考时钟的原流程如图5所示。本发明EtherCAT主站作为参考时钟增加5G空口动态时延补偿机制后的流程如图6所示。本发明在EtherCAT与5G融合组网中，通过增加时延测量机制检测5G网络时延变化，并对时延变化进行相应的补偿，及时修正5G网络时延变化带来的时间同步误差，从而提高整个系统的时间同步精度。
本发明的实施例还提供一种电子设备，该电子设备可因配置或性能不同而产生比较大的差异，可以包括一个或一个以上处理器（central processing units，CPU）和一个或一个以上的存储器，其中，所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由所述处理器加载并执行以实现上述EtherCAT与5G融合组网的时间同步方法的步骤。
在示例性实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，例如包括指令的存储器，上述指令可由终端中的处理器执行以完成上述EtherCAT与5G融合组网的时间同步方法。例如，所述计算机可读存储介质可以是ROM、随机存取存储器（RAM）、CD-ROM、磁带、软盘和光数据存储设备等。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
在说明书中提到“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”等指示所述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定特征、结构或特性。另外，在结合实施例描述特定特征、结构或特性时，结合其它实施例（无论是否明确描述）实现这种特征、结构或特性应在相关领域技术人员的知识范围内。
通常，可以至少部分从上下文中的使用来理解术语。例如，至少部分取决于上下文，本文中使用的术语“一个或多个”可以用于描述单数意义的任何特征、结构或特性，或者可以用于描述复数意义的特征、结构或特性的组合。另外，术语“基于”可以被理解为不一定旨在传达一组排他性的因素，而是可以替代地，至少部分地取决于上下文，允许存在不一定明确描述的其他因素。
本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。另外，为了避免对本发明的实质造成不必要的混淆，并没有详细说明众所周知的方法、过程、流程、元件和电路等。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于计算机可读取存储介质中，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种EtherCAT与5G融合组网的时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
在EtherCAT与5G融合组网架构中增加时延测量模块，通过所述时延测量模块检测5G网络时延；
根据检测到的5G网络时延，所述时延测量模块向各网段的EtherCAT主站发送时延补偿数值，主站将补偿时延后的主站时钟发送给其网段第一个从站，其他从站根据第一个从站时钟进行偏移补偿和静态漂移补偿；
后续开始循环动态同步过程，所述时延测量模块动态检测5G网络时延变化情况，实现EtherCAT主站与从站间5G网络时延动态补偿。
2.根据权利要求1所述的EtherCAT与5G融合组网的时间同步方法，其特征在于，所述循环动态同步过程包括：
所述时延测量模块动态检测5G网络时延变化情况，当检测到的5G网络时延与初始值的差值小于或等于预设的偏差门限值时，继续循环动态同步；当检测到的5G网络时延与初始值的差值大于预设的偏差门限值，且大于的次数超过预设的偏差容忍次数后，将初始值改为当前5G网络时延的数值，然后主站将重新补偿时延后的主站时钟发送给其网段第一个从站，其他从站根据第一个从站时钟再次进行偏移补偿和静态漂移补偿，开始新的循环动态同步。
3.根据权利要求1所述的EtherCAT与5G融合组网的时间同步方法，其特征在于，所述时延测量模块部署在5G网络外部时，位于EtherCAT主站同侧；所述时延测量模块与所有EtherCAT主站连接到同一节点，以捕获所有的EtherCAT数据帧；
EtherCAT主站发送EtherCAT数据帧时，所述时延测量模块记录数据帧发送到节点的时间戳，以及数据帧经EtherCAT从站接收处理后发送到节点后的时间戳/>；之后，EtherCAT主站从第一从站读取Receive_Time_Port 0寄存器/>和Receive_Time_Port 1寄存器/>的值，所述时延测量模块由此计算传输时延/>：
。
4.根据权利要求3所述的EtherCAT与5G融合组网的时间同步方法，其特征在于，所述时延测量模块部署在5G网络外部时，具体同步过程如下：
首先，EtherCAT主站读取所有从站的数据链路状态寄存器，计算网络拓扑结构，并读取从站各端口接收数据帧时的时间戳，计算各个从站间的传输时延，再将时延数值写入各从站，并重置所有从站的时间控制环路滤波器，以免除之前的同步对本次同步的影响；
然后，所述时延测量模块在传输实际EtherCAT业务数据前，通过捕获EtherCAT数据帧对当前5G网络时延循环测量多次，取平均值作为当前5G网络时延的初始值，并设置偏差门限值以及偏差容忍次数；完成后，所述时延测量模块将初始值发送给主站，并持续捕获EtherCAT数据帧，计算5G网络时延；
主站开始第一次将补偿时延后的主站时钟发送给第一个从站，使第一个从站的时间改变为收到的时钟值，并使其他从站相对于第一个从站时钟进行偏移补偿以及静态漂移补偿；
而后开始循环动态同步，过程中主站周期性的将补偿时延后的主站时钟值发送给第一个从站，然后其他从站相对于第一个从站时钟进行动态漂移补偿，并且所述时延测量模块会动态检测5G网络时延变化，当检测到的5G网络时延与初始值的差值小于或等于偏差门限值时，继续循环动态同步；当检测到的5G网络时延与初始值的差值大于偏差门限值，且大于的次数超过偏差容忍次数后，将初始值改为当前5G网络时延的数值，然后将重新补偿时延后的主站时钟发送给第一个从站，并使其他从站相对于第一个从站时钟再次进行偏移补偿和静态漂移补偿，开始新的循环动态同步。
5.根据权利要求1所述的EtherCAT与5G融合组网的时间同步方法，其特征在于，所述时延测量模块部署在5G网络内部时，通过读取统计5G网络内部时延和5G下行空口单向时延，这两段时延相加作为5G网络时延数值，即主站时钟的时延补偿数值，反馈给EtherCAT主站。
6.根据权利要求5所述的EtherCAT与5G融合组网的时间同步方法，其特征在于，所述5G网络内部时延通过以下方式计算：
5G网络基站同步采用PTP协议，选定主时钟和从时钟，定义同一绝对时刻主从时钟之间的偏差值为，由主时钟发送一个Sync报文至从时钟，记录发送报文的时间为/>，报文经过一段延时后被从时钟接收，记录从时钟接收报文的时间为/>，主时钟发送完Sync报文后，再将时间戳/>通过一个Follow_Up报文发送至从时钟，从时钟通过接收报文获取时间戳；在从时钟接收Follow_Up报文后，经过一段随机的延时，从时钟发送一个Delay_Req报文至主时钟，记录发送报文的时间为/>，主时钟接收报文后，记录其接收时间为/>；之后，主时钟利用Delay_Resp报文发送时间戳/>，从时钟接收报文后获取时间戳/>；
定义报文从主时钟传输至从时钟的链路延时为，在PTP协议中，假定主从时钟间的链路延时是对称的，即往返延时值大小相等，可得以下时间关系：
；
；
；
。
7.根据权利要求5所述的EtherCAT与5G融合组网的时间同步方法，其特征在于，所述5G下行空口单向时延通过以下方式计算：
对于UE到基站的接入网空口时延，下行分组时延测量包括：
（1）下行空口时延D1；
（2）下行gNB-DU时延D2；
（3）下行F1用户面接口时延D3；
（4）下行CU-UP时延D4；
获得5G下行空口单向时延如下式：
。
8.根据权利要求5所述的EtherCAT与5G融合组网的时间同步方法，其特征在于，所述时延测量模块部署在5G网络内部时，具体同步过程如下：
在5G网络内部以及EtherCAT主站间建立时间同步的基础上，EtherCAT主站先计算各个从站间的传输时延，将时延数值写入各从站；然后由所述时延测量模块从5G网络内部统计时延，将其作为时延的初始值发送给主站进行时延补偿，使第一个从站的时间改变为收到的时钟值，同时其他从站相对于第一个从站时钟进行偏移补偿以及静态漂移补偿；
而后开始循环动态同步，过程中主站周期性的将补偿时延后的主站时钟值发送给第一个从站，然后其他从站相对于第一个从站时钟进行动态漂移补偿，并且所述时延测量模块会动态检测5G网络时延变化，当检测到的5G网络时延与初始值的差值小于或等于偏差门限值时，继续循环动态同步；当检测到的5G网络时延与初始值的差值大于偏差门限值，且大于的次数超过偏差容忍次数后，将初始值改为当前5G网络时延的数值，然后将重新补偿时延后的主站时钟发送给第一个从站，并使其他从站相对于第一个从站时钟再次进行偏移补偿和静态漂移补偿，开始新的循环动态同步。
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