DE102010042256B4 - Verfahren und Vorrichtung zur dezentralen Zeitsynchronisation eines Netzwerkes - Google Patents

Abstract

Verfahren zur dezentralen Zeitsynchronisation eines Netzwerkes (1), das mehrere Netzwerkknoten aufweist, wobei Synchronisationsparameter (SPi), welche in einem Netzwerkknoten (2) zur Bestimmung einer globalen Netzwerkzeit vorgesehen sind, anhand einer Zeitdifferenz (&Dgr;Tij) zwischen einer globalen Sendezeit (Tj,n) und einer globalen Empfangszeit (Ti,n) mindestens eines Datenpaketes (DPn), welches durch den Netzwerkknoten (2 – i) von einem anderen Netzwerkknoten (2 – j) des Netzwerkes (1) empfangen wird, iterativ adaptiert werden; wobei die in dem Netzwerkknoten (2) vorgesehenen Synchronisationsparameter (SP) als ersten Synchronisationsparameter einen Zeitoffset (o) zwischen der geschätzten globalen Netzwerkzeit (T) des Netzwerkes (1) und der lokal gemessenen Zeit (t) des Netzwerkknotens (2) und als zweiten Synchronisationsparameter eine relative Zeitintervallabweichung (s) zwischen der globalen Netzwerkzeit (T) und der lokal gemessenen Zeit (τ) aufweisen, und wobei der erste Synchronisationsparameter (o) und der zweite Synchronisationsparameter (s) verwendet werden, um eine Anpassung eines Offset und eine Frequenzkorrektur in dem Netzwerkknoten (2) vorzunehmen.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur dezentralen Zeitsynchronisation eines Netzwerkes, insbesondere eines Funknetzwerkes.
• In dezentral organisierten Netzwerken, die aus einer Mehrzahl von Netzwerkknoten bestehen, ist es häufig notwendig, dem Netzwerkknoten zusätzlich zu einer lokalen Zeit eine netzwerkweite einheitliche globale Netzwerkzeit zur Verfügung zu stellen. Dies erfordert eine Synchronisation der Netzwerkknoten, wobei für jeden Netzwerkknoten herkömmlicherweise in Relation zur lokalen Zeit des Knotens ein Zeitoffset, gegebenenfalls eine Frequenzkorrektur bestimmt wird. Dabei kann die Zeitsynchronisation durch Austausch und Vergleich von Zeitstempeln für bestimmte Ereignisse erfolgen.
• US 7 035 246 B2 beschreibt ein Verfahren zur Ermittlung einer globalen Systemzeit innerhalb eines Netzwerkes mit mehreren kabellos angebundenen Netzwerkknoten. Zur Bestimmung einer globalen Systemzeit eines Netzwerkknotens wird eine lineare Abweichung zwischen der globalen Systemzeit und dem lokalen Zeitgenerator ermittelt. Basierend auf dieser Abweichung kann die lokale Zeit des Netzwerkknotens korrigiert werden, um zur globalen Systemzeit zu gelangen.
• In herkömmlichen dezentral organisierten Netzwerken bestehen potentielle Fehlerquellen, die zu Fehlern bei der Erzeugung von Zeitstempeln führen können. Beim Übertragen und Empfangen von Datenpaketen können Fehler auftreten, die beispielsweise durch Bit Flips die Zeitstempel verändern, ohne dass Fehlertests, beispielsweise CRC-Checks, dies erkennen können. Beim Empfang eines Datenpakets durch einen Netzwerkknoten erhält das Datenpaket einen Zeitstempel, beispielsweise sobald eine Startsequenz seitens des empfangenden Netzwerkknotens erkannt worden ist. Falls das anschließend empfangene Datenpaket wegen Bit-Fehlern verworfen wird, kann es zudem vorkommen, dass der zugehörige Zeitstempel nicht verworfen wird und einem späteren Datenpaket zugeordnet wird. Die beiden obengenannten Fehler können somit zu Zeitstempeln mit völlig fehlerhaften Werten führen, die jedoch nicht ohne Weiteres von Zeitstempeln, die von nicht synchronisierten Netzwerkknoten stammen, unterscheidbar sind.
• Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur dezentralen Zeitsynchronisation eines Netzwerkes zu schaffen, bei dem derartige Fehler erkannt werden können und die damit verbundenen Folgen weitestgehend vermieden werden.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen und einen Netzwerkknoten mit den in Patentanspruch 16 angegebenen Merkmalen gelöst.
• Die Erfindung schafft ein Verfahren zur dezentralen Zeitsynchronisation eines Netzwerkes, das mehrere Netzwerkknoten aufweist, wobei Synchronisationsparameter, welche in einem Netzwerkknoten zur Bestimmung einer globalen Netzwerkzeit vorgesehen sind, anhand einer Zeitdifferenz zwischen einer globalen Sendezeit und einer globalen Empfangszeit mindestens eines Datenpaketes, welches durch den Netzwerkknoten von einem anderen Netzwerkknoten des Netzwerkes empfangen wird, iterativ adaptiert werden.
• Die Erfindung schafft somit ein Verfahren zur dezentralen Zeitsynchronisation eines Netzwerkes, welches besonders zuverlässig arbeitet.
• Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die globale Sendezeit durch den Netzwerkknoten, welcher das Datenpaket an den empfangenden Netzwerkknoten sendet, in Abhängigkeit von einer lokal gemessenen Sendezeit des sendenden Netzwerkknotens und in Abhängigkeit von lokal in dem sendenden Netzwerkknoten gespeicherten Synchronisationsparametern berechnet.
• Bei einer möglichen Ausführungsform wird dabei das gesendete Datenpaket mit der berechneten globalen Sendezeit als Sendezeitstempel versehen.
• Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die globale Empfangszeit durch den Netzwerkknoten, welcher das Datenpaket empfängt, in Abhängigkeit von einer lokal gemessenen Empfangszeit des empfangenden Netzwerkknotens und in Abhängigkeit von den lokal in dem empfangenden Netzwerkknoten gespeicherten Synchronisationsparametern bei Empfang des Datenpaketes berechnet.
• Dabei wird vorzugsweise das empfangende Datenpaket mit einem ersten Empfangsstempel versehen, welcher die berechnete globale Empfangszeit angibt.
• Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die lokal gemessene Zeit durch einen in dem Netzwerkknoten vorhandenen Zeitgeber bereitgestellt.
• Bei einer möglichen weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die in dem Netzwerkknoten vorgesehenen Synchronisationsparameter in einem lokalen Datenspeicher des Netzwerkknotens gespeichert und jeweils mit einer Korrektur des jeweiligen Synchronisationsparameters adaptiert.
• Dabei hängt die Korrektur des jeweiligen Synchronisationsparameters vorzugsweise von der Zeitdifferenz zwischen der globalen Sendezeit und der in dem ersten Empfangszeitstempel angegebenen globalen Empfangszeit des empfangenen Datenpaketes ab.
• Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt der zweite Synchronisationsparameter, bei dem es sich um die relative Zeitintervallabweichung handelt, S_i = ΔT / Δτ – 1 wobei ΔT die Zeitperiode der globalen Netzwerkzeit und Δτ die Zeitperiode der lokal gemessenen Zeit des Netzwerkknotens ist.
• Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die globale Empfangszeit bei Empfang eines n-ten Datenpaketes durch den empfangenden Netzwerkknoten in Abhängigkeit von dessen lokal gemessener Empfangszeit wie folgt berechnet: T_i,n = S_i,n(τ_i,n – τ_i,n-1) + τ_i,n + O_i,n + ΔO_i,n-1 wobei S_i,n die gespeicherte zeitabhängige relative Zeitintervallabweichung und

O_i,n

der gespeicherte Zeitoffset des empfangenden Netzwerkknotens ist und

ΔO_i,n = ΔO_i,n-1 + S_i,n(τ_i,n – τ_i,n-1) die iterativ bestimmte Offsetkorrektur aufgrund der Zeitintervallabweichung ist.
• Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die globale Sendezeit beim Senden des n-ten Datenpaketes durch den sendenden Netzwerkknoten in Abhängigkeit von dessen lokal gemessenen Sendezeit wie folgt berechnet: T_j,n = S_j,n(τ_j,n – τ_i,n-1) + τ_j,n + O_j,n + ΔO_j,n-1 wobei

S_j,n

die gespeicherte relative Zeitintervallabweichung und

O_j,n

der gespeicherte Zeitoffset des sendenden Netzwerkknotens (NWK_j) ist und

ΔO_j,n = ΔO_j,n-1 + S_j,n(τ_j,n – τ_j,n-1) die gespeicherte iterativ bestimmte Offsetkorrektur aufgrund der Zeitintervallabweichung ist.
• Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der gespeicherte Zeitoffset (O_i,n) eines empfangenden Netzwerkknotens wie folgt bei Empfang eines Datenpaketes adaptiert: O_i,n+1 = O_i,n + η_i,n·ΔT_ij,n, wobei η eine zeitabhängige Adaptionsrate und ΔT_ij,n = T_j,n – T_i,n die Differenz der globalen Paketzeitstempel von Sender und Empfänger ist.
• Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die gespeicherte relative Zeitabweichung S_i,n eines empfangenden Netzwerkknotens wie folgt bei Empfang eines Datenpaketes adaptiert:

  

  wobei η die zeitabhängige Adaptionsrate ist, β ein einstellbarer Adaptionsfaktor, ΔT_ij,n = T_j,n – T_i,n die Differenz der globalen Paketzeitstempel von Sender und Empfänger und (τ_i,n – τ_i,n-1) die lokale Zeitdifferenz seit dem Empfang des letzten Paketes ist.
• Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die zeitabhängige Adaptionsrate η wie folgt iterativ angepasst:

  

  wobei α ein einstellbarer weiter Adaptionsfaktor und σ_thr ein Schwellenwert für eine Synchronisationsabweichung ist.
• Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Integrität des empfangenen Datenpaketes geprüft und bei Weitergabe des geprüften empfangenen Datenpaketes zur weiteren Datenverarbeitung ein zweiter Empfangszeitstempel generiert.
• Dieser zweite Empfangszeitstempel wird vorzugsweise mit dem ersten Empfangszeitstempel verglichen, um eine Zeitdifferenz zwischen den beiden Empfangszeitstempeln zu ermitteln.
• Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der erste Empfangszeitstempel des empfangenen Datenpaketes verworfen, falls eine Abweichung zwischen der ermittelten Zeitdifferenz und einer paketlängenabhängigen Soll-Zeitdifferenz einen bestimmten Schwellenwert überschreitet.
• Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Datenpaket ein Broadcast-Datenpaket auf, welches von dem sendenden Netzwerkknoten ausgesendet wird.
• Bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Datenpaket ein Multicast-Datenpaket auf, welches von dem sendenden Netzwerkknoten ausgesendet wird.
• Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Datenpaket ein Unicast-Datenpaket auf, welches von dem sendenden Netzwerkknoten ausgesendet wird.
• Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Datenpaket über eine drahtlose Kommunikationsverbindung zwischen den Netzwerkknoten übertragen.
• Bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Datenpaket über eine drahtgebundene Kommunikationsverbindung zwischen den Netzwerkknoten übertragen.
• Des Weiteren werden mögliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur dezentralen Zeitsynchronisation eines Netzwerkes unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschreiben.
• Es zeigen:
• 1 ein Diagramm zur Darstellung eines aus mehreren Netzwerkknoten bestehenden Netzwerkes, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren synchronisiert wird;
• 2 ein Blockschaubild zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Netzwerkknotens für ein entsprechend dem erfindungsgemäßen
• Wie man dem Diagramm gemäß 1 entnehmen kann, kann das erfindungsgemäße Verfahren zur dezentralen Zeitsynchronisation eines Netzwerkes 1 eingesetzt werden, welches mehrere Netzwerkknoten 2 aufweist. Die Netzwerkknoten 2 sind über drahtlose oder drahtgebundene Schnittstellen miteinander verbunden. Über diese drahtlosen oder drahtgebundenen Schnittstellen können die Netzwerkknoten 2 untereinander Datenpakete austauschen. Beispielsweise kann es sich bei dem in 1 dargestellten Netzwerk 1 um ein Funksensornetzwerk handeln, bei dem jeder Netzwerkknoten 2 über einen Sensor verfügt, wobei die erfassten Sensordaten als Nutzdaten in einem Datenpaket zu einem anderen Netzwerkknoten des Netzwerkes 1 übertragen werden können. Bei dem Netzwerkknoten 2 kann es sich um mobile Netzwerkknoten oder um Netzwerkknoten handeln, die an einem Ort fest vorgesehen sind. Die verschiedenen Netzwerkknoten 2 des Netzwerkes 1 sind untereinander zeitlich synchronisiert, wobei die Zeitsynchronisation mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dezentral durchgeführt wird. Dabei werden Synchronisationsparameter SP, welche in einem Netzwerkknoten 2 zur Bestimmung einer globalen Netzwerkzeit vorgesehen sind, anhand einer Zeitdifferenz zwischen einer globalen Sendezeit und einer globalen Empfangszeit mindestens eines Datenpaketes DP, welches durch einen empfangenen Netzwerkknoten 2-i von einem anderen Netzwerkknoten 2 – j des Netzwerkes 1 empfangen wird, iterativ adaptiert. Bei der dezentralen Zeitsynchronisation wird dem dezentral organisierten Netzwerk 1 einem Datenpaket DP kurz vor dem Senden eine Zeitinformation bzw. ein Zeitstempel durch den sendenden Netzwerkknoten 2 – j übergeben. Dabei handelt es sich vorzugsweise um eine in dem sendenden Netzwerkknoten 2 – j gemessene globale Sendezeit des jeweiligen Datenpaketes DP. Diese Zeitinformation wird in dem empfangenden Netzwerkknoten 2-i mit der dort gemessenen globalen Empfangszeit verglichen. Die Differenz zwischen der globalen Empfangszeit und der globalen Sendezeit wird benutzt, um einen Offset und eine Frequenzkorrektur in dem empfangenden Netzwerkknoten 2 – i bzw. eine entsprechende Anpassung vorzunehmen.
• Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die globale Sendezeit durch den sendenden Netzwerkknoten 2 – j, welcher das Datenpaket DP an einen anderen Netzwerkknoten 2-i sendet, in Abhängigkeit von einer lokal gemessenen Sendezeit τ_j,n des sendenden Netzwerkknotens 2 – j und in Abhängigkeit von lokal in dem sendenden Netzwerkknoten 2 – j gespeicherten Synchronisationsparametern SP_j berechnet. Beim Senden des Datenpaketes DP versieht der sendende Netzwerkknoten 2 – j das Datenpaket DP mit der berechneten globalen Sendezeit τ_j,n als Sendezeitstempel. Die globale Empfangszeit τ_i,n wird durch denjenigen Netzwerkknoten 2 – i, welcher das Datenpaket DP von dem sendenden Netzwerkknoten 2 – j empfängt, in Abhängigkeit von einer lokal gemessenen Empfangszeit τ_i,n des empfangenden Netzwerkknotens 2 – i und in Abhängigkeit von den lokal in dem empfangenden Netzwerkknoten 2 – i gespeicherten Synchronisationsparametern SP_i bei Empfang des Datenpaketes DP berechnet. Hierbei wird das empfangene Datenpaket DP durch den empfangenden Netzwerkknoten 2 – i mit einem ersten Empfangszeitstempel versehen, welcher die berechnete globale Empfangszeit τ_i,n angibt.
• Bei jedem Netzwerkknoten 2 des in 1 dargestellten Netzwerkes 1 sind Synchronisationsparameter SP vorgesehen, die beispielsweise in einem dafür vorgesehenen Datenspeicher oder Speicherbereich gespeichert sind und iterativ adaptiert werden können. Der Netzwerkknoten 2 weist dabei bei einer möglichen Ausführungsform als einen ersten Synchronisationsparameter einen Zeitoffset O zwischen der geschätzten globalen Netzwerkzeit des Netzwerkes 1 und der lokal gemessenen Zeit des jeweiligen Netzwerkknotens 2 auf. Als zweiter Synchronisationsparameter verfügt der Netzwerkknoten 2 über eine relative Zeitintervallabweichung S zwischen der globalen Netzwerkzeit und der lokal gemessenen Zeit des Netzwerkknotens 2. Diese lokal gemessene Zeit wird in einer möglichen Ausführungsform durch einen in dem Netzwerkknoten 2 vorhandenen Zeitgeber bzw. Zähler bereitgestellt.
• Bei einer möglichen Ausführungsform werden die in dem Netzwerkknoten 2 vorgesehenen Synchronisationsparameter SP, d. h. der gespeicherte Zeitoffset O und die relative Zeitintervallabweichung s jeweils mit einer Adaptionsrate η des jeweiligen Synchronisationsparameters SP adaptiert. Diese Adaptionsrate η kann bei einer möglichen Ausführungsform von der Zeitdifferenz zwischen der globalen Sendezeit τ_j,n und der in dem ersten Empfangszeitstempel angegebenen globalen Empfangszeit τ_i,n des empfangenen n-ten Datenpaketes DP abhängen.
• In der globalen Zeit T und der lokalen Zeit t_i des Netzwerkknotens 2 besteht ein linearer Zusammenhang wie folgt: T = ∫ i / 0dτa_i(τ) + o_i wobei a_i(τ) ein zeitlich veränderliches Verhältnis zwischen der globalen und lokalen Zeitgeberfrequenz und o_i ein konstanter Zeitoffsetwert ist. Typischerweise variieren die Frequenzen von Zeitgebern in einem Bereich von 10–100 ppm. Die Verhältnisabweichung S_i bzw. relative Zeitintervallabweichung kann wie folgt definiert werden: a_i(τ) = 1 + s_i(τ)
• Bei diskreten Ereignissen, insbesondere dem Austausch von Datenpaketen DP oder bei der Erfassung von Sensordaten, kann das Verhältnis angepasst werden. Daher kann der in Gleichung (1) angegebene Zusammenhang derartige diskrete Ereignisse unter Berücksichtigung der Gleichung (2) wie folgt angegeben werden:

  
• Dabei ist S_i die gespeicherte relative Zeitintervallabweichung und

O_i

der gespeicherte Zeitoffset des empfangenden Netzwerkknotens 2 – i.

• Dabei ist ΔO_i,n = ΔO_i,n-1 + S_i(τ_i,n) × (τ_i,n – τ_i,n-1) die iterativ bestimmte Offsetkorrektur aufgrund der Zeitintervallabweichung. Die globale Empfangszeit τ_i,n bei Empfang eines n-ten Datenpaketes DP durch den empfangenden Netzwerkknoten 2 – i kann in Abhängigkeit von dessen lokal gemessener Empfangszeit τ_i,n wie folgt berechnet werden: T_i,n = S_i(τ_i,n)(τ_i,n – τ_i,n-1) + τ_i,n + O_i + ΔO_i,n-1
• In analoger Weise kann die globale Sendezeit T_j,n beim Senden des n-ten Datenpaketes DP durch den sendenden Netzwerkknoten 2 – j NWK_j in Abhängigkeit von dessen lokal gemessener Sendezeit τ_j,n wie folgt berechnet werden: T_j,n = S_j(τ_j,n)(τ_j,n – τ_j,n-1) + τ_j,n + Oj + ΔO_j,n-1, wobei

S_j

die gespeicherte relative Zeitintervallabweichung und

O_j

der gespeicherte Zeitoffset des sendenden Netzwerkknotens ist. Ferner ist


ΔO_j,n = ΔO_j,n-1 + S_j(τ_j,n) × (τ_j,n – τ_j,n-i) die gespeicherte iterativ bestimmte Offsetkorrektur aufgrund der Zeitintervallabweichung.
• Weiterhin gilt:

  

  wobei T_j,n und T_i,n die globalen Zeitschätzungen eines Ereignisses n bei einem Knoten 2 – j und einem Knoten 2 – i angibt. η_i,n ist eine zeitabhängige Offset-Adaptionsrate:

  
• Die zeitabhängige Adaptionsrate η wird iterativ angepasst. Dabei stellt α einen einstellbaren Adaptionsfaktor und σ_thr einen Schwellenwert für eine Synchronisationsabweichung dar.
• Die gespeicherte relative Zeitabweichung S_i eines empfangenden Netzwerkknotens 2 – i kann wie folgt bei Empfang eines Datenpaketes DP adaptiert werden:

  

  wobei η die zeitabhängige Adaptionsrate ist und β ein einstellbarer Adaptionsfaktor ist.
• Wird der Adaptionsfaktor α aus einem Bereich zwischen 0 und 1 gewählt, kann die Adaptionsrate in einem Intervall zwischen 0 und 1 liegen. Die Adaptionsrate wird geringer, falls die Synchronisationsabweichung ΔT_ij,n unterhalb eines konstanten Schwellenwertes σ_th bleibt. Dies bietet den Vorteil, dass schwach synchronisierte Netzwerkknoten 2 oder Netzwerkknoten 2', welche in das Netzwerk 1 eintreten, schnell mit dem verbleibenden Netzwerk 1 synchronisiert werden können und die bereits in dem Netzwerk 1 vorhandenen Netzwerkknoten 2 nahezu unbeeinflusst von dem unsynchronisierten Netzwerkknoten 2' bleiben. Das erfindungsgemäße Verfahren kann einem Zeitstempel der MAC-Schicht einsetzen, wobei keine weiteren Daten ausgetauscht werden müssen. Der Netzwerkknoten 2 enthält einen gespeicherten Zeitoffset O_i,n und eine Adaptionsrate η_i,n, beispielsweise in einem dafür vorgesehen Datenspeicher. Die Offset-Adaption gemäß der obigen Gleichungen führt zu einer schnellen Konvergenz der globalen Zeitschätzungen und die dabei auftretende Drift der Offset-Werte aufgrund der unterschiedlichen Zeitgeberfrequenzen wird Rechnung getragen, indem man ein Abweichsignal minimiert und indem man die Adaption der relativen Zeitabweichung S_i durchführt:

  
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist äußerst robust gegenüber Störungen. Der zusätzliche Adaptionsfaktor β << 1 führt eine dynamische Hierarchie ein, d. h. die Abweichungswerte adaptieren sich mit einer geringeren Adaptionsrate im Vergleich zu den Zeitoffset-Werten. Hierdurch können Instabilitäten aufgrund von Fluktuationen vermieden werden, welche durch ein asynchrones Update-Schema hervorgerufen werden können. Ferner ist dies konsistent mit einer erwarteten geringen Änderung der relativen Zeitintervallabweichung, beispielsweise aufgrund von Temperaturänderungen. In einer möglichen beispielhaften Implementierung betragen die Werte für die Adaptionsfaktoren α, β:α = 1/4 und β = 1/64.
• Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst eine Integrität eines empfangenen Datenpaketes DP geprüft und bei Weiterleitung des geprüften empfangenen Datenpaketes zu einer weiteren Datenverarbeitung ein zweiter Empfangszeitstempel generiert. Dieser zweite Empfangszeitstempel wird mit dem ersten Empfangszeitstempel verglichen, um eine Zeitdifferenz zwischen den beiden Empfangszeitstempeln zu ermitteln. Bei einer möglichen Ausführungsform wird dabei der erste Empfangszeitstempel des empfangenen Datenstempels verworfen, falls eine Abweichung zwischen der ermittelten Zeitdifferenz und einer paketlängenabhängigen Soll-Zeitdifferenz einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Der Schwellenwert ist bei einer möglichen Ausführungsform anpassbar.
• Bei den übertragenen Datenpaketen DP kann es sich um Broadcast-, Multicast-, aber auch um Unicast-Datenpakete handeln. Die Datenpakete DP lassen sich über eine drahtlose oder über eine drahtgebundene Kommunikationsverbindung übertragen.
• 2 zeigt ein Blockdiagramm zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines in dem erfindungsgemäßen Netzwerk 1 enthaltenen Netzwerkknotens 2 – i. Der Netzwerkknoten 2 verfügt dabei über mindestens eine Schnittstelle 2A zum Senden und Empfangen von Datenpaketen DP. Ein empfangenes Datenpaket DP gelangt zu einer Empfangseinheit 2B, die den Empfang eines Datenpaketes, beispielsweise anhand einer bestimmten Startbitfolge SFD (start frame delimiter), erkennt. Der Netzwerkknoten 2 verfügt ferner über einen Prozessor 2C zur Berechnung bzw. Schätzung einer globalen Netzwerkzeit T des Netzwerkes 1. Dieser Prozessor 2C kann über einen integrierten Zeitgeber 2D zur Bereitstellung einer lokalen Zeit t des Netzwerkknotens 2 verfügen. Alternativ erhält der Prozessor 2C die lokale Zeit von einem separaten Zeitgeber, der in dem Netzwerkknoten 2 vorgesehen ist. Der Prozessor 2C kann bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel an einen Sensor 2E angeschlossen sein, welcher Sensordaten erfasst. Die Sensordaten können von dem Netzwerkknoten 2 als Nutzdaten in einem Datenpaket DP über die Schnittstelle 2A an andere Netzwerkknoten des Netzwerkes 1 übertragen werden. Ferner ist der Prozessor 2C mit einem lokalen Datenspeicher 2F verbunden, der zur lokalen Speicherung von Synchronisationsparametern SP vorgesehen ist. Die gespeicherten Synchronisationsparameter SP sind iterativ adaptierbar. Dabei erfolgt die iterative Adaption der Synchronisationsparameter SP anhand einer Zeitdifferenz zwischen einer globalen Sendezeit und einer globalen Empfangszeit mindestens eines Datenpaketes DP, das der Netzwerkknoten 2 von einem anderen Netzwerkknoten des Netzwerkes 1 empfängt. Die gespeicherten Synchronisationsparameter SP können als ersten Synchronisationsparameter ein Zeitoffset O zwischen der geschätzten globalen Netzwerkzeit T des Netzwerkes 1 und der lokal gemessenen Zeit τ des Netzwerkknotens 2 aufweisen. Hierbei wird die lokal gemessene Zeit τ durch den in dem Prozessor 2C vorgesehenen Zeitgeber 2D bereitgestellt. Es wird in dem Datenspeicher 2F als zweiter Synchronisationsparameter eine relative Zeitintervallabweichung S zwischen der globalen Netzwerkzeit T und der lokal gemessenen Zeit τ gespeichert. Die lokal gemessene Zeit τ kann ebenfalls in dem Datenspeicher 2F zwischengespeichert werden und iterativ für Berechnungen angepasst werden. Weitere mögliche Parameter, die in dem lokalen Datenspeicher 2F gespeichert sind, umfassen eine zeitabhängige Adaptionsrate η, die in Abhängigkeit eines einstellbaren Adaptionsfaktors α und eines Schwellenwerts für eine Synchronisationsabweichung σ_thr angepasst wird. Dabei kann in den Datenspeicher 2F der einstellbare Adaptionsfaktor α abgelegt werden. Der Netzwerkknoten 2 bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist ferner eine Prüfeinheit 2G auf, die eine Integrität des empfangenen Datenpaketes DP überprüfen kann. Dies kann beispielsweise mittels einer CRC-Prüfsumme überprüft werden.
• Durch den Prozessor 2C kann eine globale Empfangszeit in Abhängigkeit von einer lokal gemessenen Empfangszeit des empfangenden Netzwerkknotens 2 und in Abhängigkeit von den lokal in dem Datenspeicher 2F des Netzwerkknotens 2 gespeicherten Synchronisationsparametern SP_i bei Empfang eines Datenpaketes DP durch die Empfangseinheit 2B berechnet werden. Dabei wird das empfangene Datenpaket DP mit einem ersten Empfangszeitstempel versehen, welcher die durch den Prozessor 2C berechnete globale Empfangszeit angibt.
• Die Prüfeinheit 2G überprüft eine Integrität des empfangenen Datenpaketes DP und generiert bei Weitergabe des geprüften empfangenen Datenpaketes zu dessen weiteren Datenverarbeitung einen zweiten Empfangszeitstempel. Der zweite Empfangszeitstempel wird vorzugsweise mit dem ersten Empfangszeitstempel verglichen, beispielsweise durch den Prozessor 2C, um eine Zeitdifferenz zwischen den beiden Empfangszeitstempeln zu ermitteln. Falls eine Abweichung zwischen der ermittelten Zeitdifferenz und einer paketlängenabhängigen Soll-Zeitdifferenz einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, wird der erste Empfangszeitstempel des empfangenen Datenpaketes DP verworfen. Es wird bei dieser Ausführungsform neben dem Empfangszeitstempel des Datenpaketes DP ein weiterer Zeitstempel generiert, sobald der Empfang des kompletten Datenpaketes an eine höhere Schicht gemeldet wird. Durch Regression lässt sich eine paketlängenabhängige Soll-Zeitdifferenz bestimmen. Weicht die gemessene Zeitdifferenz zu stark von der Soll-Zeitdifferenz ab, wird die Zeitinformation für die Zeitsynchronisation durch den Netzwerkknoten 2 verworfen.
• Beim Übertragen und Empfangen von Datenpaketen DP können möglicherweise sogenannte Bit Flips auftreten, die Zeitstempel verändern, ohne dass diese beispielsweise durch CRC-Checks erkannt werden können. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden derartige Fehler durch Ausnutzen statistischer Eigenschaften vermieden. Dadurch kommt es zu einer deutlich reduzierten Anzahl von Ausreißern bei der Zeitsynchronisation und einem geringeren mittleren Synchronisationsfehler.
• Wird beispielsweise ein empfangenes Datenpaket DP wegen eines Bit-Fehlers verworfen, kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der dazugehörige Zeitstempel nicht verworfen und einem späteren Datenpaket zugeordnet werden. Da eine weitestgehend konstante und nur von der Paketlänge der abhängigen Bearbeitungszeit zwischen dem Erkennen eines Datenpakets DP und dem Zeitpunkt des vollständigen Datenpaketempfangs besteht lässt sich eine paketlängenabhängige Soll-Differenz bestimmen. Mit Hilfe der paketlängenabhängigen Soll-Zeitdifferenz lässt sich ein Empfangszeitstempel auf dessen Plausibilität hin überprüfen. Ein Vorteil besteht hierin in der geringen Anzahl von Ausreißern in den Messungen für die Zeitsynchronisation.
• Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich insbesondere bei der dezentralen Zeitsynchronisation von Sensornetzwerken mit einer Vielzahl von Sensornetzknoten einsetzen. Einige Netzwerkknoten 2 können neben Sensoren auch Aktuatoren aufweisen. Das erfindungsgemäße Verfahren kommt mit einem minimalen Kommunikations-Overhead aus und bietet eine sehr genaue Synchronisation von Netzwerkknoten selbst über mehrere Verbindungen bzw. Hops hinweg. Ferner ist das erfindungsgemäße Verfahren robust gegenüber Fehlfunktionen von Netzwerkknoten 2, Knotenverbindungen oder sonstigen Verarbeitungsfehlern.

Claims (19)

1. Verfahren zur dezentralen Zeitsynchronisation eines Netzwerkes (1), das mehrere Netzwerkknoten aufweist, wobei Synchronisationsparameter (SP_i), welche in einem Netzwerkknoten (2) zur Bestimmung einer globalen Netzwerkzeit vorgesehen sind, anhand einer Zeitdifferenz (ΔT_ij) zwischen einer globalen Sendezeit (T_j,n) und einer globalen Empfangszeit (T_i,n) mindestens eines Datenpaketes (DP_n), welches durch den Netzwerkknoten (2 – i) von einem anderen Netzwerkknoten (2 – j) des Netzwerkes (1) empfangen wird, iterativ adaptiert werden; wobei die in dem Netzwerkknoten (2) vorgesehenen Synchronisationsparameter (SP) als ersten Synchronisationsparameter einen Zeitoffset (o) zwischen der geschätzten globalen Netzwerkzeit (T) des Netzwerkes (1) und der lokal gemessenen Zeit (t) des Netzwerkknotens (2) und als zweiten Synchronisationsparameter eine relative Zeitintervallabweichung (s) zwischen der globalen Netzwerkzeit (T) und der lokal gemessenen Zeit (τ) aufweisen, und wobei der erste Synchronisationsparameter (o) und der zweite Synchronisationsparameter (s) verwendet werden, um eine Anpassung eines Offset und eine Frequenzkorrektur in dem Netzwerkknoten (2) vorzunehmen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die globale Sendezeit (T_j,n) durch den Netzwerkknoten (2 – j), welcher das Datenpaket (DP_n) an den empfangenden Netzwerkknoten (2 – i) sendet, in Abhängigkeit von einer lokal gemessenen Sendezeit (τ_j,n) des sendenden Netzwerkknotens (2 – j) und in Abhängigkeit von lokal in dem sendenden Netzwerkknoten (2 – j) gespeicherten Synchronisationsparametern (SP_j) berechnet wird und wobei das gesendete Datenpaket (DP_n) mit der berechneten globalen Sendezeit (T_j,n) als Sendezeitstempel versehen wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die globale Empfangszeit (T_i,n) durch den Netzwerkknoten (2-i), welcher das Datenpaket (DP_n) empfängt, in Abhängigkeit von einer lokal gemessenen Empfangszeit (τ_i,n) des empfangenden Netzwerkknotens (2 – i) und in Abhängigkeit von den lokal in dem empfangenden Netzwerkknoten (2 – i) gespeicherten Synchronisationsparametern (SP_i) bei Empfang des Datenpaketes (DP_n) berechnet wird und wobei das empfangene Datenpaket (DP_n) mit einem ersten Empfangszeitstempel versehen wird, welcher die berechnete globale Empfangszeit (T_i,n) angibt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die lokal gemessene Zeit (τ) durch einen in dem Netzwerkknoten (2) vorhandenen Zeitgeber (2D) bereitgestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die in dem Netzwerkknoten (2) vorgesehenen Synchronisationsparameter (SP) in einem lokalen Datenspeicher (2F) des Netzwerkknotens gespeichert werden und jeweils mit einer Adaptionsrate (η) des jeweiligen Synchronisationsparameters (SP) adaptiert werden, welche von der Zeitdifferenz (ΔT_ij) zwischen der globalen Sendezeit (T_j,n) und der in dem ersten Empfangszeitstempel angegebenen globalen Empfangszeit (T_i,n) des empfangenen Datenpaketes (DP_n) abhängt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der zweite Synchronisationsparameter die relative Zeitintervallabweichung (S_i) ist und S_i = ΔT / Δτ – 1 beträgt, wobei ΔT die Zeitperiode der globalen Netzwerkzeit und Δτ die Zeitperiode der lokal gemessenen Zeit des Netzwerkknotens (2) ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die globale Empfangszeit (T_i,n) bei Empfang eines nten Datenpaketes (DP_n) durch den empfangenden Netzwerkknoten (2 – i) in Abhängigkeit von dessen lokal gemessener Empfangszeit (τ_i,n) wie folgt berechnet wird: T_i,n = S_i,n(τ_i,n – τ_i,n-1) + τ_i,n + O_i,n + ΔO_i,n-1 wobei S_i,n die gespeicherte relative Zeitintervallabweichung und O_i,n der gespeicherte Zeitoffset des empfangenden Netzwerkknotens (2 – i) und ΔO_i,n = ΔO_i,n-1 + S_i,n(τ_i,n – τ_i,n-1) die iterativ bestimmte Offsetkorrektur aufgrund der Zeitintervallabweichung ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die globale Sendezeit (T_j,n) beim Senden des n-ten Datenpaketes (DP_n) durch den sendenden Netzwerkknoten (2 – j) in Abhängigkeit von dessen lokal gemessenen Sendezeit (τ_j,n) wie folgt berechnet wird: T_j,n = S_j,n(τ_j,n – τ_j,n-1) + t_j,n + O_j,n + ΔO_j,n-1 wobei S_j,n die gespeicherte relative Zeitintervallabweichung und O_j,n der gespeicherte Zeitoffset des sendenden Netzwerkknotens (2 – j) ist und ΔO_j,n = ΔO_j,n-1 + S_j(Δτ_j,n)(T_j,n – τ_j,n-1) die gespeicherte iterativ bestimmte Offsetkorrektur aufgrund der Zeitintervallabweichung ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei der gespeicherte Zeitoffset (O_i,n) eines empfangenden Netzwerkknotens (2 – i) wie folgt bei Empfang eines Datenpaketes (DP_n) adaptiert wird: O_i,n+1 = O_i,n + η_i,n wobei η eine zeitabhängige Adaptionsrate ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die gespeicherte relative Zeitabweichung S_i,n eines empfangenden Netzwerkknotens (2 – i) wie folgt bei Empfang eines Datenpaketes (DP_n) adaptiert wird:

    

    wobei η die zeitabhängige Adaptionsrate ist und β ein einstellbarer Adaptionsfaktor ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die zeitabhängige Adaptionsrate η wie folgt iterativ angepasst wird:

    

    wobei α ein einstellbarer weiter Adaptionsfaktor und σ_thr ein Schwellenwert für eine Synchronisationsabweichung ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei eine Integrität des empfangenen Datenpaketes (DP_n) geprüft und bei Weitergabe des geprüften empfangenen Datenpaketes (DP_n) zur weiteren Datenverarbeitung ein zweiter Empfangszeitstempel generiert wird, welcher mit dem ersten Empfangszeitstempel verglichen wird, um eine Zeitdifferenz zwischen den beiden Empfangszeitstempeln zu ermitteln.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei, falls eine Abweichung zwischen der ermittelten Zeitdifferenz und einer paketlängenabhängigen Soll-Zeitdifferenz einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, der erste Empfangszeitstempel des empfangenen Datenpaketes (DP_n) verworfen wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Datenpaket (DP_n) ein Broadcast-, ein Multicast- oder ein Unicast-Datenpaket aufweist, welches von dem sendenden Netzwerkknoten (2 – j) ausgesendet wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Datenpaket (DP_n) über eine drahtlose oder eine drahtgebundene Kommunikationsverbindung übertragen wird.
16. Netzwerkknoten (2) für ein dezentral zeitsynchronisiertes Netzwerk (1) mit: einem Datenspeicher (2E) zur lokalen Speicherung von Synchronisationsparametern (SP), welche zur Bestimmung einer globalen Netzwerkzeit vorgesehen sind, wobei die Synchronisationsparameter (SP) anhand einer Zeitdifferenz (ΔT_ij) zwischen einer globalen Sendezeit (T_j,n) und einer globalen Empfangszeit (T_i,n) mindestens eines Datenpaketes (DP_n), welches von dem Netzwerkknoten von einem anderen Netzwerkknoten des Netzwerkes (1) empfangen wird, iterativ adaptiert werden; wobei die in dem Netzwerkknoten (2) vorgesehenen Synchronisationsparameter (SP) als ersten Synchronisationsparameter einen Zeitoffset (o) zwischen der geschätzten globalen Netzwerkzeit (T) des Netzwerkes (1) und der lokal gemessenen Zeit (t) des Netzwerkknotens (2) und als zweiten Synchronisationsparameter eine relative Zeitintervallabweichung (s) zwischen der globalen Netzwerkzeit (T) und der lokal gemessenen Zeit (τ) aufweisen, und wobei der erste Synchronisationsparameter (o) und der zweite Synchronisationsparameter (s) verwendet werden, um eine Anpassung eines Offset und eine Frequenzkorrektur in dem Netzwerkknoten (2) vorzunehmen.
17. Netzwerkknoten nach Anspruch 16, wobei der Netzwerkknoten (2) eine Schnittstelle (2A) zum Empfangen und Senden von Datenpaketen (DP), eine Prüfeinheit (2G) zur Prüfung einer Integrität eines empfangenen Datenpaketes (DP), einen Prozessor (2C) zur Berechnung der globalen Netzwerkzeit (T) und einen Zeitgeber (2D) zur Bereitstellung einer lokalen Zeit (t) des Netzwerkknotens (2) aufweist.
18. Netzwerkknoten nach einem der Ansprüche 16 oder 17, wobei der Netzwerkknoten (2) mindestens einen Sensor (2E) zur Erfassung von Sensordaten aufweist, die in mindestens einem Datenpaket (DP) an einen anderen Netzwerkknoten (2) über eine drahtgebundene oder drahtlose Übertragungsstrecke übertragen werden.
19. Sensornetzwerk mit Netzwerkknoten nach einem der Ansprüche 16 bis 18.

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