[發明專利]工業無線網絡的精確時間同步方法

有效

• 申請號: 200810070022.X
• 申請日: 2008-07-23
• 公開（公告）號: CN101335587A
• 公開（公告）日: 2008-12-31
• 發明（設計）人: 王恒;王平;劉渝燦;王飛;金基天
• 申請（專利權）人: 重慶郵電大學
• 主分類號: H04J3/06
• 分類號: H04J3/06
• 代理公司: 重慶市恒信知識產權代理有限公司
• 代理人: 劉小紅

技術領域

本發明屬于工業無線網絡通信技術領域，尤其涉及工業無線網絡中的一種精確時間同步方法。

背景技術

工業無線通信技術作為工業通信技術領域的一個全新的方向，是新興學科與傳統學科進行領域間學術交叉的結果，已經引起了學術界和工業界的廣泛關注，并成為當前國內外研究的熱點技術之一。

網絡系統的時間同步問題無論在理論上還是在實際應用中都具有重要的價值，它是保證任何一個通信網絡或分布系統各種性能的基礎。時間同步機制在傳統網絡中已經得到廣泛應用，NTP(Network?Time?Protocol)是Internet采用的時間同步協議，具有精度高、魯棒性好和易擴展等優點，已經廣泛使用，但是它依賴的條件在工業無線網絡中難以滿足，例如，NTP協議應用在已有的有線網絡中，網絡鏈路失敗的概率很小，NTP協議的網絡結構相對穩定，NTP協議需要通過頻繁交換消息來不斷校準時鐘頻率偏差帶來的誤差，CPU使用、信道監聽和占用都不受任何約束等；RBS(Reference?BroadcastSynchronization)雖然消除了發送端傳播延遲引入的同步誤差，提高了同步精度，但是這種方法只適用于小規模的網絡，擴展性差，交換消息數量多；TPSN(Timing-sync?Protocol?for?Sensor?Networks)將NTP時間同步方法引入到無線網絡中，取得了比較好的精度，但是同步過程復雜度相對較大，交換的消息數量多，收斂速度慢。因此，本發明針對工業無線網絡的無線鏈路質量受環境影響往往較差、網絡拓撲結構動態變化、資源能量有限等獨特性提出了工業無線的一種時間同步方法。

發明內容

本發明針對現有技術的上述缺陷，根據工業無線網絡能源供應有限、動態變化的網絡環境、無線網絡介質的開放性等特點，提出適合工業無線網絡的一種精確時間同步方法，對系統進行分層分級管理，逐級進行時間同步，最后達到全網時間同步，在滿足工業無線網絡性能要求的前提下確保整個網絡按照統一的時間標尺運行，有效解決工業無線網絡內部時鐘統一的問題，保障系統正常運行，是確定性調度、自適應跳信道等其它技術的基礎。

本發明所采用的技術方案是：根據工業現場網絡層次結構設置網絡中各層設備的級別，對系統進行分層分級管理，上一級設備作為父設備，下一級設備作為子設備，設置父設備的時鐘為子設備的標準時鐘，父設備周期性發送附帶時間同步信息的信標幀，在發送信標幀過程中，利用SFD中斷捕捉發送時間戳，并將發送時間戳放入信標幀尾部和信標幀一并發送，子設備在接收信標幀過程中，記錄下利用SFD中斷捕捉的接收時間戳，接收完成后解析信標幀獲得發送時間戳，得到一對發送接收時間戳對，子設備采用最小二乘法擬合最近N次的時間戳對，得到本設備時鐘與標準時鐘的頻率偏差和時間偏差，補償本地時鐘，實現子設備與其父設備的時鐘同步；對網絡中所有子設備循環執行上述與父設備的同步過程，直至網絡中所有的下一級設備都完成與其上一級設備的時鐘同步，實現全網的時間同步。

本發明設計的工業無線網絡時間同步方法，通過動態估計工業無線網絡設備之間的時鐘頻率偏差和當前時間偏差，并利用估計的偏差值對設備時鐘進行補償，從而遏制了在兩次同步操作之間時間段內同步誤差的自由增長，有效提高了工業無線網絡時間同步的精度。這種方法具有良好的自適應性、可擴展性和較高的同步精度，在低能量消耗的情況下得到較高的時間同步精度。

將FTSP協議與本發明提供的工業無線網絡時間同步方法相結合，可以在不增加報文個數的前提下，大幅度地提高FTSP時間同步算法的同步精度，大幅度提高在兩次同步操作之間的時間段內的同步精度，使得即使在深度休眠的狀況下或者很低的同步操作頻率下，也能獲得很高的同步精度。能提高確定性調度的精度、數據融合的程度、低功耗的協議性能等直接關系到工業無線網絡性能的各項指標。

附圖說明

圖1：時間同步處理流程圖

圖2：信標幀結構圖

圖3：信標幀發送示意圖

圖4：星型網絡同步精度對比示意圖

具體實施方式

本發明基于FTSP協議的信標幀附帶時間同步信息，子設備通過動態地估計與其父設備之間的時鐘速率偏差，并利用估計的時鐘速率偏差對本地時鐘進行補償，從而遏制了在兩次同步操作之間時間段內時鐘誤差的自由增長，有效地提高了工業無線網絡時間同步的精度。

本發明提供的工業無線網絡的精確時間同步方法，獨立于具體的時間同步算法，通過動態估計設備之間的時鐘速率偏差，根據已經估計出的時鐘速率偏差信息對設備時間進行補償，從而達到提高時間同步算法精度的目的。