[發明專利]基于預測補償的工業無線網絡高精度時間同步方法

有效

• 申請號: 201210172061.7
• 申請日: 2012-05-29
• 公開（公告）號: CN103457685A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發明（設計）人: 梁煒;楊雨沱;張曉玲;于海斌;李世明;楊中興
• 申請（專利權）人: 中國科學院沈陽自動化研究所
• 主分類號: H04J3/06
• 分類號: H04J3/06
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 周秀梅;許宗富

技術領域

本發明涉及工業無線網絡技術，具體地說是一種基于預測補償的工業無線網絡高精度時間同步方法。

背景技術

工業無線網絡技術是繼現場總線之后，工業測控領域的又一個熱點技術，是降低工業測控系統成本、提高應用范圍的革命性技術，也是未來幾年工業自動化產品新的增長點。工業無線網絡技術適用于惡劣的工業現場環境，具有抗干擾能力強、能耗低、實時通信等技術特征，是對現有無線技術在工業應用方向上的功能擴展和技術創新，并最終轉化為新的無線技術標準。目前，工業無線網絡技術逐漸應用于高速的工廠自動化領域，成為繼面向過程自動化的工業無線網絡技術之后，國際上無線網絡技術競爭的又一焦點。面向工廠自動化的工業無線網絡不僅具有工業無線網絡低成本、易安裝、易維護的優勢，而且能夠避免工廠設備因移動導致的線纜易老化、線纜污染、滑環電力接觸易失敗等問題。然而，面向工廠自動化的工業無線網絡面臨著更加苛刻的需求：（1）大網絡規模，要求支持百點至千點的節點數量；（2）高通信速率，傳輸速率要求Mbit/s的量級；（3）高可靠性，端到端的傳輸成功率要求99.99%；（4）高實時性，端到端的通信延遲要求低于10ms。

目前面向工廠自動化的工業無線網絡的研究剛剛起步。其中，高速率的IEEE802.11物理層滿足高通信速率的要求，而成為工廠自動化無線網絡物理層的首選。同時，采用TDMA確定性資源分配機制可以有效避免沖突，實現較高的可靠性和實時性，從而成為工廠自動化無線網絡介質訪問控制層（MAC，Medium?Access?Control?layer）的首選。此外，為了進一步保證實時性，工廠自動化無線網絡往往采用星型拓撲結構。實現這些技術面臨的一個重要挑戰是精準的時間同步。在工廠自動化應用中，PLC循環周期通常為2-50ms，常見為20ms，為此一般要求TDMA機制下的超幀周期小于20ms。考慮到網絡規模百點至千點的要求，超幀中的時隙長度需要達到微秒級。然而，較小的時隙內通信要求較高的時間同步精度以保證時隙對齊，這是實現高可靠性和高實時性的關鍵。

現有典型的時間同步方法，如傳感器網絡時間同步協議（TPSN，Timing-syn?Protocol?for?Sensor?Networks）和精準時間協議（PTP，Precision?Time?Protocol），利用雙向交互的時戳信息獲取時間偏差，調整本地時鐘。這類算法消除了時戳值在傳遞過程中的延遲，但忽略了時鐘漂移對于時間同步精度的影響。受制作工藝、外界環境等因素的影響，每個節點維護的時間有所差別，當網絡運行一段時間后，節點間就會產生一定的時間偏差，即存在時鐘漂移。時鐘漂移是晶振固有的特性。當網絡規模較大時，時鐘漂移將引入較大的時間同步誤差。此外，如果同步失敗，則節點之間的時間偏差無法校準，嚴重影響節點之間的實時、可靠通信。

發明內容

針對現有時間同步方法未考慮時鐘漂移或者同步失敗帶來的時間同步誤差較大的問題，本發明提出一種基于預測補償的工業無線網絡高精度時間同步方法，面向IEEE?802.11星型網絡和TDMA資源分配機制，通過雙向交互的時間戳信息預測下一個同步周期的時間偏差，節點根據預測的時間偏差值逐步校準自身時鐘，避免了由于同步失敗導致的時間偏差太大的問題，進一步降低了時間同步誤差。

本發明為實現上述目的所采用的技術方案是：一種基于預測補償的工業無線網絡高精度時間同步方法，包括以下步驟：

將面向工廠自動化的工業無線網絡組建為基于IEEE?802.11單跳基本服務集BSS結構的星型網絡；

按照工業無線網絡中的節點的類型和功能，設置主時鐘和從時鐘；

主時鐘端和從時鐘端之間通過雙向時間戳信息交互，計算當前同步周期的時間偏差值；

利用當前同步周期的時間偏差值預測下一個同步周期的時間偏差值；

利用預測得到的下一個同步周期的時間偏差值補償時鐘漂移，校準時鐘。

所述工業無線網絡中的節點包括：接入點AP、冗余AP、現場節點和/或手持節點，其中，現場節點和/或手持節點負責采工業無線網絡中的現場數據；接入點AP負責將現場節點和/或手持節點采集到的數據轉發到主控計算機；冗余AP在接入點AP無法正常工作時代替其運行。

所述主時鐘為AP的TSF；所述從時鐘為網絡中其他節點的內部時鐘。

所述主時鐘端和從時鐘端之間通過雙向時間戳信息交互，計算當前同步周期的時間偏差值，包括以下步驟：