[發明專利]一種工業無線網絡的時鐘同步系統及方法

在審

• 申請號: 202210049773.3
• 申請日: 2022-01-17
• 公開（公告）號: CN114374462A
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發明（設計）人: 朱善迎;黃嘉嵐;徐磊;許齊敏;陳彩蓮;關新平
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H04J3/06
• 分類號: H04J3/06
• 代理公司: 上海旭誠知識產權代理有限公司 31220
• 代理人: 鄭立

1.一種工業無線網絡的時鐘同步系統，其特征在于：

包括一主節點和多個從節點；

主節點作為參考時鐘節點，其包括有一GPS模塊，該GPS模塊具有GPS精準授時功能；

主節點和每個從節點均包含有控制模塊、通信模塊和溫度模塊，通信模塊、溫度模塊分別與控制模塊電連接；

主節點和各個從節點之間通過通信模塊相互通信連接；

溫度模塊用于測量環境溫度，并將環境溫度參數信息發送給控制模塊，并通過通信模塊在主節點和從節點之間傳送；

控制模塊用于執行相關計算任務并發出控制指令。

2.一種工業無線網絡的時鐘同步方法，通過權利要求1所述的工業無線網絡的時鐘同步系統實現，其特征在于，包括如下步驟：

第一步：主、從節點之間相互發送時鐘同步報文，并在接收或發送報文時為報文打上時間戳；

第二步：主節點根據時鐘同步報文的時間戳信息，計算到主、從節點時間偏移量的測量值

第三步：主節點基于時間偏移量的測量值生成控制信號，傳輸至對應從節點處對時刻值進行補償；

第四步：主節點讀取當前主、從時鐘溫度差值，并結合上一同步周期時的溫度差值，計算得到溫差的變化值Error_T；對照預設的參照變化曲線，得到時間偏差量隨溫差的變化率ρ的測量值；

第五步：主節點建立將溫度、不確定性擾動作為待測影響因子的時鐘同步系統模型，并每隔一段時間進行刷新；

第六步：建立擴張狀態觀測器，結合測量到的上述時鐘同步系統模型的輸出，對包含有不確定性擾動的系統狀態進行觀測；

第七步：主節點根據擴張狀態觀測器的狀態觀測值，并基于狀態反饋得到控制信號，設定時間偏移量θ和時間偏差量α的補償值，通過補償報文的形式發送至從節點；

第八步：從節點接收到補償報文后，解析時間偏差量α的補償值，并依此對自身時鐘頻率進行補償；解析時間偏移量的補償值θ，將其與基于測量值求得的補償值進行比較，并依此對自身時刻值進行二次補償。

3.根據權利要求1所述的一種工業無線網絡的時鐘同步方法，其特征在于：在第一步中，主、從節點間同步報文傳遞過程中，報文的解析在主、從節點各自的控制模塊中進行，報文的構造和發送在主、從節點各自的通信模塊中進行，報文的解析和構造二者可以并行處理。

4.根據權利要求1所述的一種工業無線網絡的時鐘同步方法，其特征在于：第四步中，計算溫差變化值時，當前時刻的溫差值△T_now由如下公式計算得到：

△T_now＝T0-T1

其中，T0為主節點的溫度，T1為從節點的溫度；

溫差變化值Error_T由如下公式計算得到：

Error_T＝△T_now-△T_last

其中，△T_last為上一同步周期中的溫差值，其存儲于主節點的控制模塊中；在求得Error_T后，將主節點中存儲的△T_last值更新為△T_now值。

5.根據權利要求1所述的一種工業無線網絡的時鐘同步方法，其特征在于：第四步中，預設的溫差變化值與主、從節點時間偏差量α的變化率ρ的對應關系曲線，表現了溫度對主、從節點時鐘頻率影響的差異，具體為：當溫差變化值較小時，時間偏差量變化率ρ為0；溫差變化值適中時，變化率隨著溫差變化值的增大線性增加；溫差變化值較大時，變化率為常值。

6.根據權利要求1所述的一種工業無線網絡的時鐘同步方法，其特征在于：第五步中，所述關于時間偏移量θ[n]和時間偏差量的α[n]系統模型，融合了同步過程中的不確定性擾動以及溫度造成的頻率偏移影響。

7.根據權利要求1所述的一種工業無線網絡的時鐘同步方法，其特征在于：第六步中建立的擴張狀態觀測器，將時間偏移量θ[n]、時間偏差量α[n]和時間偏差量隨溫差改變的變化率ρ[n]作為系統狀態，同時，將不確定性擾動ω[n]作為擴張狀態，狀態觀測器基于系統的輸出值得到三個系統狀態和一個擴張狀態的觀測值。