CN104753622A - 一种星型网络下基于接收者的低开销时间同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及工业无线网络技术，具体地说是一种星型网络下基于接收者的低开销时间同步方法。本发明提出的时间同步方法，充分考虑工厂自动化星型无线网络的应用特点，基于IEEE STD802.11-2007标准以及TDMA机制，利用接收者之间同步的思想，将星型网络中的时钟源设备作为接收者之一，比较时钟源设备的接收时间值与从时钟设备的接收时间值，使从时钟设备获得精准的时间偏差值，此方法消除了传输延迟对时戳数据的影响，实现高效率、低开销前提下的精准时间同步的目标。
Description
技术领域
本发明涉及工业无线网络技术，具体地说是一种星型网络下基于接收者的低开销时间同步方法。
背景技术
工业无线网络技术是继现场总线之后，工业控制领域的又一个热点技术，是降低工业测控系统成本，提高工业测控系统应用范围的革命性技术，也是未来几年工业自动化产品新的增长点。目前，工业无线网络技术应用于高速的工厂自动化领域，成为继面向过程自动化的工业无线网络技术之后，国际上无线网络技术竞争的又一焦点。相对于传统的有线总线技术，工厂自动化无线网络不仅具有低成本、易安装、易维护的优势，而且能够避免设备因移动导致的线缆易老化、线缆污染、滑环电力接触易失败等问题。然而，工厂自动化对无线通信系统有着更苛刻的要求：（1）高可靠性，丢包率低于10-9；（2）高通信速率，传输速率在Mbit/s的量级；（3）高实时性，要求延迟低于10ms；（4）大网络规模，要求支持百点至千点的节点数量。
对应于工厂自动化无线网络的上述要求，IEEE802.11标准族因其物理层具有高速的特点以及单跳星型网络具有高实时性的特点，成为工厂自动化无线网络物理层的首选。同时，TDMA机制因其确定性的资源分配以及有效避免冲突的特点，可以实现较高的可靠性和实时性，因此成为工厂自动化无线网络介质访问控制层的首选。然而，选择高速的物理层以及基于TDMA的介质访问控制层，需要网络运行过程中精准的时间同步。同时，工厂自动化中的PLC循环周期通常为2-50ms，常见为20ms，为此一般要求超帧周期小于20ms，进而要求微秒级的时隙长度。节点中的时钟由内部硬件决定，受制作工艺、外界环境等因素的影响，每个节点维护的时间有所差别，当网络运行一段时间后，节点间就会产生一定的时间偏差，即存在时间漂移。因此，定期地为节点间进行时间同步就尤为重要，较高的时间同步精度保证了时隙对齐，是工厂自动化无线网络获得高可靠性与实时性的关键。本发明针对工厂自动化无线网络的特征，利用星型拓扑结构的特点实现一种低开销、高精度的时间同步方法。
IEEE802.11-2007标准的基本服务集（Basic Service Set，BSS）为单跳星型网络，其同步方法的原理为：
1.接入点（AP，Access Point）向网络中的各个节点广播带有时戳信息的信标（Beacon）帧；
2.节点根据获取的AP的时戳信息校准自身的时钟，达到全网的同步。
然而，这类方法中的节点在校准自身时钟时忽略了传输延迟的影响，仅利用收到的时戳信息进行时间同步会使同步结果增加一次信标帧的传输延迟时间值大小的同步误差。一些厂商为降低传输延迟带来的时间同步误差，规定了信标帧的传输延迟用于补偿时间校准误差，但相同的射频搭配不同速度的处理器传输延迟的大小不同，因此IEEE802.11-2007标准本身的时间同步方法无法满足工厂自动化对高时间同步精度的需求。
现有的一些典型的双向时间同步方法，如传感器网络时间同步协议（TPSN，Timing-syn Protocol for Sensor Networks）和精准时间协议（PTP，Precision TimeProtocol），均利用双向交互的时戳信息获取时间偏差与传输延迟，虽有效消除了时戳数据传输过程中的延迟，能够获得较高的时间同步精度，但其代价是频繁的交互时戳数据，开销较高。基于接收者的时间同步方法最具代表性的方法为参考广播时间同步协议（RBS，Reference Broadcast Synchronization），其利用广播域内一个节点发送广播消息，广播域内另两个接收节点分别记录这个消息的到达时间，然后交换所记录的到达时间来确定两个接收节点的时间偏移量，最终实现接收节点之间的时间同步。RBS虽能消除时戳数据传输延迟的影响，但算法本身报文通信量和节点本地计算量较大，占用系统大量资源，不适合高速的工厂自动化无线网络。
本发明方法面向的工厂自动化无线网络，1）节点数量大且分布密集；2）TDMA超帧的循环周期短；3）每个节点占用的无线通信资源有限。若采用TPSN等双向时间同步算法，则需要额外分配大量受限的TDMA时隙资源用于传输AP与节点间双向的时戳数据，开销较大且实时性较差。若采用RBS算法，其低效的报文交互策略同样开销较大。针对工厂自动化无线现场节点数量大、分布密集、实时性要求高、资源有限等特点，亟需设计一种低开销且高精度的时间同步方法。
发明内容
针对IEEE802.11标准中定义的时间同步方法同步精度较低，而其他时间同步方法开销较大的上述问题，本发明方法利用工厂自动化无线网络中节点密集分布以及无线链路具有的非导向性传输（即节点发送报文后，其通信范围内的其他节点均能收到此报文）的特点，提出一种TDMA机制下基于IEEE802.11-2007标准的工厂自动化星型无线网络的高精度时间同步方法。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种星型网络下基于接收者的低开销时间同步方法，包括以下步骤：
将AP作为基于接受者的时间同步时间基准，现场节点和AP同时接收同一网络ID的数据帧，并记录接收时刻时间值；AP将所有收到的数据帧的源地址和接收时间值聚合成时间同步数据帧，并在下一个超帧周期的第一个时隙内广播该时间同步数据帧；通过比较AP与现场节点所记录的接收时刻时间值，完成时间同步。
所述将AP作为基于接受者的时间同步时间基准，现场节点和AP同时接收同一网络ID的数据帧，并记录接收时刻时间值，具体为：
某个现场节点需要同步自身时钟时，在下一个超帧周期开始时开启射频接收功能；当该现场节点接收到同一个网络ID内其他现场节点的数据帧时，记录接收到的数据帧的源地址和接收时刻的时间值；AP接收所有现场节点的数据帧，并记录其源地址和接收时间值。
所述通过比较AP与现场节点所记录的接收时刻时间值，完成时间同步，包括以下步骤：
待同步的现场节点收到AP广播的时间同步数据帧后，解析时间同步数据帧的载荷部分，提取上一超帧周期内AP接收到相同数据帧的时间值TM，则现场节点的内部时钟与AP内部时钟偏移量Offset为：
Offset=TM–TS
其中，TS为现场节点接收到数据帧的时间值；
现场节点根据Offset值校准本地时钟TSF：
TSF=TSF+Offset
现场节点校准时间完成后，现场节点清除所记录的数据帧源地址和接收时刻时间值，AP清除上一个超帧周期内记录的所有收到的数据帧的源地址和接收时间值，并开始记录当前超帧周期的数据帧的源地址和接收时间值。
所述数据帧包括数据链路层帧控制、网络ID、源地址和载荷。
所述时间同步数据帧包括数据链路层帧控制、网络ID、源地址和载荷，载荷包括AP收到的各个周期性过程数据所对应的现场节点源地址和接收时刻时间值。
本发明提出的时间同步方法，充分考虑工厂自动化星型无线网络的应用特点，基于IEEE802.11-2007标准以及TDMA机制，利用接收者之间同步的思想，将星型网络中的时钟源AP作为接收者之一，比较时钟源AP的接收时间值与其他从时钟设备的接收时间值，获得精准的时间偏差值，从而消除传输延迟对时戳数据的影响。实验数据表明，无线报文在300m范围内的传输时间小于1us，即空气中的传播延迟可忽略不计。本发明方法面向密集分布的工厂自动化无线网络，时戳数据在空气中的传输时间可以忽略不计，因此不同接收者设备的位置摆放不同对接收时戳的精度影响可以忽略。此外，本发明方法与双向时间同步方法相比，具有开销小、复杂度低等特点，保证了基于IEEE802.11标准的工厂自动化星型无线网络的时间同步精度，实现高效率、低开销前提下的精准时间同步的目标。具体表现在：
1.本发明方法巧妙地将原本作为时钟源的AP作为接收者，与其他接收者的接收时间值进行比较，以获得时钟源AP与各个节点的时间偏差，消除了时间同步过程中时戳数据传输延迟的影响，保证了时间同步精度。
2.本发明方法不需要每个现场节点定期广播时间信息，只需要在相应的超帧周期内侦听到其他任意一个现场节点发送的任意的数据帧（例如工厂自动化中现场节点需要发送的周期性数据）和AP广播聚合的时间同步帧就可实现整个网络的时间同步，降低了时间同步网络开销，提高了网络的有效吞吐量，且适用于大规模网络的时间同步。
附图说明
图1为本发明中基于IEEE802.11单跳网络的工厂自动化无线网络拓扑；
图2为本发明中TDMA超帧结构的示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明方法应用于工厂自动化无线网络中，该网络为基于IEEE802.11单跳BSS结构的星型网络。
本发明方法包括以下步骤：
如图1所示，工厂自动化无线星型网络单元包括：接入点AP和现场节点。其中，现场节点负责采集工厂自动化相关的各类参数；接入点AP负责将现场节点采集到的数据通过分布式网络转发到主控计算机。
网络中的所有节点都要维护一个本地内部定时器TSF（TimingSynchronization Function）。本发明中，TSF定时器的时钟脉冲设为1us。AP是整个网络的时钟源，其TSF将作为全网的基准时钟。
所述TDMA机制预先分配的用于各个现场节点发送数据帧以及时间同步数据帧的发送和接收时隙见图2，其中，时隙的长度相等，一定数量的时隙组成一个超帧，超帧周期性循环。
本发明方法通过以下描述的算法实现。
（1）将AP内部的时钟设为时钟源，现场节点通过短地址进行标识，其内部的时钟设为从时钟；一个星型结构网络单元设有惟一的网络ID，AP和现场节点发送的数据帧中均携带此网络ID值；当某个现场节点需要同步自身时钟时，该现场节点在下一个超帧周期开始时开启射频接收功能，当该现场节点接收到同一个网络ID内其他现场节点的数据帧（例如工厂自动化中现场节点需要发送的周期性数据或报警数据等）时，记录接收到的数据帧的源地址和接收时刻的时间值TS，数据帧通用格式如下表所示。
| 1字节 | 1字节 | 2字节 | 可变长度 |
| 数据链路层帧控制 | 网络ID | 源地址 | 数据载荷 |
AP负责接收所有现场节点的数据帧，并记录所有接收到的数据帧的源地址和接收时间值。
（2）AP将超帧周期内记录的所有收到的数据帧的源地址和接收时间值聚合成时间同步数据帧，并在下一个超帧周期的第一个时隙内广播该时间同步数据帧，时间同步数据帧格式如下表所示。
（3）待同步的现场节点收到AP广播的时间同步数据帧后，解析时间同步数据帧的载荷部分，提取上一超帧周期内AP接收到相同数据帧的时间值TM，则现场节点的内部时钟与AP内部时钟偏移量Offset为：
Offset=TM–TS
现场节点根据Offset值校准本地时钟TSF：
TSF=TSF+Offset
（4）现场节点校准时间完成后，清除所记录的数据帧源地址和接收时刻时间值；AP清除上一个超帧周期内记录的所有收到的数据帧的源地址和接收时间值，并开始记录当前超帧周期的数据帧的源地址和接收时间值。
Claims (6)
1.一种星型网络下基于接收者的低开销时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
将AP作为基于接受者的时间同步时间基准，现场节点和AP同时接收同一网络ID的数据帧，并记录接收时刻时间值；AP将所有收到的数据帧的源地址和接收时间值聚合成时间同步数据帧，并在下一个超帧周期的第一个时隙内广播该时间同步数据帧；通过比较AP与现场节点所记录的接收时刻时间值，完成时间同步。
2.根据权利要求1所述的一种星型网络下基于接收者的低开销时间同步方法，其特征在于，所述将AP作为基于接受者的时间同步时间基准，现场节点和AP同时接收同一网络ID的数据帧，并记录接收时刻时间值，具体为：
某个现场节点需要同步自身时钟时，在下一个超帧周期开始时开启射频接收功能；当该现场节点接收到同一个网络ID内其他现场节点的数据帧时，记录接收到的数据帧的源地址和接收时刻的时间值；AP接收所有现场节点的数据帧，并记录其源地址和接收时间值。
3.根据权利要求1所述的一种星型网络下基于接收者的低开销时间同步方法，其特征在于，所述通过比较AP与现场节点所记录的接收时刻时间值，完成时间同步，包括以下步骤：
待同步的现场节点收到AP广播的时间同步数据帧后，解析时间同步数据帧的载荷部分，提取上一超帧周期内AP接收到相同数据帧的时间值TM，则现场节点的内部时钟与AP内部时钟偏移量Offset为：
Offset=TM–TS
其中，TS为现场节点接收到数据帧的时间值；
现场节点根据Offset值校准本地时钟TSF：
TSF=TSF+Offset 。
4.根据权利要求3所述的一种星型网络下基于接收者的低开销时间同步方法，其特征在于，现场节点校准时间完成后，现场节点清除所记录的数据帧源地址 和接收时刻时间值，AP清除上一个超帧周期内记录的所有收到的数据帧的源地址和接收时间值，并开始记录当前超帧周期的数据帧的源地址和接收时间值。
5.根据权利要求1所述的一种星型网络下基于接收者的低开销时间同步方法，其特征在于，所述数据帧包括数据链路层帧控制、网络ID、源地址和载荷。
6.根据权利要求1所述的一种星型网络下基于接收者的低开销时间同步方法，其特征在于，所述时间同步数据帧包括数据链路层帧控制、网络ID、源地址和载荷，载荷包括AP收到的各个周期性过程数据所对应的现场节点源地址和接收时刻时间值。
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