一種面向?qū)哟位悩?gòu)網(wǎng)絡(luò)的時間同步方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及工業(yè)實時應(yīng)用的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具體地說是一種面向?qū)哟位悩?gòu)網(wǎng)絡(luò) 的時間同步方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 有線W太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)界的大規(guī)模應(yīng)用帶來了極大的經(jīng)濟效益，相關(guān)技術(shù)已趨于 成熟，但布線環(huán)境、成本、通信范圍等問題限制了有線W太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用。然而隨著無線網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的低成本、高可靠、移動性等特點使得其在工業(yè)界的應(yīng)用成為 了可能，在擴展工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)范圍、降低布網(wǎng)難度方面產(chǎn)生了極大作用。但受工業(yè)現(xiàn)場控制 的實時性、穩(wěn)定性W及可靠性的要求，無線網(wǎng)絡(luò)固有的鏈路不穩(wěn)定、易受外界電磁環(huán)境影響 等問題使得工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)不可能完全替代有線W太網(wǎng)。因此，本發(fā)明提出了一個如圖1所 示的工業(yè)實時應(yīng)用的層次化異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。
[0003] 當(dāng)前的分布式工業(yè)現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)都是基于TDMA通信技術(shù)、工業(yè)現(xiàn)場節(jié)點的數(shù)據(jù) 融合需求、網(wǎng)絡(luò)指定的QoS指標（時延、吞吐量等）等需要運行在時間同步的網(wǎng)絡(luò)中。同時， 故障節(jié)點的定位與檢測也需要精確的時間基準。所W對異構(gòu)網(wǎng)的時間同步精度提出了更高 的要求。目前，大量的時間同步機制如RBS、TPSN等被廣泛使用，但該些同步機制都是本網(wǎng) 同步。如有線W太網(wǎng)具有的IEEE1588同步協(xié)議，其同步精度可達次微砂級，已滿足大部分 工廠應(yīng)用需求；802. 11無線網(wǎng)絡(luò)所提供的TSF(TimeSync虹onizationF^mction)是在應(yīng) 用層實現(xiàn)同步，精度很低，雖然驅(qū)動層的同步機制已經(jīng)實現(xiàn)，但其精度也只達到微砂級。而 且由于通信技術(shù)的差異，且缺乏統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施、信息交換端口及機制、同步信息格式，異 構(gòu)網(wǎng)的同步精度、可靠性往往更低。
[0004]IE邸1588協(xié)議雖然是W有線W太網(wǎng)為應(yīng)用背景，但是由于其建立在UDP/IP協(xié)議 之上，使得IE邸1588在無線網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用成為了可能。但IE邸1588的高精度同步實現(xiàn)是 W硬件層時戳為基礎(chǔ)，而現(xiàn)有的無線芯片集成度很高，不提供硬件層時戳接口，則直接將 IEEE1588應(yīng)用到異構(gòu)網(wǎng)中的同步精度不高；現(xiàn)有的通過提高同步包發(fā)送速率補償信道接 入延遲的解決方法精度只達到ms量級。在傳統(tǒng)的IE邸1588協(xié)議的同步機制中，主從節(jié)點 的時間同步需要四次時間信息傳遞，該對于有限的網(wǎng)絡(luò)帶寬而言，大量的時間信息會增加 帶寬負擔(dān)；且化ll〇w_up信息的傳遞對于802. 11無線網(wǎng)絡(luò)而言是不可取的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)存的問題，本發(fā)明提出了一種面向?qū)哟位悩?gòu)網(wǎng)絡(luò)的時間同步方法。
[0006] 本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是；一種面向?qū)哟位悩?gòu)網(wǎng)絡(luò)的時間同 步方法，包括W下步驟：
[0007] 將工業(yè)現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)的各類節(jié)點搭建成層次化異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；
[000引設(shè)計本地W太子網(wǎng)和無線mesh回程網(wǎng)接口處的邊界時鐘；
[0009]采用分層同步機制實現(xiàn)全網(wǎng)時間同步。
[0010] 所述層次化異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)包括無線mesh回程網(wǎng)，現(xiàn)場有線w太網(wǎng)絡(luò)和Internet骨干 網(wǎng)H層結(jié)構(gòu)；其中，
[0011] 無線mesh回程網(wǎng)采用集中式管理，包括四種節(jié)點；mesh網(wǎng)關(guān)，負責(zé)接入Internet 骨干網(wǎng)；meshAP，負責(zé)子網(wǎng)接入，實現(xiàn)邊界時鐘模塊；mesh路由器，負責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；服務(wù)器， 實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理，并發(fā)起全網(wǎng)時間同步；
[0012] 現(xiàn)場有線W太子網(wǎng)負責(zé)現(xiàn)場設(shè)備檢測控制信息傳輸；
[0013] Internet骨干網(wǎng)提供遠程控制與數(shù)據(jù)傳輸。
[0014] 所述本地W太子網(wǎng)和無線mesh回程網(wǎng)接口處的邊界時鐘的結(jié)構(gòu)為；WiFi端口為 主時鐘端口，化hernet端口為從時鐘端口；當(dāng)WiFi端口和上層節(jié)點進行同步時，經(jīng)時鐘模 塊的調(diào)節(jié)器調(diào)整本地時鐘與上層節(jié)點實現(xiàn)同步，并據(jù)此為化hernet端口的Sync信號打時 戳，與下層節(jié)點實現(xiàn)同步。
[0015] 所述邊界時鐘的設(shè)計滿足：
[0016] (1)使應(yīng)用層同步協(xié)議找IE邸1588實現(xiàn)WE_STEP的時間同步機制；
[0017] (2)實現(xiàn)硬件層無線端口側(cè)的同步時戳。
[001引所述采用分層同步機制實現(xiàn)全網(wǎng)時間同步包括：
[0019] 無線mesh回程網(wǎng)中的服務(wù)器節(jié)點發(fā)起層發(fā)現(xiàn)階段；服務(wù)器節(jié)點的層號為0, 一跳 范圍的鄰居節(jié)點ai層號為1，節(jié)點ai的一跳范圍內(nèi)未標注層號的鄰居節(jié)點層號為2,依次 類推直到發(fā)現(xiàn)所有的meshAP節(jié)點；meshAP節(jié)點所接入的本地W太子網(wǎng)結(jié)構(gòu)為星形結(jié)構(gòu)， meshAP為本地W太子網(wǎng)的中也節(jié)點，本地W太子網(wǎng)節(jié)點不標注層號；
[0020] 時間同步階段；服務(wù)器節(jié)點時鐘作為全網(wǎng)參考時鐘，并加入GPS時鐘源；相鄰層節(jié) 點之間的時間同步采用IE邸1588協(xié)議化e_step時間同步機制；當(dāng)mesh AP節(jié)點完成與無 線mesh回程網(wǎng)中的主時鐘同步后，則作為本地W太子網(wǎng)的主時鐘實現(xiàn)W太子網(wǎng)的時間同 步，進而實現(xiàn)全網(wǎng)時間同步。
[0021] 所述時間同步包括W下步驟：
[0022] 主時鐘發(fā)送記錄發(fā)送時間T1的報文給從時鐘；從時鐘記錄報文到達時間T2,并獲 得報文的發(fā)送時間T1，隨機等待一段時間后發(fā)送延時請求報文，并記錄發(fā)送時間T3;主時 鐘收到報文后記錄其到達時間T4,并發(fā)送包含T4的延時請求相應(yīng)報文給從時鐘；至此，從 時鐘得到四個時間值T1、T2、T3、T4,并據(jù)此計算與主時鐘之間的時間偏移0和鏈路延時D:
[0023] 0= ((T2-Tl)-(T4-T3))/2 (1)
[0024] D=((T2-Tl)+(T4-T3))/2 (2)
[00巧]同時根據(jù)相鄰兩次的同步信息T1. 1、T1. 2、T2. 1、T2. 2,計算主從時鐘時間變化差 值：
[0026] A=(T1. 2-T1. 1)-(T2. 2-T2. 1) (3)
[0027] 從時鐘根據(jù)計算得到的時間偏移0和時間變化差值A(chǔ)調(diào)整本地時鐘，實現(xiàn)與主時 鐘之間的時間同步。
[0028] 本發(fā)明的層次化異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)時間同步方法，是在充分考慮現(xiàn)有工業(yè)有線網(wǎng)絡(luò)和無線 網(wǎng)絡(luò)的特點及應(yīng)用需求，并基于現(xiàn)有的IE邸1588和IE邸802. 11協(xié)議提出的，所設(shè)計的邊界 時鐘解決了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中本地W太子網(wǎng)和無線mesh回程網(wǎng)之間因網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不同、同步信息 交換即端口不一致所造成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)時間同步精度低問題。具體表現(xiàn)在：
[0029] 1.本發(fā)明基于現(xiàn)有的IE邸1588和IE邸802. 11協(xié)議，不引入額外的上層軟件協(xié)議 設(shè)計開銷；
[0030] 2.本發(fā)明采用IE邸1588的0ne_step同步機制，在IE邸1588同步包Sync的origin Timestamp域和IE邸802. 11信標峽beacon化ame中填加時戳值，減少了 1/4的同步信息， 減輕網(wǎng)絡(luò)負載；
[0031] 3.本發(fā)明在邊界時鐘無線網(wǎng)絡(luò)端口測實現(xiàn)了硬件時戳，同時作為W太子網(wǎng)的主時 鐘，極大地提高了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的同步精度。
【附圖說明】
[0032] 圖1本發(fā)明的工業(yè)實時應(yīng)用的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)示意圖；
[0033] 圖2本發(fā)明的邊界時鐘結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034] 圖3基于IE邸1588協(xié)議同步機制示意圖；
[00巧]圖4基于IE邸1588協(xié)議的^e_st巧同步機制示意圖；
[0036] 圖5本發(fā)明的邊界時鐘的時鐘模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037] 圖6常見的打時戳位置示意圖；
[0038] 圖7本發(fā)明的邊界時鐘的信號檢測模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039] 圖8全網(wǎng)同步的流程圖。。
【具體實施方式】
[0040] 下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0041] 本發(fā)明包括W下內(nèi)容，構(gòu)建工業(yè)實時應(yīng)用的層次化異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計本地W太子網(wǎng) 和無線mesh回程網(wǎng)的接口處的邊界時鐘，采用分層同步機制實現(xiàn)全網(wǎng)時間同步；
[004引如圖1所示，工業(yè)實時應(yīng)用的層次化異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)包括無線mesh回程網(wǎng)，現(xiàn)場有線W太網(wǎng)絡(luò)和Internet骨干網(wǎng)H層結(jié)構(gòu)。其中無線mesh回程網(wǎng)采用集中式管理，包括四種節(jié) 點；mesh網(wǎng)關(guān)，負責(zé)接入Internet骨干網(wǎng)；meshAP，負責(zé)子網(wǎng)接入，實現(xiàn)邊界時鐘模塊； mesh路由器，負責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；服務(wù)器，實現(xiàn)