用于通讯网络中的时间同步的方法

用于通讯网络中的时间同步的方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于在通讯网络中的时间同步的方法，该网络包括具有主节点和多个从节点的大量网络节点。主节点利用主时钟获取主时间，从节点利用内部时钟获取从时间。在该方法中在通讯网络中传输同步报文，在从节点中接收的同步报文包括使从节点的从时间与主时间同步的同步信息。该方法的特征在于，同步报文在封闭的环或线形拓扑中传输，且从节点从不同传输方向接收第一和第二同步报文。从节点将第一时间与来自一传输方向的同步报文同步，并将第二时间与来自另一传输方向的同步报文同步。通过平均第一和第二时间能极准地确定主时间。其优点在于，从节点不必再估计上一从节点到它的传输时间。该方法的应用领域是自动化系统中的时间同步。
【专利说明】用于通讯网络中的时间同步的方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于通讯网络中的时间同步的方法以及相应的通讯网络。

【背景技术】
[0002] 在通讯网络的多种技术应用中需要使参与通讯的网络节点在时间上同步，以便所 有节点提供同步运行精确的时间信息。特别是在工业自动化设备中特别的重要性在于，自 动化的工作过程要将不同的网络节点在时间上准确地相互协调。
[0003] 由现有技术中已知了对于通讯网络中的时间同步的不同标准，例如，IEEE1588， IEEE802. 1AS和IEC61158。其中所谓的主节点的时间信息（该主节点利用主时钟获取时 间）被传输给通讯网络的所有其他参与点，它们被称为所谓的从节点。所述时间信息包含 在从节点所转发的同步报文中。在转发中，从节点将其所有已知的运行延时添加到同步报 文的内容中。从节点以这种方式可以将其利用内部时钟获得的从时间与基于同步报文内容 的主时间进行同步。
[0004] 在已知标准中，每个节点一方面将内部处理时间（所谓的网桥延迟 Bridge-Delay)并且另一方面将传输时间（所谓的路径延迟Line-Delay)添加到同步报文 的相应字段中。内部处理时间具体说明了节点在接收和再次发送之间处理报文需要的持续 时间。与之相反，传输时间确定了在先前的网络节点中发送报文和在进行处理的节点中的 接收之间的持续时间。通常通过在相邻节点之间单独地交换报文来估计该传输时间，这产 生了额外的花费并导致估算误差。


【发明内容】

[0005] 本发明目的在于，实现一种通讯网络中的时间同步的方法，其可以在通讯网络的 网络节点中实现简单准确的时间同步。
[0006] 本发明通过独立专利权利要求来实现。本发明的改进方案在从属权利要求中进行 了限定。
[0007] 根据本发明的方法用于通讯网络中的时间同步，所述通讯网络包括具有主节点和 多个从节点的大量网络节点，其中主节点利用主时钟获取主时间，并且每个从节点利用内 部时钟获取从时间。在此，在通讯网络中传输同步报文，其中在从节点中所接收的同步报文 包括同步信息，所述信息用于将从节点的从时间与主时间进行同步。
[0008] 在根据本发明的方法中，预设由在相邻的网络节点之间的通讯路径构成的封闭拓 扑，其中封闭拓扑确定了在通讯网络的相邻节点之间的第一传输方向和相反的第二传输方 向。同步报文从主节点出发这样在封闭拓扑中进行转发，即通讯网络的至少一部分从节点 分别从第一传输方向获得第一同步报文，并且从第二传输方向获得第二同步报文。
[0009] 从节点的至少一部分的相应的从节点确定了第一时间和第二时间，第一时间基于 第一同步报文的同步信息来同步，第二时间基于第二同步报文的同步信息来同步。通过第 一和第二时间在数学上的平均然后确定了平均时间。在此，这样设计第一和第二同步报文 的同步信息，即平均时间等于主时间。
[0010] 本发明所基于的认识在于，通过在封闭拓扑中由从节点在不同方向上所接收的同 步报文，可以这样确定同步信息，即由从同步报文中得出的时间的平均可以推导出主时间， 而不必传输对于在节点之间的传输时间的附加信息。
[0011] 在根据本发明的方法的一种变体中，封闭拓扑是环形拓扑，其中主节点在环形拓 扑的第一传输方向上发送第一同步报文，并且在环形拓扑的第二传输方向上发送第二同步 报文。封闭拓扑同样也可以是线形拓扑，其由主节点在第一传输方向上引导至反射从节点 并从该处又引导回主节点。此时，主节点在第一传输方向上发送第一同步报文。第一同步 报文在转发时通过反射从节点变为第二同步报文。
[0012] 本发明的一个特别优选的实施方式中，在通过封闭拓扑结构传输第一和第二同步 报文的循环中，在转发第一和第二同步报文时，相应的从节点将第一和第二同步报文的接 收和发送之间的内部处理时间（网桥延迟（Bridge-Delay))以及在循环中确定的预定传输 时间添加到同步信息中。在此在环形拓扑中通过依次发送第一和第二同步报文来确定第一 和第二同步报文的传输循环。在线形拓扑中，循环描述了从主节点至反射从节点并从该处 又回到主节点的同步报文传输，其中同步报文直到反射从节点为止是第一同步报文，并且 然后是第二同步报文。将前述预定传输时间在主节点中设置或调节至沿着一个通讯路径的 第一或第二同步报文的平均传输时间。由此不必已知在各个网络节点之间的实际路径延迟 (路径延迟（Line-Delay))。
[0013] 在上述实施方式的一个优选变体中，这样在主节点中实现至平均传输时间的调 节，即主节点从在循环中所接收的第一或第二同步报文中确定一个误差，即在沿着封闭拓 扑的所有通讯路径的实际累积的传输时间和根据第一或第二同步报文中的同步信息累积 的传输时间之间的误差。主节点基于所述误差为下一次循环测定新的平均传输时间。
[0014] 在一个特别优选的实施方式中，至平均传输时间的调节基于以下方程来实现：
[0015]

【权利要求】
1. 一种用于在通讯网络中的时间同步的方法，所述通讯网络包括具有主节点（Μ)和 多个从节点（SL1，SL2, . . .，SL6)的大量网络节点（M，SL1，SL2, . . .，SL6)，其中所述主节 点（ΜΑ)利用主时钟获得主时间，并且每个所述从节点（SL1，SL2, ...，SL6)利用内部时钟 获得从时间，其中在所述通讯网络中传输同步报文（SYN1，SYN2)，并且在所述从节点（SL1， SL2，...，SL6)中接收的所述同步报文（SYN1，SYN2)包括同步信息，所述同步信息用于使所 述从节点（SL1，SL2, . . .，SL6)的所述从时间与所述主时间同步，其中： -预定由在相邻的所述网络节点（MA，SL1，SL2, . . .，SL6)之间的通讯路径（PA1， PA2, ...，PA7)构成的封闭拓扑，其中所述封闭拓扑确定了在相邻的所述网络节点（MA， SL1，SL2, . . .，SL6)之间的第一传输方向和相反的第二传输方向； -所述同步报文（SYN1，SYN2)从所述主节点（MA)出发在所述封闭拓扑中如下地转发， 即所述从节点（SL1，SL2, ...，SL6)中的至少一部分从节点分别从所述第一传输方向接收 第一同步报文（SYN1)并且从所述第二传输方向接收第二同步报文（SYN2); -所述从节点（SL1，SL2, . . .，SL6)中的至少一部分中的相应的所述从节点（SL1， SL2, . . .，SL6)确定了第一时间（tl)和第二时间（t2)，所述第一时间基于所述第一同步报 文（SYN1)的所述同步信息来同步，所述第二时间（t2)基于所述第二同步报文（SYN2)的所 述同步信息来同步； -通过所述第一时间和所述第二时间（tl，t2)的在数学上的平均来确定平均时间 (ta)，其中所述第一同步报文和所述第二同步报文（SYN1，SYN2)的所述同步信息如下地设 计，即所述平均时间（ta)等于所述主时间。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述封闭拓扑是环形拓扑，其中所述主节点（M) 在所述环形拓扑的所述第一传输方向上发送所述第一同步报文（SYN1)，并且所述主节点在 所述环形拓扑的所述第二传输方向上发送所述第二同步报文（SYN2)。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述封闭拓扑是线形拓扑，将所述线形拓扑 从所述主节点（M)在所述第一传输方向上引导至反射的从节点（SL4)并从该处再次引导 回所述主节点（M)，其中所述主节点（M)在所述第一传输方向上发送所述第一同步报文 (SYN1)，其中所述第一同步报文（SYN1)在通过所述反射的从节点（SL4)转发时变成所述第 二同步报文（SYN2)。
4. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在通过所述封闭拓扑传输所述第一 同步报文和所述第二同步报文（SYN1，SYN2)的循环中，在转发所述第一同步报文和所述第 二同步报文（SYN1，SYN2)时，相应的所述从节点（SL1，SL2,. . .，SL6)将在所述第一同步报 文和所述第二同步报文（SYN1，SYN2)的接收和发送之间的内部处理时间（BD)以及在所述 循环中确定的预定的传输时间（LD)添加到所述同步信息中，其中将预定的所述传输时间 (LD)在所述主节点（MA)中设置或调节至所述第一同步报文或所述第二同步报文沿着通讯 路径（PA1，PA2, . . .，PA7)的平均的传输时间。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中，如下地实现至平均的所述传输时间（LD)的调 节，即所述主节点（MA)从在循环中接收的所述第一同步报文或所述第二同步报文（SYN1， SYN2)中确定在沿着所述封闭拓扑的所有所述通讯路径（PA1，PA2，...，PA7)实际累积的所 述传输时间和根据来自所述第一同步报文或所述第二同步报文（SYN1，SYN2)的所述同步 信息累积的所述传输时间之间的误差，其中在所述主节点（MA)中基于所述误差为下一个 所述循环测定新的平均传输时间。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中，如下地说明至平均的所述传输时间（LD)的所述 调节： LD(k+l) = LD(k)+kj · e (k) 其中LD(k)是当前的所述循环的平均的所述传输时间； 其中LD(k+l)是下一次所述循环的所述新的平均传输时间； 其中e(k)是实际累积的所述传输时间和根据所述同步信息累积的所述传输时间之间 的所述误差； 其中h是调节参数。
7. 根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其中，在所述第一同步报文和所述第二同 步报文（SYN1，SYN2)的字段中传输预定的所述传输时间（LD)。
8. 根据权利要求4至7中任一项所述的方法，其中，所述第一同步报文和所述第二同 步报文（SYN1，SYN2)的所述同步信息包括在所述主节点（MA)中发送所述第一同步报文和 所述第二同步报文（SYN1，SYN2)的时间点的所述主时间以及至少一个修正字段，相应的所 述从节点（SL1，SL2，...，SL6)在转发所述第一同步报文或所述第二同步报文（SYN1，SYN2) 时将所述从节点的所述内部处理时间（BD)和预定的所述传输时间（LD)添加至所述修正字 段中。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中，至少一个所述修正字段包括第一字段和第二字 段，仅将所述内部处理时间（BD)添加到所述第一字段中，仅将预定的所述传输时间（LD)添 加到所述第二字段中。
10. 根据权利要求4至9中任一项所述的方法，其中，相应的所述从节点（SL1， SL2，. ..，SL6)借助于估计的比率补偿因数测定从时间，所述比率补偿因数等于所述主时钟 的时钟脉冲频率与相应的所述从节点（SL1，SL2, ...，SL6)的所述内部时钟的时钟脉冲频 率的比值，其中优选地仅在使用所述第一字段的情况下估计所述比率补偿因数。
11. 根据前述权利要求中任一项与权利要求2相结合所述的方法，其中所述第一同 步报文（SYN1，SYN2)的所述同步信息不包括对于沿着所述通讯路径（PA1，PA2, . . .，PA7) 的传输时间的信息，其中在通过所述封闭拓扑传输所述第一同步报文和所述第二同步报 文（SYN1，SYN2)的循环中，在转发所述第一同步报文（SYN1)时，相应的所述从节点（SL1， SL2，...，SL6)仅将所述从节点的、在所述第一同步报文（SYN1，SYN2)的接收与发送之间的 所述内部处理时间（BD)添加到所述同步信息中，并且在转发所述第二同步报文（SYN2)时， 相应的所述从节点（SL1，SL2, ...，SL6)仅将所述从节点的、在所述第二同步报文（SYN1， SYN2)的接收与发送之间的所述内部处理时间（BD)添加到所述同步信息中，并且相应的所 述从节点还将在所述主节点（M)中估计的、沿着所述封闭拓扑的所有所述通讯路径（PA1， PA2，...，PA7)累积的所述传输时间作为所述第二同步报文（SYN2)的所述同步信息的一部 分进行传输。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中，相应的所述从节点（SL1，SL2, . . .，SL6)借助 于估计的所述比率补偿因数测定从时间，所述比率补偿因数等于所述主时钟的所述时钟脉 冲频率与相应的所述从节点（SL1，SL2,. . .，SL6)的所述内部时钟的时钟脉冲频率的比值， 其中优选地仅在使用在所述第一同步报文和/或所述第二同步报文（SYN1，SYN2)中的所述 内部处理时间（BD)而不考虑沿着所述通讯路径（PA1，PA2，...，PA7)的传输时间的情况下 测定所述比率补偿因数。
13. 根据前述权利要求中任一项与权利要求3相结合所述的方法，其中，所述第一同步 报文以及所述第二同步报文（SYN1，SYN2)的所述同步信息包括第一同步信息和第二同步 信息，其中所述第一同步信息不包括对于沿着所述通讯路径（PA1，PA2, . . .，PA7)的传输 时间的信息，其中在转发所述第一同步报文以及所述第二同步报文（SYN1，SYN2)时，相应 的所述从节点（SL1，SL2, . . .，SL6)仅将在所述第一同步报文或所述第二同步报文（SYN1， SYN2)的接收与发送之间的内部处理时间（BD)添加到所述第一同步信息中，并且相应的所 述从节点还将在所述主节点（M)中估计的、沿着所述封闭拓扑的所有所述通讯路径（PA1， PA2，. ..，PA7)的累积的传输时间作为第二同步信息进行传输，其中基于在相应的所述从节 点（SL1，SL2，...，SL6)中接收的所述第一同步报文（SYN1)的所述第一同步信息测定所述 第一时间（tl)，并且基于在相应的所述从节点（SL1，SL2，...，SL6)中接收的所述第二同步 报文（SYN2)的所述第一同步信息和所述第二同步信息测定所述第二时间（t2)。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中，相应的所述从节点（SL1，SL2, . . .，SL6)借助 于估计的比率补偿因数测定从时间，所述比率补偿因数等于所述主时钟的时钟脉冲频率与 相应的所述从节点的所述内部时钟的时钟脉冲频率的比值，其中优选地仅在使用所述第一 同步信息而不考虑所述第二同步信息的情况下测定所述比率补偿因数。
15. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述时间同步以标准IEEE1588或 者 IEC61588 或者 IEEE802. 1AS 为基础。
16. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述网络节点（MA，SL1，SL2, ...， SL6)基于PROFINET-标准相互通讯。
17. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法应用在工业自动化系统 中。
18. -种通讯网络，所述通讯网络包括具有主节点（MA)和多个从节点（SL1，SL2, ...， SL6)的网络节点（MA，SL1，SL2, ...，SL6)，其中所述主节点（MA)能利用第一时钟获取主 时间，并且每个所述从节点（SL1，SL2, ...，SL6)能利用内部时钟获取从时间，其中同步报 文（SYN1，SYN2)能在所述通讯网络中传输，其中在所述从节点（SL1，SL2, ...，SL6)中接 收的所述同步报文（SYN1，SYN2)包括同步信息，所述同步信息用于使所述从节点（SL1， SL2, ...，SL6)的所述从时间与所述主时间同步，其中所述通讯网络如下地设计，即在所述 通讯网络中能执行一种方法，在所述方法中： -预定由在相邻的所述网络节点（MA，SL1，SL2, . . .，SL6)之间的通讯路径（PA1， PA2, ...，PA7)构成的封闭拓扑，其中所述封闭拓扑确定了在相邻的所述网络节点（MA， SL1，SL2, . . .，SL6)之间的第一传输方向和相反的第二传输方向； -所述同步报文（SYN1，SYN2)从所述主节点（MA)出发在所述封闭拓扑中如下地转发， 即所述从节点（SL1，SL2, ...，SL6)中的至少一部分从节点分别从所述第一传输方向接收 第一同步报文（SYN1)并且从所述第二传输方向接收第二同步报文（SYN2); -所述从节点（SL1，SL2, ...，SL6)中是至少一部分中的相应的所述从节点（SL1， SL2, . . .，SL6)确定了第一时间（tl)和第二时间（t2)，所述第一时间基于所述第一同步报 文（SYN1)的所述同步信息来同步，所述第二时间基于所述第二同步报文（SYN2)的所述同 步息来同步； -通过所述第一时间和所述第二时间（tl，t2)在数学上的平均来确定平均时间（ta)， 其中所述第一同步报文和第二同步报文（SYN1，SYN2)的所述同步信息如下地设计，即所述 平均时间（ta)等于所述主时间。
19.根据权利要求18所述的通讯网络，所述通讯网络设计用于执行根据权利要求2至 17中任一项所述的方法。
【文档编号】H04J3/06GK104125030SQ201410174839
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年4月28日 优先权日:2013年4月29日
【发明者】迈克尔·伯恩哈德·布赫尔, 德拉甘·奥布拉多维奇, 鲁克桑德拉·沙伊特尔, 京特·施泰因德尔 申请人:西门子公司