一种星型网络下基于接收者的低开销时间同步方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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1(T9 ; (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。
[0003]对应于工厂自动化无线网络的上述要求，I邸E802. 11标准族因其物理层具有高速 的特点W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W及有效避免冲突的特点，可W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 W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，为此一般要求超峽周期小于20ms，进而 要求微砂级的时隙长度。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。
[0004]I邸E802. 11-2007标准的基本服务集（BasicServiceSet,BSS)为单跳星型网络， 其同步方法的原理为：
[0005] 1.接入点（AP，Access化int)向网络中的各个节点广播带有时戳信息的信标 (Beacon)中贞；
[000引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。
[0007]然而，该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峽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，规定了信标峽的传输延迟用 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 I邸E802. 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。
[0008] 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-synProtocolforSensorNetworks)和精准时间协议（PTP,PrecisionTime Protocol),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， ReferenceBroadcastSync虹onization),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该个消息的到达时间，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。
[0009] 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超峽 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】
[0010] 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W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IE邸802. 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。
[0011] 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W下步骤：
[001引将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的数据峽，并记录接收时刻时间值;AP将所有收到的数据峽的源地址和接收时间值聚合成 时间同步数据峽，并在下一个超峽周期的第一个时隙内广播该时间同步数据峽；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。
[001引所述将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的数据峽，并记录接收时刻时间值，具体为：
[0014] 某个现场节点需要同步自身时钟时，在下一个超峽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峽时，记录接收到的数据峽 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峽，并记录其源地址和接收时 间值。
[0015] 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W下 步骤：
[0016] 待同步的现场节点收到AP广播的时间同步数据峽后，解析时间同步数据峽的载 荷部分，提取上一超峽周期内AP接收到相同数据峽的时间值T"，则现场节点的内部时钟与AP内部时钟偏移量Offset为：
[0017]Offset=T"- Ts
[001引其中，Ts为现场节点接收到数据峽的时间值；
[0019] 现场节点根据Offset值校准本地时钟TSF;
[0020] TSF=TSF+0ffset
[0021] 现场节点校准时间完成后，现场节点清除所记录的数据峽源地址和接收时刻时间 值，AP清除上一个超峽周期内记录的所有收到的数据峽的源地址和接收时间值，并开始记 录当前超峽周期的数据峽的源地址和接收时间值。
[0022] 所述数据峽包括数据链路层峽控制、网络ID、源地址和载荷。
[0023]