[发明专利]基于预测补偿的工业无线网络高精度时间同步方法

说明书

技术领域

本发明涉及工业无线网络技术，具体地说是一种基于预测补偿的工业无线网络高精度时间同步方法。

背景技术

工业无线网络技术是继现场总线之后，工业测控领域的又一个热点技术，是降低工业测控系统成本、提高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。工业无线网络技术适用于恶劣的工业现场环境，具有抗干扰能力强、能耗低、实时通信等技术特征，是对现有无线技术在工业应用方向上的功能扩展和技术创新，并最终转化为新的无线技术标准。目前，工业无线网络技术逐渐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。面向工厂自动化的工业无线网络不仅具有工业无线网络低成本、易安装、易维护的优势，而且能够避免工厂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，面向工厂自动化的工业无线网络面临着更加苛刻的需求：（1）大网络规模，要求支持百点至千点的节点数量；（2）高通信速率，传输速率要求Mbit/s的量级；（3）高可靠性，端到端的传输成功率要求99.99%；（4）高实时性，端到端的通信延迟要求低于10ms。

目前面向工厂自动化的工业无线网络的研究刚刚起步。其中，高速率的IEEE802.11物理层满足高通信速率的要求，而成为工厂自动化无线网络物理层的首选。同时，采用TDMA确定性资源分配机制可以有效避免冲突，实现较高的可靠性和实时性，从而成为工厂自动化无线网络介质访问控制层（MAC，Medium Access Control layer）的首选。此外，为了进一步保证实时性，工厂自动化无线网络往往采用星型拓扑结构。实现这些技术面临的一个重要挑战是精准的时间同步。在工厂自动化应用中，PLC循环周期通常为2-50ms，常见为20ms，为此一般要求TDMA机制下的超帧周期小于20ms。考虑到网络规模百点至千点的要求，超帧中的时隙长度需要达到微秒级。然而，较小的时隙内通信要求较高的时间同步精度以保证时隙对齐，这是实现高可靠性和高实时性的关键。

现有典型的时间同步方法，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 Time Protocol），利用双向交互的时戳信息获取时间偏差，调整本地时钟。这类算法消除了时戳值在传递过程中的延迟，但忽略了时钟漂移对于时间同步精度的影响。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，即存在时钟漂移。时钟漂移是晶振固有的特性。当网络规模较大时，时钟漂移将引入较大的时间同步误差。此外，如果同步失败，则节点之间的时间偏差无法校准，严重影响节点之间的实时、可靠通信。

发明内容

针对现有时间同步方法未考虑时钟漂移或者同步失败带来的时间同步误差较大的问题，本发明提出一种基于预测补偿的工业无线网络高精度时间同步方法，面向IEEE 802.11星型网络和TDMA资源分配机制，通过双向交互的时间戳信息预测下一个同步周期的时间偏差，节点根据预测的时间偏差值逐步校准自身时钟，避免了由于同步失败导致的时间偏差太大的问题，进一步降低了时间同步误差。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于预测补偿的工业无线网络高精度时间同步方法，包括以下步骤：

将面向工厂自动化的工业无线网络组建为基于IEEE 802.11单跳基本服务集BSS结构的星型网络；

按照工业无线网络中的节点的类型和功能，设置主时钟和从时钟；

主时钟端和从时钟端之间通过双向时间戳信息交互，计算当前同步周期的时间偏差值；

利用当前同步周期的时间偏差值预测下一个同步周期的时间偏差值；

利用预测得到的下一个同步周期的时间偏差值补偿时钟漂移，校准时钟。

所述工业无线网络中的节点包括：接入点AP、冗余AP、现场节点和/或手持节点，其中，现场节点和/或手持节点负责采工业无线网络中的现场数据；接入点AP负责将现场节点和/或手持节点采集到的数据转发到主控计算机；冗余AP在接入点AP无法正常工作时代替其运行。

所述主时钟为AP的TSF；所述从时钟为网络中其他节点的内部时钟。

所述主时钟端和从时钟端之间通过双向时间戳信息交互，计算当前同步周期的时间偏差值，包括以下步骤：