專利名稱：基于tdma的工廠自動(dòng)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具體地說(shuō)是一種基于TDMA的工廠自動(dòng)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法。
背景技術(shù)：
工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是繼現(xiàn)場(chǎng)總線之后，工業(yè)控制領(lǐng)域的又一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)，是降低工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)成本，提高工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用范圍的革命性技術(shù)，也是未來(lái)幾年工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品新的增長(zhǎng)點(diǎn)。工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)面向設(shè)備間短程、低速率信息交互，適合在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境使用，具有很強(qiáng)的抗干擾能力、超低能耗、實(shí)時(shí)通信等技術(shù)特征，是對(duì)現(xiàn)有無(wú)線技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用方向上的功能擴(kuò)展和技術(shù)創(chuàng)新，并最終轉(zhuǎn)化為新的無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。目前，工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于高速的工廠自動(dòng)化領(lǐng)域，成為繼面向過(guò)程自動(dòng)化的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后，國(guó)際上無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的又一焦點(diǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)的有線總線技術(shù)，工廠自動(dòng)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不僅具有低成本、易安裝、易維護(hù)的優(yōu)勢(shì)，而且能夠避免設(shè)備因移動(dòng)導(dǎo)致的線纜易老化、線纜污染、滑環(huán)電力接觸易失敗等問(wèn)題。然而，工廠自動(dòng)化對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)有著更苛刻的要求:(I)高可靠性，丟包率低于10_9 ； (2)高通信速率，傳輸速率在Mbit/s的量級(jí)；(3)高實(shí)時(shí)性，要求延遲低于IOms ; (4)大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，要求支持百點(diǎn)至千點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。對(duì)應(yīng)于工廠自動(dòng)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的上述要求，IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)族因其物理層具有高速的特點(diǎn)以及單跳網(wǎng)絡(luò)具有高實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，成為工廠自動(dòng)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)物理層的首選。同時(shí)，TDMA機(jī)制因其確定性的資源分配以及有效避免沖突的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)較高的可靠性和實(shí)時(shí)性，因此成為工廠自動(dòng)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問(wèn)控制層的首選。然而，選擇高速的物理層以及基于TDMA的介質(zhì)訪問(wèn)控制層，需要網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中精準(zhǔn)的時(shí)間同步。同時(shí)，工廠自動(dòng)化中的PLC循環(huán)周期通常為2-50ms，常見(jiàn)為20ms，為此一般要求超幀周期小于20ms，進(jìn)而要求微秒級(jí)的時(shí)隙長(zhǎng)度。節(jié)點(diǎn)中的時(shí)鐘由內(nèi)部硬件決定，受制作工藝、外界環(huán)境等因素的影響，每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)的時(shí)間有所差別，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行一段時(shí)間后，節(jié)點(diǎn)間就會(huì)產(chǎn)生一定的時(shí)間偏差，即存在時(shí)間漂移。因此，定期地為節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行時(shí)間同步就尤為重要，較高的時(shí)間同步精度保證了時(shí)隙對(duì)齊，是工廠自動(dòng)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)獲得高可靠性與實(shí)時(shí)性的關(guān)鍵?，F(xiàn)有基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的單跳網(wǎng)絡(luò)的同步方法的原理為:接入點(diǎn)(AccessPoint,AP)向網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)廣播帶有時(shí)間戳信息的信標(biāo)(Beacon)幀；節(jié)點(diǎn)根據(jù)獲取的AP的時(shí)戳信息校準(zhǔn)自身的時(shí)鐘，達(dá)到全網(wǎng)的同步。然而，這類方法只是利用經(jīng)驗(yàn)值補(bǔ)償時(shí)鐘的偏差，沒(méi)有計(jì)算時(shí)戳數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的多種延遲，具體包括協(xié)議棧的處理延遲、物理層接口到無(wú)線媒介接口(天線)的延遲以及信息在空氣中傳播的延遲。這類方法的同步精度尚有很大的提升空間。IEEE 1588提出的PTP(Precision Time Protocol)精確時(shí)間同步方法，通過(guò)靈活設(shè)置主時(shí)鐘和從屬時(shí)鐘以及收發(fā)兩次時(shí)間同步信息來(lái)抵消各類延遲，從而可以獲得較高的同步精度。但PTP面向有線以太網(wǎng)，無(wú)法直接應(yīng)用于基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的WLAN中。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)以及TDMA機(jī)制的工廠自動(dòng)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)高精度時(shí)間同步方法。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是:一種基于TDMA的工廠自動(dòng)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，包括以下步驟:將工廠自動(dòng)化無(wú) 線網(wǎng)絡(luò)組建成基于IEEE 802.11單跳B(niǎo)SS結(jié)構(gòu)的星型網(wǎng)絡(luò)；將AP內(nèi)部的時(shí)鐘設(shè)為主時(shí)鐘，各節(jié)點(diǎn)(現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)或者手持節(jié)點(diǎn))通過(guò)標(biāo)識(shí)符ID進(jìn)行標(biāo)識(shí)，其內(nèi)部的時(shí)鐘設(shè)為從時(shí)鐘；AP在每個(gè)超幀周期開(kāi)始的第一個(gè)時(shí)隙廣播帶有硬件時(shí)戮的Beacon巾貞；帶有硬件時(shí)戳的Beacon幀尾部有硬件時(shí)戳值，其值記為Tml ;節(jié)點(diǎn)收到AP廣播的Beacon巾貞后，記錄收到Beacon時(shí)的TSF值,其值記為Tsl ；各個(gè)節(jié)點(diǎn)在TDMA機(jī)制中預(yù)先分配的時(shí)隙內(nèi)，依次向AP發(fā)送延遲請(qǐng)求Beacon巾貞；AP記錄各個(gè)節(jié)點(diǎn)的延遲請(qǐng)求Beacon巾貞到達(dá)AP時(shí)的TSF值,其值記為Tm2,并記錄各個(gè)延遲請(qǐng)求Beacon幀中載有的Ts2和節(jié)點(diǎn)ID ；AP將各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的ID以及時(shí)間值Tm2和Ts2通過(guò)延遲響應(yīng)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行捎帶，并利用TDMA機(jī)制預(yù)先分配的廣播時(shí)隙廣播給各個(gè)節(jié)點(diǎn)；各個(gè)節(jié)點(diǎn)收到AP的延遲響應(yīng)數(shù)據(jù)幀后，抽取對(duì)應(yīng)ID的時(shí)間值Tm2和Ts2 ；計(jì)算主時(shí)鐘和從時(shí)鐘之間的延遲
權(quán)利要求
1.一種基于TDMA的工廠自動(dòng)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，其特征在于，包括以下步驟: 將工廠自動(dòng)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組建成基于IEEE 802.11單跳B(niǎo)SS結(jié)構(gòu)的星型網(wǎng)絡(luò)； 將AP內(nèi)部的時(shí)鐘設(shè)為主時(shí)鐘，各節(jié)點(diǎn)(現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)或者手持節(jié)點(diǎn))通過(guò)標(biāo)識(shí)符ID進(jìn)行標(biāo)識(shí)，其內(nèi)部的時(shí)鐘設(shè)為從時(shí)鐘；AP在每個(gè)超幀周期開(kāi)始的第一個(gè)時(shí)隙廣播帶有硬件時(shí)戳的Beacon中貞； 帶有硬件時(shí)戳的Beacon幀尾部有硬件時(shí)戳值，其值記為Tml ;節(jié)點(diǎn)收到AP廣播的Beacon巾貞后，記錄收到Beacon時(shí)的TSF值,其值記為Tsl ； 各個(gè)節(jié)點(diǎn)在TDMA機(jī)制中預(yù)先分配的時(shí)隙內(nèi)，依次向AP發(fā)送延遲請(qǐng)求Beacon巾貞； AP記錄各個(gè)節(jié)點(diǎn)的延遲請(qǐng)求Beacon幀到達(dá)AP時(shí)的TSF值，其值記為Tm2，并記錄各個(gè)延遲請(qǐng)求Beacon幀中載有的Ts2和節(jié)點(diǎn)ID ； AP將各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的ID以及時(shí)間值Tm2和Ts2通過(guò)延遲響應(yīng)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行捎帶，并利用TDMA機(jī)制預(yù)先分配的廣播時(shí)隙廣播給各個(gè)節(jié)點(diǎn)； 各個(gè)節(jié)點(diǎn)收到AP的延遲響應(yīng)數(shù)據(jù)幀后，抽取對(duì)應(yīng)ID的時(shí)間值Tm2和Ts2 ； 計(jì)算主時(shí)鐘和從時(shí)鐘之間的延遲
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于TDMA的工廠自動(dòng)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，其特征在于，所述各節(jié)點(diǎn)為現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)和/或手持節(jié)點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于TDMA的工廠自動(dòng)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，其特征在于，所述帶有硬件時(shí)戳的Beacon幀的子域包括幀控制、序列號(hào)、源地址、載荷和硬件時(shí)戳值，其中，幀控制、序列號(hào)、源地址子域和載荷的長(zhǎng)度和內(nèi)容與IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)中Beacon幀的格式對(duì)應(yīng)，硬件時(shí)戳值位于原有IEEE802.1lBeacon幀的尾部，為7個(gè)比特，其值記為Tml。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于TDMA的工廠自動(dòng)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，其特征在于，所述延遲請(qǐng)求Beacon巾貞的格式與AP廣播給各個(gè)節(jié)點(diǎn)的Beacon巾貞的格式相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于TDMA的工廠自動(dòng)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，其特征在于，所述延遲響應(yīng)數(shù)據(jù)幀包括幀控制、序列號(hào)、源地址、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和載荷，所述載荷捎帶節(jié)點(diǎn)的ID號(hào)和時(shí)間值。
全文摘要
本發(fā)明涉及工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具體地說(shuō)是一種基于TDMA的工廠自動(dòng)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法。基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)和TDMA機(jī)制，采用硬件打時(shí)戳的方法，通過(guò)統(tǒng)計(jì)收發(fā)雙方的時(shí)戳值，消除了協(xié)議棧的處理延遲、物理層接口到無(wú)線媒介接口(天線)的延遲以及信息在空氣中傳播的延遲帶來(lái)的時(shí)間偏差，實(shí)現(xiàn)了工廠自動(dòng)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)高精度的時(shí)間同步。本發(fā)明在不產(chǎn)生額外開(kāi)銷的前提下，最大限度地提高基于IEEE 802.11單跳網(wǎng)絡(luò)的工廠自動(dòng)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步精度，滿足工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)對(duì)于傳輸速率、可靠性、實(shí)時(shí)性以及網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的苛刻要求，達(dá)到高同步精度、高效率、低開(kāi)銷以及易于實(shí)現(xiàn)等目標(biāo)。
文檔編號(hào)H04B7/26GK103178918SQ20111044203
公開(kāi)日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2011年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月26日
發(fā)明者梁煒, 楊雨沱, 張曉玲, 于海斌 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所