[发明专利]用于在通讯网络中的时间同步的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于在通讯网络中的时间同步的方法以及一种在通讯网络中的节点和一种相应的通讯网络。

背景技术

在多个技术领域，通讯网络用于在多个单元上自动执行分散的流程。特别是在工业自动化网络中，在此特别重要的是，将这些自动的流程精准地相互协调一致。为此，通讯网络中的单个节点包括与参考节点中的参考时钟同步的相应时钟。参考节点通常也称为主节点，然而另外的具有内部时钟的节点通常称为从节点。

在工业标准IEEEl588、IEEEl588v2、IEC61158和IEEE802·lAS中具体定义了现有技术中公知的、用于使通讯网络中的时钟同步的协议。根据这些协议，以含有时间戳的包形式交换同步消息。在此，同步消息从主节点出发连续性地在从节点之间转发。从主节点出发的同步消息包含在发送消息时根据参考时钟的第一时钟计数状态的时间戳。从节点处理这个信息，并且重新发送同步消息。在此，每个从节点将在前一个节点中发送同步消息的发送时间点与该从节点自身的发送时间点之间的估算的延迟与接收到的同步消息中的第一时钟计数状态相加。由此得出的时钟计数状态被添加到需要发送的同步消息中。同样地，从节点也能够将来自由主节点发送的同步消息的第一时钟计数状态存储到第一区域中，并且在单独的第二区域中加上估算的延迟。基于接收到的同步消息中的信息，每个从节点部能够将根据其内部的时钟的第二时钟计数状态与根据参考时钟的第一时钟计数状态同步。在这里并且在下面并且特别是也在本发明方面要进一步地理解时钟计数状态的概念。例如，时钟计数状态也可以理解为时间数据(例如以纳秒为单位)。

在前述的时钟同步中的一个问题在于，由于确定时间时的测量误差、单个时钟的变化的频率、随机的环境影响和涉及在同步消息的接收和发送之间的时间延迟的未知的变化方式，不能充分准确地将从节点的内部时钟与主节点的参考时钟相匹配。

为了考虑到在时钟同步时的以上不确定性，从文献[2]以及以此为基础的欧洲专利申请(参考[1])中已知的是，基于针对节点的状态变量的概率模型估算每个从节点中的第一时钟计数状态，并且借助估算的第一时钟计数状态使内部时钟与参考时钟同步。在此，相应的第二节点的第二时钟计数状态取决于第一时钟计数状态的变化曲线不是连续的，并且在接收导致同步更新的新同步消息时可能出现跳跃。

在文献[3]以及一个基于该文献的德国专利申请(参考文献[4])中描述了一种同步方法，其中，借助卡尔曼滤波器估算节点中的第一时钟计数状态，并且在基于线性二次型调节器调节的帮助下从这些估算的第一时钟计数状态中得出一个调节后的第一时钟计数状态，该第一时钟计数状态表示同步后的时间。在这种方法中使用了补偿因数，该补偿因数代表主节点的参考时钟的参考时钟频率与从节点的内部时钟的时钟频率的当前时钟关系。该补偿因数是基于已知的方法估算得到的，其中，这种估算存在误差，因为这种估算没有为时钟关系的变化建立模型。

发明内容

本发明的目的是，在通讯网络中实现一种在时间上均匀分布的、高度准确的时间同步。

该目的通过独立的专利权利要求得以解决。本发明的改进方案在从属权利要求中定义。

根据本发明的方法用于在具有多个节点的通讯网络中的时间同步，其中，这些节点包括第一节点和一个或者多个第二节点。在此，第一节点根据参考时钟频率生成第一时钟计数状态，该参考时钟频率以该节点中的参考时钟为基础，或者由第一节点从绝对时间源、例如GPS或DCF77接收到。这个或者这些第二节点分别根据内部的时钟频率生成第二时钟计数状态，该内部时钟频率是由相应的第二节点中的内部时钟得出的。在根据本发明的方法中，在连续性的同步周期中执行时间同步，在这些同步周期中，同步消息从第一节点出发分别连续性地从一个节点传输到另一个节点，并且由节点发出的同步消息包含用于在接收同步消息的节点中进行时间同步的信息。

在根据本发明的方法中，基于以下阐述的步骤i)和ii)在至少一部分的第二节点的相应的第二节点中实现时间同步，并且特别是在所有的第二节点中实现时间同步。在步骤i)中，在接收到的同步消息中的信息的帮助下，基于估算方法为在相应的第二节点中测得的第二时钟计数状态估算第一时钟计数状态和补偿因数，该补偿因数提供参考时钟频率与相应的第二节点的内部时钟频率的当前的时钟关系。紧接着借助线性二次型调节器由估算的第一时钟计数状态和估算的补偿因数得出基于控制回路的调节后的第一时钟计数状态和调节后的补偿因数，该控制回路包含用于调节后的补偿因数的作为调节参量的纠正项。其中，调节后的第一时钟计数状态表示同步后的时间。