[发明专利]一种面向层次化异构网络的时间同步方法在审

专利信息
申请号: 201310728987.4 申请日: 2013-12-26
公开(公告)号: CN104754722A 公开(公告)日: 2015-07-01
发明(设计)人: 曾鹏;于海斌;李栋;王照伟;汪金涛;张延宇 申请(专利权)人: 中国科学院沈阳自动化研究所
主分类号: H04W56/00 分类号: H04W56/00
代理公司: 沈阳科苑专利商标代理有限公司 21002 代理人: 周秀梅;许宗富
地址: 110016 辽*** 国省代码: 辽宁;21
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摘要:
搜索关键词: 一种 面向 层次 化异构 网络 时间 同步 方法
【说明书】:

技术领域

发明涉及工业实时应用的异构网络技术,具体地说是一种面向层次化异构网络的时间同步方法。

背景技术

有线以太网技术在工业界的大规模应用带来了极大的经济效益,相关技术已趋于成熟,但布线环境、成本、通信范围等问题限制了有线以太网技术的应用。然而随着无线网络技术的发展,无线网络技术的低成本、高可靠、移动性等特点使得其在工业界的应用成为了可能,在扩展工业现场网络范围、降低布网难度方面产生了极大作用。但受工业现场控制的实时性、稳定性以及可靠性的要求,无线网络固有的链路不稳定、易受外界电磁环境影响等问题使得工业无线网络不可能完全替代有线以太网。因此,本发明提出了一个如图1所示的工业实时应用的层次化异构网络。

当前的分布式工业现场控制网络都是基于TDMA通信技术、工业现场节点的数据融合需求、网络指定的QoS指标(时延、吞吐量等)等需要运行在时间同步的网络中。同时,故障节点的定位与检测也需要精确的时间基准。所以对异构网的时间同步精度提出了更高的要求。目前,大量的时间同步机制如RBS、TPSN等被广泛使用,但这些同步机制都是本网同步。如有线以太网具有的IEEE1588同步协议,其同步精度可达次微秒级,已满足大部分工厂应用需求;802.11无线网络所提供的TSF(Time Synchronization Function)是在应用层实现同步,精度很低,虽然驱动层的同步机制已经实现,但其精度也只达到微秒级。而且由于通信技术的差异,且缺乏统一的基础设施、信息交换端口及机制、同步信息格式,异构网的同步精度、可靠性往往更低。

IEEE1588协议虽然是以有线以太网为应用背景,但是由于其建立在UDP/IP协议之上,使得IEEE1588在无线网络上的应用成为了可能。但IEEE1588的高精度同步实现是以硬件层时戳为基础,而现有的无线芯片集成度很高,不提供硬件层时戳接口,则直接将IEEE1588应用到异构网中的同步精度不高:现有的通过提高同步包发送速率补偿信道接入延迟的解决方法精度只达到ms量级。在传统的IEEE1588协议的同步机制中,主从节点的时间同步需要四次时间信息传递,这对于有限的网络带宽而言,大量的时间信息会增加带宽负担;且follow_up信息的传递对于802.11无线网络而言是不可取的。

发明内容

针对现存的问题,本发明提出了一种面向层次化异构网络的时间同步方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是:一种面向层次化异构网络的时间同步方法,包括以下步骤:

将工业现场的网络的各类节点搭建成层次化异构网络;

设计本地以太子网和无线mesh回程网接口处的边界时钟;

采用分层同步机制实现全网时间同步。

所述层次化异构网络包括无线mesh回程网,现场有线以太网络和Internet骨干网三层结构;其中,

无线mesh回程网采用集中式管理,包括四种节点:mesh网关,负责接入Internet骨干网;mesh AP,负责子网接入,实现边界时钟模块;mesh路由器,负责数据转发;服务器,实现网络管理,并发起全网时间同步;

现场有线以太子网负责现场设备检测控制信息传输;

Internet骨干网提供远程控制与数据传输。

所述本地以太子网和无线mesh回程网接口处的边界时钟的结构为:WiFi端口为主时钟端口,Ethernet端口为从时钟端口;当WiFi端口和上层节点进行同步时,经时钟模块的调节器调整本地时钟与上层节点实现同步,并据此为Ethernet端口的Sync信号打时戳,与下层节点实现同步。

所述边界时钟的设计满足:

(1)使应用层同步协议栈IEEE1588实现ONE_STEP的时间同步机制;

(2)实现硬件层无线端口侧的同步时戳。

所述采用分层同步机制实现全网时间同步包括:

无线mesh回程网中的服务器节点发起层发现阶段:服务器节点的层号为0,一跳范围的邻居节点ai层号为1,节点ai的一跳范围内未标注层号的邻居节点层号为2,依次类推直到发现所有的mesh AP节点;mesh AP节点所接入的本地以太子网结构为星形结构,mesh AP为本地以太子网的中心节点,本地以太子网节点不标注层号;

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