一種面向層次化異構網絡的時間同步方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及工業實時應用的異構網絡技術，具體地說是一種面向層次化異構網絡 的時間同步方法。
【背景技術】
[0002] 有線W太網技術在工業界的大規模應用帶來了極大的經濟效益，相關技術已趨于 成熟，但布線環境、成本、通信范圍等問題限制了有線W太網技術的應用。然而隨著無線網 絡技術的發展，無線網絡技術的低成本、高可靠、移動性等特點使得其在工業界的應用成為 了可能，在擴展工業現場網絡范圍、降低布網難度方面產生了極大作用。但受工業現場控制 的實時性、穩定性W及可靠性的要求，無線網絡固有的鏈路不穩定、易受外界電磁環境影響 等問題使得工業無線網絡不可能完全替代有線W太網。因此，本發明提出了一個如圖1所 示的工業實時應用的層次化異構網絡。
[0003] 當前的分布式工業現場控制網絡都是基于TDMA通信技術、工業現場節點的數據 融合需求、網絡指定的QoS指標（時延、吞吐量等）等需要運行在時間同步的網絡中。同時， 故障節點的定位與檢測也需要精確的時間基準。所W對異構網的時間同步精度提出了更高 的要求。目前，大量的時間同步機制如RBS、TPSN等被廣泛使用，但該些同步機制都是本網 同步。如有線W太網具有的IEEE1588同步協議，其同步精度可達次微砂級，已滿足大部分 工廠應用需求；802. 11無線網絡所提供的TSF(TimeSync虹onizationF^mction)是在應 用層實現同步，精度很低，雖然驅動層的同步機制已經實現，但其精度也只達到微砂級。而 且由于通信技術的差異，且缺乏統一的基礎設施、信息交換端口及機制、同步信息格式，異 構網的同步精度、可靠性往往更低。
[0004]IE邸1588協議雖然是W有線W太網為應用背景，但是由于其建立在UDP/IP協議 之上，使得IE邸1588在無線網絡上的應用成為了可能。但IE邸1588的高精度同步實現是 W硬件層時戳為基礎，而現有的無線芯片集成度很高，不提供硬件層時戳接口，則直接將 IEEE1588應用到異構網中的同步精度不高；現有的通過提高同步包發送速率補償信道接 入延遲的解決方法精度只達到ms量級。在傳統的IE邸1588協議的同步機制中，主從節點 的時間同步需要四次時間信息傳遞，該對于有限的網絡帶寬而言，大量的時間信息會增加 帶寬負擔；且化ll〇w_up信息的傳遞對于802. 11無線網絡而言是不可取的。
【發明內容】
[0005] 針對現存的問題，本發明提出了一種面向層次化異構網絡的時間同步方法。
[0006] 本發明為實現上述目的所采用的技術方案是；一種面向層次化異構網絡的時間同 步方法，包括W下步驟：
[0007] 將工業現場的網絡的各類節點搭建成層次化異構網絡；
[000引設計本地W太子網和無線mesh回程網接口處的邊界時鐘；
[0009]采用分層同步機制實現全網時間同步。
[0010] 所述層次化異構網絡包括無線mesh回程網，現場有線w太網絡和Internet骨干 網H層結構；其中，
[0011] 無線mesh回程網采用集中式管理，包括四種節點；mesh網關，負責接入Internet 骨干網；meshAP，負責子網接入，實現邊界時鐘模塊；mesh路由器，負責數據轉發；服務器， 實現網絡管理，并發起全網時間同步；
[0012] 現場有線W太子網負責現場設備檢測控制信息傳輸；
[0013] Internet骨干網提供遠程控制與數據傳輸。
[0014] 所述本地W太子網和無線mesh回程網接口處的邊界時鐘的結構為；WiFi端口為 主時鐘端口，化hernet端口為從時鐘端口；當WiFi端口和上層節點進行同步時，經時鐘模 塊的調節器調整本地時鐘與上層節點實現同步，并據此為化hernet端口的Sync信號打時 戳，與下層節點實現同步。
[0015] 所述邊界時鐘的設計滿足：
[0016] (1)使應用層同步協議找IE邸1588實現WE_STEP的時間同步機制；
[0017] (2)實現硬件層無線端口側的同步時戳。
[001引所述采用分層同步機制實現全網時間同步包括：
[0019] 無線mesh回程網中的服務器節點發起層發現階段；服務器節點的層號為0, 一跳 范圍的鄰居節點ai層號為1，節點ai的一跳范圍內未標注層號的鄰居節點層號為2,依次 類推直到發現所有的meshAP節點；meshAP節點所接入的本地W太子網結構為星形結構， meshAP為本地W太子網的中也節點，本地W太子網節點不標注層號；
[0020] 時間同步階段；服務器節點時鐘作為全網參考時鐘，并加入GPS時鐘源；相鄰層節 點之間的時間同步采用IE邸1588協議化e_step時間同步機制；當mesh AP節點完成與無 線mesh回程網中的主時鐘同步后，則作為本地W太子網的主時鐘實現W太子網的時間同 步，進而實現全網時間同步。
[0021] 所述時間同步包括W下步驟：
[0022] 主時鐘發送記錄發送時間T1的報文給從時鐘；從時鐘記錄報文到達時間T2,并獲 得報文的發送時間T1，隨機等待一段時間后發送延時請求報文，并記錄發送時間T3;主時 鐘收到報文后記錄其到達時間T4,并發送包含T4的延時請求相應報文給從時鐘；至此，從 時鐘得到四個時間值T1、T2、T3、T4,并據此計算與主時鐘之間的時間偏移0和鏈路延時D:
[0023] 0= ((T2-Tl)-(T4-T3))/2 (1)
[0024] D=((T2-Tl)+(T4-T3))/2 (2)
[00巧]同時根據相鄰兩次的同步信息T1. 1、T1. 2、T2. 1、T2. 2,計算主從時鐘時間變化差 值：
[0026] A=(T1. 2-T1. 1)-(T2. 2-T2. 1) (3)
[0027] 從時鐘根據計算得到的時間偏移0和時間變化差值A調整本地時鐘，實現與主時 鐘之間的時間同步。
[0028] 本發明的層次化異構網絡時間同步方法，是在充分考慮現有工業有線網絡和無線 網絡的特點及應用需求，并基于現有的IE邸1588和IE邸802. 11協議提出的，所設計的邊界 時鐘解決了異構網絡中本地W太子網和無線mesh回程網之間因網絡協議不同、同步信息 交換即端口不一致所造成的異構網絡時間同步精度低問題。具體表現在：
[0029] 1.本發明基于現有的IE邸1588和IE邸802. 11協議，不引入額外的上層軟件協議 設計開銷；
[0030] 2.本發明采用IE邸1588的0ne_step同步機制，在IE邸1588同步包Sync的origin Timestamp域和IE邸802. 11信標峽beacon化ame中填加時戳值，減少了 1/4的同步信息， 減輕網絡負載；
[0031] 3.本發明在邊界時鐘無線網絡端口測實現了硬件時戳，同時作為W太子網的主時 鐘，極大地提高了異構網絡的同步精度。
【附圖說明】
[0032] 圖1本發明的工業實時應用的異構網絡示意圖；
[0033] 圖2本發明的邊界時鐘結構示意圖；
[0034] 圖3基于IE邸1588協議同步機制示意圖；
[00巧]圖4基于IE邸1588協議的^e_st巧同步機制示意圖；
[0036] 圖5本發明的邊界時鐘的時鐘模塊結構示意圖；
[0037] 圖6常見的打時戳位置示意圖；
[0038] 圖7本發明的邊界時鐘的信號檢測模塊結構示意圖；
[0039] 圖8全網同步的流程圖。。
【具體實施方式】
[0040] 下面結合附圖及實施例對本發明做進一步的詳細說明。
[0041] 本發明包括W下內容，構建工業實時應用的層次化異構網絡，設計本地W太子網 和無線mesh回程網的接口處的邊界時鐘，采用分層同步機制實現全網時間同步；
[004引如圖1所示，工業實時應用的層次化異構網絡包括無線mesh回程網，現場有線W太網絡和Internet骨干網H層結構。其中無線mesh回程網采用集中式管理，包括四種節 點；mesh網關，負責接入Internet骨干網；meshAP，負責子網接入，實現邊界時鐘模塊； mesh路由器，負責數據轉發；服務器，實現