基于tdma的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步校正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無(wú)線傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種基于工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著控制、計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，信息交換溝通的領(lǐng)域正在迅速覆蓋從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到各個(gè)控制領(lǐng)域，而興起于本世紀(jì)初的工業(yè)無(wú)線技術(shù)引發(fā)了傳統(tǒng)工業(yè)測(cè)控模式的重大變革，工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是從新興的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來(lái)的、具有低成本、低能耗、高度靈活性等特點(diǎn)。已成為繼工業(yè)總線后又一個(gè)研宄熱點(diǎn)，現(xiàn)在國(guó)際上的以美國(guó)、德國(guó)為代表的西方工業(yè)強(qiáng)國(guó)投入巨資展開(kāi)了工業(yè)無(wú)線關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)工作，本設(shè)備也正是適應(yīng)國(guó)際形式，自主研發(fā)的我國(guó)工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是一種面向設(shè)備間信息交互的無(wú)線通信技術(shù)，是對(duì)現(xiàn)有無(wú)線通信技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用方向上的功能擴(kuò)展和提升，是降低工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)成本、擴(kuò)展應(yīng)用范疇的革命性技術(shù)。工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)改變了現(xiàn)有系統(tǒng)控制信息傳遞的方式。
[0003]工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是一種應(yīng)用在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，具有較高的抗干擾能力、高的安全性和實(shí)時(shí)性，以上這些要求是工業(yè)無(wú)線需要突破的技術(shù)難題。其中，目前主流的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)都使用了 TDMA技術(shù)，為了保證工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的正常工作，時(shí)間同步技術(shù)正在成為工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，正在受到越來(lái)越多的專(zhuān)家學(xué)者關(guān)注和研宄。然而現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間存在如下誤差來(lái)源:
[0004](I)晶振頻漂影響
[0005]理想情況下，各節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘頻率相同，同步一次之后穩(wěn)定運(yùn)行，不會(huì)產(chǎn)生累積偏差。實(shí)際情況下，由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘都不是完全統(tǒng)一的，節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘彼此之間會(huì)在時(shí)間上漂移，所以觀察到的時(shí)間或者時(shí)間間隔對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)是彼此不同的。
[0006](2)隨機(jī)誤差影響
[0007]學(xué)者Elson等人仔細(xì)分析了多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)在相同的接收機(jī)制下對(duì)同一個(gè)廣播數(shù)據(jù)分組打時(shí)間戳?xí)霈F(xiàn)時(shí)間差異的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)對(duì)多組數(shù)據(jù)分析，得出各接收節(jié)點(diǎn)時(shí)間戳之間的差異符合正態(tài)分布規(guī)律。隨機(jī)誤差也是影響時(shí)間同步的一個(gè)因素。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了使工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步精度更高，本發(fā)明的目的是提供一種基于TDMA的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步校正方法。
[0009]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的技術(shù)方案是:
[0010]基于TDMA的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步校正方法，運(yùn)行在TDMA網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，TDMA網(wǎng)絡(luò)將時(shí)間軸劃分成一定長(zhǎng)度的超幀，每個(gè)超幀劃分為若干時(shí)隙；
[0011]在一個(gè)超幀內(nèi)給網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一定數(shù)量的時(shí)隙以接收或發(fā)送信息，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均有精確的定時(shí)；
[0012]網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的必須時(shí)鐘同步，才能實(shí)現(xiàn)正常的通信；
[0013]時(shí)鐘同步，在網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)報(bào)文交換、參考同一節(jié)點(diǎn)、利用算法估計(jì)對(duì)方時(shí)間的方式實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)各個(gè)時(shí)間相同。
[0014]時(shí)鐘同步，在網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間完成時(shí)間同步過(guò)程外，需要時(shí)間同步的節(jié)點(diǎn)根據(jù)每次同步的偏差值，進(jìn)行本地TDMA時(shí)隙長(zhǎng)度的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)本地TDMA網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)TDMA時(shí)隙偏差減小。
[0015]所述TDMA時(shí)隙長(zhǎng)度調(diào)整，在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，由于硬件定時(shí)器計(jì)數(shù)值必須為整數(shù)，根據(jù)選取精度；
[0016]如果TDMA調(diào)整值為小數(shù)時(shí)，選取一定長(zhǎng)度的精度等價(jià)周期，在該段TDMA時(shí)隙過(guò)程中，采用各個(gè)TDMA時(shí)隙調(diào)整值不同的方式，實(shí)現(xiàn)該段等價(jià)周期內(nèi)的精度等價(jià)，從而選取該調(diào)整方式對(duì)各個(gè)TDMA時(shí)隙進(jìn)行差別化調(diào)整。
[0017]基于TDMA時(shí)間同步校正方法；
[0018]假設(shè)在一個(gè)工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)N中，節(jié)點(diǎn)B需要與節(jié)點(diǎn)A進(jìn)行時(shí)間同步，做出以下假設(shè):
[0019]節(jié)點(diǎn)A和B之間的時(shí)鐘偏差全部來(lái)源于晶振的時(shí)鐘漂移；
[0020]節(jié)點(diǎn)A的時(shí)鐘與網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘嚴(yán)格一致；
[0021]每次時(shí)間同步完成的瞬間節(jié)點(diǎn)A和B的時(shí)鐘完全相同，即TDMA的時(shí)隙偏差為零；
[0022]如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)某次時(shí)間同步的絕對(duì)TDMA時(shí)隙號(hào)ASN記為ASN_Last，此時(shí)節(jié)點(diǎn)B時(shí)隙長(zhǎng)度為SlotLength，映射到本地的定時(shí)器計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)為SlotCounter_Last，下一次兩個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步時(shí)候的時(shí)間偏差值的調(diào)整值為T(mén)_Adj，此時(shí)的ASN為ASN_Current，兩次同步之間的ASN間隔為ASN_Delt=ASN_Current-ASN_Last，如圖2所示。采用時(shí)隙長(zhǎng)度校正的同步算法中，節(jié)點(diǎn)B除了進(jìn)行正常的時(shí)間同步，調(diào)整時(shí)隙偏差外，還需要調(diào)整時(shí)隙長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)為 SlotCounter_Current=SlotCounte;r_Last+ (T_Adj/ASN_DeIt) * (SlotCounter_Last/SlotLenth)。
[0023]這里規(guī)定(T_Adj/ASN_Delt)* (SlotCounter_Last/SlotLenth)為時(shí)隙校正項(xiàng)SlotCounter_Adj ;這樣，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將按照新的時(shí)隙長(zhǎng)度運(yùn)行TDMA網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙計(jì)時(shí)，根據(jù)以上所述，基于TDMA的時(shí)間同步校正技術(shù)實(shí)現(xiàn)了 TDMA網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙的閉環(huán)控制。
[0024]時(shí)隙校正項(xiàng)SlotCounter_Adj ；
[0025]I)時(shí)隙校正項(xiàng)SlotCounter_Adj為整數(shù)
[0026]由于定時(shí)器計(jì)數(shù)值SlotCounter_Current必須為整數(shù)，若校正項(xiàng)SlotCounter_Adj為整數(shù)，那完全可以直接計(jì)算得到SlotCounter_Current的數(shù)值。
[0027]2)時(shí)隙校正項(xiàng)SlotCounter_Adj為非整數(shù)
[0028]若校正項(xiàng)SlotCounter_Adj 為非整數(shù)，則令 SlotCounter_Adj_S=[SlotCounter_
Adj], SlotCounter_Ad j_L= [SlotCounter_Ad j] +1,根據(jù)選取精度 delt (0.1,0.01......)
精度等價(jià)周期CycleNum= (1/delt)，得到小數(shù)部分值為MicroAdj=SlotCounter_Adj_SlotCounter_Adj_S，貝丨J小數(shù)部分對(duì)應(yīng)的時(shí)隙調(diào)整間隔為SlotInterval，SlotInterval_S=[SlotInterval], SlotInterval_L=[SlotInterval]+1,在 CycleNum 個(gè)ASN周期內(nèi)，以SlotInterval_S周期調(diào)整Num_S次，以SlotInterval_L周期調(diào)整Num_L次，則有如下等價(jià)約束關(guān)系:
[0029]Num_S+Num_L=Cyc I eNum*Mi croAd j ;式 I
[0030]SlotInterval_S*Num_S+SlotInterval_L*Num_L=CycleNum;式 2
[0031]SlotInterval_L-SlotInterval_S=l ;式 3
[0032]聯(lián)立式1，式2，式3，解得:
[0033]Num_S=CycIeNum*MicroAdj*S1tInterval_L-CycIeNum ；
[0034]Num_L=CycIeNum-CycIeNum*MicroAdj*S1tInterval_S ；
[0035]在一個(gè)TDMA工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，采用時(shí)隙調(diào)整值為SlotCounter_Adj_L時(shí)候，以SlotInterval_S為周期，調(diào)整Num_S次，然后以SlotInterval_L為周期，調(diào)整Num_L次，其余不滿(mǎn)足周期要求的時(shí)隙采用調(diào)整值SlotCounter_Adj_S，這樣就實(shí)現(xiàn)了在CycleNum個(gè)ASN的時(shí)段內(nèi)，實(shí)現(xiàn)平均每個(gè)時(shí)隙調(diào)整值與非整數(shù)SlotCounter_Adj完全等價(jià)。
[0036]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
[0037]1、本發(fā)明對(duì)于數(shù)據(jù)鏈路層采用TDMA機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)具有良好的普適性。作為工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)基礎(chǔ)的支撐技術(shù)，時(shí)間同步校正技術(shù)，在保證時(shí)間同步精度的前提下，減少了節(jié)點(diǎn)的計(jì)算量和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可靠性、實(shí)時(shí)性的提高，對(duì)于降低網(wǎng)絡(luò)整體能耗具有重要的意義。
[0038]2、本技術(shù)具有時(shí)間精度高，計(jì)算量小，數(shù)據(jù)傳輸負(fù)荷小等優(yōu)點(diǎn)。采用自主研發(fā)的WH-M模塊，在系統(tǒng)時(shí)鐘為24M，漂移誤差為1ppm的誤差情況下，利用PC機(jī)和串口調(diào)試工具SSC0M32.exe等平臺(tái)，驗(yàn)證了該技術(shù)的效果，可以得到該技術(shù)可以減小83%的時(shí)間同步誤差，并且該技術(shù)對(duì)于TDMA網(wǎng)絡(luò)具有通用性。
【附圖說(shuō)明】
[0039]圖1是已有的TDMA機(jī)制示意圖。
[0040]圖2是基于TDMA的時(shí)間同步校正技術(shù)示意圖。
[0041]圖3是網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙閉環(huán)控制圖。
[0042]圖4是測(cè)試節(jié)點(diǎn)校正前時(shí)間調(diào)整值曲線圖。
[0043]圖5是測(cè)試節(jié)點(diǎn)校正后時(shí)間調(diào)整值曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0044]下面結(jié)合附圖圖1-5對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0045]基于TDMA的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步校正方法，運(yùn)行在TDMA網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，TDMA網(wǎng)絡(luò)將時(shí)間軸劃分成一定長(zhǎng)度的超幀，每個(gè)超幀劃分為若干時(shí)隙；
[0046]在一個(gè)超幀內(nèi)給網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一定數(shù)量的時(shí)隙以接收或發(fā)送信息，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均有精確的定時(shí)；
[0047]網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的必須時(shí)鐘同步，才能實(shí)現(xiàn)正常的通信；
[0048]時(shí)鐘同步，在網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)報(bào)文交換、參考同一節(jié)點(diǎn)、利用算法估計(jì)對(duì)方時(shí)間的方式實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)各個(gè)時(shí)間相同。
[0049]時(shí)鐘同步，在網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間完成時(shí)間同步過(guò)程外，需要時(shí)間同步的節(jié)點(diǎn)根據(jù)每次同步的偏差值，進(jìn)行本地TDMA時(shí)隙長(zhǎng)度的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)本地TDMA網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)TDMA時(shí)隙偏差減小。
[0050]所述TDMA時(shí)隙長(zhǎng)度調(diào)整，在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，由于硬件定時(shí)器計(jì)數(shù)值必須為整數(shù)，根據(jù)選取精度；
[0051]如果TDMA調(diào)整值為小數(shù)時(shí)，選取一定長(zhǎng)度的精度等價(jià)周期，在該段TDMA時(shí)隙過(guò)程中，采用各個(gè)TDMA時(shí)隙調(diào)整值不同的方式，實(shí)現(xiàn)該段等價(jià)周期內(nèi)的精度等價(jià)，從而選取該調(diào)整方式對(duì)各個(gè)TDMA時(shí)隙進(jìn)行差別化調(diào)整。
[0052]基于TDMA時(shí)間同步校正方法；
[0053]假設(shè)在一個(gè)工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)N中，節(jié)點(diǎn)B需要與節(jié)點(diǎn)A進(jìn)行時(shí)間同步，做出以下假設(shè):
[0054]節(jié)點(diǎn)A和B之間的時(shí)鐘偏差全部來(lái)源于晶振的時(shí)鐘漂移；
[0055]節(jié)點(diǎn)A的時(shí)鐘與網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘嚴(yán)格一致；
[0056]每次時(shí)間同步完成的瞬間節(jié)點(diǎn)A和B的時(shí)鐘完全相同，即TDMA的時(shí)隙偏差為零；
[0057]如果兩個(gè)節(jié)點(diǎn)某次時(shí)間同步的絕對(duì)TDMA時(shí)隙號(hào)ASN記為ASN_Last，此時(shí)節(jié)點(diǎn)B時(shí)隙長(zhǎng)度為SlotLength，映射到本地的定時(shí)器計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)為SlotCounter_Last，下一次兩個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步時(shí)候的時(shí)間偏差值的調(diào)整值為T(mén)_Adj，此時(shí)的ASN為ASN_Current，兩次同步之間的ASN間隔為ASN_Delt=ASN_Current-ASN_Last，如圖2所示。采用時(shí)隙長(zhǎng)度校正的同步算法中，節(jié)點(diǎn)B除了進(jìn)行正常的時(shí)間同步，調(diào)整時(shí)隙偏差外，還需要調(diào)整時(shí)隙長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)為 SlotCounter_Current=SlotCounte;r_Last+ (T_Adj/ASN_DeIt) * (SlotCounter