面向工厂自动化无线网络的时间同步方法

计算机研究与发展　ＤＯＩ：１０．７５４４／ｉｓｓｎ１０００—１２３９．２０１４．２０１２０６２１　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　５１（３）：５１１—５ｌ８，２Ｏ１４　面向工厂自动化无线网络的时间同步方法　杨雨沱　。　梁　炜　张晓玲　刘　帅　（中国科学院沈阳自动化研究所沈阳１１００１６）　（中国科学院大学北京１０００４９）　（ｙａｎｇｙｕｔｕｏ＠ｓｉａ．ｃｎ）　Ｔｉｍｅ　Ｓｙｎｃｈｒ０ｎｉｚａｔｉＯｎ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　ｆｏｒ　Ｆａｃｔｏｒｙ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　Ｙａｎｇ　Ｙｕｔｕｏ　，Ｌｉａｎｇ　Ｗｅｉ　，Ｚｈａｎｇ　Ｘｉａｏｌｉｎｇ　，　ａｎｄ　Ｌｉｕ　Ｓｈｕａｉ　（Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ・Ｓｈｅｎｙａｎｇ　ｌ１００１６）　（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏＪ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ。Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４９）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ａｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｉｎ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｆａｃｔｏｒｙ　ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｔｈａｔ　ｇｕａｒａｎｔｅｅｓ　ｈｉｇｈ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ．　Ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｒａｔｅ　ａｎｄ　ｓｉｍｐｌｙ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｔｏｐｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ＩＥＥＥ　８０２．１　１　ｍａｋｅ　ｉｔ　ｂｅｃｏｍｅ　ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｆｏｒ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｏｆ　ｆａｃｔｏｒｙ　ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｆｉｒｓｔ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｔｈｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｃｌｏｃｋ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｆｏｒ　ｈｉｇｈ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｉｎ　ｆａｃｔｏｒｙ　ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｒｏｖｅｓ　ｔｈａｔ　ｈｉｇｈ　ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｇｏａｌ　ｆｏｒ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｉｎ　ｆａｃｔｏｒｙ　ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ．　Ｔｈｅｎ　ｉｔ　ｄｅｓｉｇｎｓ　ａｎｄ　ｒｅａｌｉｚｅｓ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｆｏｒ　ｆａｃｔｏｒｙ　ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＴＤＭＡ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｎ　ｃｏｍｍｅｒｃｉａ１　ＩＥＥＥ　８０２．１　１　ｈａｒｄｗａｒｅ．Ｔｈｅ　ｈｉｇｈ—　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｎｃｌｕｄｅｓ　ｔｈｒｅｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ　ｔｈａｔ　ａｒｅ　ｃｌｏｃｋ　ｓｋｅｗ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，　ｃｌｏｃｋ　ｓｋｅｗ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｃｌｏｃｋ　ｓｋｅｗ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｉｎｔｅｒｌｏｃｋｅｄ　ｉｎ　ｏｎｅ　ｃｙｃｌｅ　ｏｆ　ｓｕｐｅｒｆｒａｍｅ　ｏｆ　ＴＤＭＡ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｆｏｒ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｏｆ　ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ．　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｉｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ　ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｔｗｏ—ｗａｙ　ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｓｔｒｏｎｇ　ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｄａｐｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｆａｃｔｏｒｙ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｏｆ　ｔｉｍｅ　ｓｖｎｃｈｒ０ｎｉｚａｔｉ０ｎ　ｉＳ　ｈｅｌｐｆｕｌ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ＴＤＭＡ　ｔｉｍｅｓｌｏｔ　ｓｃｈｅｄｕｌｅ　ｉｎ　ｍｉｃｒｏｓｅｃｏｎｄ　ｏｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｆｏｒ　ｆａｃｔｏｒｙ　ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｆａｃｔｏｒｙ　ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ；　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｎｅｔｗｏｒｋ；ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ；８０２．１１；ｔｉｍｅ　ｄｉｖｉｓｉｏｎ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ａｃｃｅｓｓ（ＴＤＭＡ）；ｔＷＯ　ｗａｙ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ；ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　摘要　时间同步技术是保障工厂自动化无线网络高实时性与高可靠性的支撑技术．工厂自动化无线网　络技术指标要求时间同步的精度成为同步方法的重心，在商用的ＩＥＥＥ　８０２．１ｌ硬件平台上，设计并实　现了基于时分多址（ｔｉｍｅ　ｄｉｖｉｓｉｏｎ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ａｃｃｅｓｓ，ＴＤＭＡ）机制并由时钟偏差测量、时钟偏差预测和时　钟漂移补偿３部分算法组成的高精度时间同步方法．实验证明由于该同步算法相对于传统的双向同步　算法加入了时钟偏差预测与补偿机制，使其有精度高、可靠性高、自适应性强等优势，有助于实现工厂自　动化无线网络微秒级的ＴＤＭＡ时隙调度．　收稿日期：２０１２－０７—２５；修回日期：２０１２　１Ｏ　１７　基金项目：国家自然科学基金项目（６１１７４０２６）；国家“八六三”高技术研究发展计划基金项目（２０１ＩＡＡＯ４ＯｌＯ１）；国家“九七三”重点基础研究　发展计划基金项目（２Ｏ１ＯＣＢ３Ｏ３４７Ｏ５）；中国科学院知识创新工程重要方向性项目（ＫＧＣＸ２　ＥＷ一１０４）　计算机研究与发展２０１　４，５１（３）　关ｉｌｉａ　工厂自动化；无线网络；时间同步；８０２．１１；时分多址；双向同步；预测补偿　中图法分类号ＴＰ３９３　自２０世纪以来，无线网络技术获得了突飞猛进　的发展，其中一些无线网络技术已成功应用于低速　的Ｔ业过程自动化，如ＷｉｒｅｌｅｓｓＨＡＲＴ，ＩＳＡ　１００，　ＷＩＡ—ＰＡ，取代了一些石油、冶金等工业中的有线设　备．然而面向高速的＿丁厂自动化方面的应用面临着　极大的技术挑战．　对于无线网络技术在工厂自动化的大部分应用　中，网络数据总量不大但要求严格的实时性，传输速　率需在ＰＳＭＢ的量级［１］，ＩＥＥＥ　８０２．１１因其具有高　速的特点，而成为Ｔ厂自动化无线网络的首选技术．　ＩＥＥＥ　８０２．１１采用载波侦听多路访问（ｃａｒｒｉｅｒ　ｓｅｎｓｅ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ａＣＣｅＳＳ，ＣＳＭＡ）机制进行通信，但由于　ＣＳＭＡ冲突检测及避免机制会导致数据发送延迟　具有很大的不确定性，无法满足工厂自动化无线网　络的实时性要求，而时分多址（ｔｉｍｅ　ｄｉｖｉｓｉｏｎ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ａｃｃｅｓｓ，ＴＤＭＡ）通信机制以其精确的通信　时隙调度正适合满足工厂自动化高实时性与可靠性　的性能指标［　，ＡＢＢ公司支持工厂自动化的ＷＩＳＡ　系统就是基于ＴＤＭＡ的通信机制．　Ｔ厂自动化中Ｐ【　Ｃ的循环周期通常为２～　５０ｍｓ，常见为２０　ｍｓ．为保证可靠性与实时性，要求　网络性能指标如下所示：　１）可靠性．丢包率小于１０　；　２）实时性．事件处理周期小于１０　ｍｓ．　因此，要求超帧周期小于１０　Ｉｎｓ，在百点级的网　络规模下就要求时隙长度在微秒级，时间同步的精　度直接反映在时隙中的保护边带上，也就是说高的　时间同步精度保证了时隙对齐，是数据在时隙内可　靠传输的关键．　鉴于Ｔ厂自动化无线网络对时间同步精度的苛　刻要求，高精度的时间同步方法成为了实现工厂自　动化无线网络高指标的关键技术．现有的一些应用　于无线传感器网络的时间同步算法大体分为参考广　播同步算法（如ＲＢＳ算法　）、单向同步算法（如　ＤＭＴＳ［　】，ＦＴＳＰ【。　算法）以及双向同步算法３类，其　中参考广播同步算法与单向同步算法都是牺牲一定　的同步精度而换来增大了的网络规模或降低了的复　杂度与能耗．而追求高实时性与高可靠性的工厂自　动化无线网络对时间同步精度的要求苛刻，因而其　应采用双向同步算法，比较典型的双向同步算法有　ＴＰＳＮｌ６　Ｊ，Ｔｉｎｙ—Ｓｙｎｃ协议和Ｍｉｎｉ—Ｓｙｎｃ协议ｌ７　等，　另外有一些追求高精度的时问同步算法也使用双向　时间同步算法，如在以太网中应用的ＰＴＰ协议［　、．　双向同步算法意在消除链路传输的延迟，典型高精　度双向同步算法有ＴＰＳＮ协议与ＰＴＰ协议，其中　ＴＰＳＮ协议通过在ＭＡＣ层标记时间戳并通过往返　的时戳信息获得了较高的同步精度；ＰＴＰ协议也已　在ＩＥＥＥ　８０２．１１中展开了一些研究，如Ｋａｎｎｉｓｔｏ等　人＿９　和Ｍａｈｍｏｏｄ等人［“　提出的一系列利用软件　或硬件中断为信标帧打时戳，而后在应用层执行　ＰＴＰ协议，这种方法可以将传统ＩＥＥＥ　８０２．１１的时　间同步精度误差从约２５　ｓ降低到约２０　ｓ．　为满足高实时性，Ｔ厂自动化网络为单跳星形　网络，单向同步算法相当于ＩＥＥＥ　８０２．１１本身的同　步算法，其同步精度在现有的平台上验证为２５　Ｓ；　双向同步算法只考虑了时钟的相位偏移，仅在时问　同步算法执行时对从时钟进行校准，而忽略　同步　算法执行之前从时钟相对主时钟的频率偏移，这可　能致使因同步算法执行之前累积的时钟漂移过大而　导致失同步，ＴＰＳＮ算法在现有平台上验证其同步　精度为１５肚Ｓ，其同步精度虽有所提升，但仍然影响　系统的稳定性．反之，双向同步算法本身实际上也忽　略了时钟漂移带来的误差，如图１所示，其中Ｔ为　往返时戳信息传输间隔，在ＰＴＰ以及ＴＰＳＮ算法中　时段Ｔ内的时钟漂移是忽略不计的，而事实上该时　钟漂移会给同步算法带来较大误差，尤其当网络节　点数量较大时，反向的时戳信息无法及时反馈给主　时钟时，其引入的误差将严重降低时间同步精度．　Ｆｉｇ．　１　Ｔｗｏ　ｗａｙ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．　图１双向同步算法　通常晶振频率出厂后变化缓慢，网络中２节点　的时钟步进速率差值会在一个值上下浮动，这个差　值的存在属于系统误差，是由晶振频率的差异造成　杨雨沱等：面向工厂自动化无线网络的时间同步方法　的．本文针对工厂自动化无线网络对同步精度的要　求，在ＩＥＥＥ　８０２．１ｌ单跳星形网络拓扑下（ＢＳＳ）结　合ＴＤＭＡ通信机制，利用硬件时戳与双向同步算　法测量时钟偏差，并基于历史偏差数据动态预测以　及校准时钟漂移，设计了高精度时间同步方案．经在　ＩＥＥＥ　８０２．１１网络平台上实验验证，本时间同步方　法校准了时钟相位偏移以及频率偏移，相对传统的　时间同步算法大幅提高了时间同步精度，增强了面　向工厂自动化无线网络的可靠性与实时性．　１时间同步算法设计　１．１整体框架　面向工厂自动化的无线网络高精度时间同步方　法由３部分算法构成，即时钟偏差测量、时钟偏差预　测和时钟漂移补偿．如图２所示，利用基于ＴＤＭＡ　机制的双向同步算法获得从时钟与主时钟的时钟偏　差值并校准从时钟；同时从时钟节点记录该时钟偏　差值，并根据近期的历史偏差数据预测下一次同步　算法到来时的时钟偏差值，从而获得从时钟相对主　时钟的时钟漂移率；而后从时钟根据该预测的时钟　漂移率在时间同步周期内对本地时钟进行线性补　偿．通过环环相扣的３个时钟校准过程，使时间同步　精度最大化．　Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅ　ｃｙｃｌｅ　ｏ±ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎ１ｚａｔｌｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ．　图２时间同步方法循环周期　１．２时钟偏差测量算法　结合ＴＤＭＡ资源分配机制，对ＩＥＥＥ　８０２．１ｌ　中单跳星型网络（ＢＳＳ）中ＡＰ与站点的ＴＳＦ定时器　采用了基于ＴＤＭＡ的双向同步算法，如图３所示．　将ＡＰ的ＴＳＦ定时器设为主时钟，各站点通过　标识符ＩＤ进行标识，其ＴＳＦ定时器设为从时钟；　ＡＰ在每个超帧周期开始的第１个时隙广播带有其　时戳值的Ｂｅａｃｏｎ帧；收到Ｂｅａｃｏｎ帧的各站点记录　乃ｌ　２　Ｆｉｇ．３　Ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｃｌｏｃｋ　ｓｋｅｗ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．　图３　时钟偏差测量算法流程　收到该Ｂｅａｃｏｎ帧的时刻Ｔｓｌ，并提取Ｂｅａｃｏｎ帧中　的时戳值Ｔｍｌ；而后各个站点根据预先分配的　ＴＤＭＡ时隙依次向ＡＰ发送延迟请求Ｂｅａｃｏｎ帧；　当ＡＰ记录各个站点的延迟请求Ｂｅａｃｏｎ帧的到达　时刻，其值记为Ｔｍ２，并提取各个延迟请求Ｂｅａｃｏｎ　帧中载有的Ｔｓ２和站点ＩＤ；ＡＰ将各个站点对应的　ＩＤ以及时戳值Ｔｍ２和Ｔｓ２通过延迟响应数据帧进　行捎带广播给各个站点；各个站点收到ＡＰ的延迟　响应数据帧后，抽取对应ＩＤ的时戳值Ｔｍ２和Ｔｓ２，　这样在各站点端共记录了４个时戳值：Ｔｓｌ，Ｔｍｌ，　Ｔｉｎ２，Ｔｓ２．　各个站点其与ＡＰ之间的传输延迟如式（１）所　示，ＡＰ与站点的ＴＳＦ定时器之间的时钟偏移如　式（２）所示：　Ｄ　Ｚ口ｖ一—（Ｔｓｌ－－Ｔｉｎ１）￣　（Ｔｍ２Ｔｓ２）—————————；（１）　Ｏｆｆｓ　一—（Ｔ－ｍ２Ｔｓ２）　－－（Ｔｓｌ－Ｔｉｎ１）————————一．（２）　如果Ｔｍｌ＋Ｄｅｌａｙ￣Ｔｓｌ，则站点将本地的ＴＳＦ　值调整为（ＴＳＦ＋Ｏｆｆｓｅｔ）；如果　１＋Ｄｅｌａｙ　Ｔｓ１，　站点将本地的ＴＳＦ值调整为（丁ＳＦ～Ｏｆｆｓｅｔ）；如果　Ｔｉｎ１＋Ｄｅｌａｙ＝Ｔｓｌ，则不作调整．　１．３时钟偏差预测算法　由于时钟漂移率变化缓慢，本文通过站点内存　储的历史时钟偏差数据动态地预测在下一次同步算　法进行时站点与ＡＰ的时钟偏差值，预测算法是在　每个超帧周期内站点接收到ＡＰ发来的延迟响应数　据帧并修正了本地时钟后的空闲时隙执行的，不影　响网络通信的性能．　工厂环境中昼夜温差、空气湿度等变化较复杂，　网络节点中的时钟晶振会受到较大影响，且下文的　时钟漂移补偿算法会根据预测值改变节点的时钟漂　移率，因而站点的时钟漂移率会不断改变，则距离当　前越远的历史偏差值对预测的作用越小，而距离当　前越近的历史数据影响因数越大．本文采用指数加　权移动平均算法，通过对历史时钟偏差数据赋予不　同的权重，快速感知网络节点时钟漂移率变化，动态　地对下一次同步算法获得的时钟偏差值进行预测．　指数加权移动平均对历史偏差数据采取不等权　重，其权重根据距离当前时问的远近对预测的作用　成指数减少，但不为０，式（３）为根据本同步周期内　双向同步算法获得的时钟偏差Ｏｆｆｓｅｔ值与前一个　同步周期得到的预测值ｙ　预测后一个同步周期的　时钟偏差ｙ，　的预测器表示形式．　ｙ　｝ｌ＝＝＝ｄ　×Ｏｆｆｓｅｔ　＋（１一ａ　）×Ｙ　，　（３）　其中，Ｏ≤ａ≤１，≠≥２．　由于只需设置权重参数ａ并维护预测变量ｙ，　因此该算法在实现上较容易．所有历史偏差数据对　预测结果的影响如式（４）所示：　Ｙ，：ａ　：（１一ａ）～ＯＪｆｓｅｔ　十（１一ｄ）　Ｙ２，　（４）　其中，Ｏ＜ａ≤１，　≥３．　权值　（１一ａ）　呈指数递减，式（５）显示所有历　史数据的权值之和不大于１，因此随着历史数据的　增加，其影响因数呈递减趋势．　ｔ／ａ　ｃ　一　］一　ｌ一（１一ｄ）　＜１．　（５）　图４为时钟偏差预测的伪代码：　Ｆｉｇ．／ｉ　Ｐｓｅｕｄｏ　ｃｏｄｅ　ｏｆ　ｃｌｏｃｋ　ｓｋｅｗ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ．　图４　时钟偏差预测伪代码　ａ决定了预测器跟踪时钟漂移速率突发变化的　能力，即时效性，显然随着４增大，预测器的时效性　就越强，其表现出一定的吸收瞬时突发的能力．然　而，由于时钟频率具有一定随机误差，当ａ值过大　时，随机误差对预测值的影响也越大，表现出更高的　预测误差．因此，预测结果的准确性关键取决于４的　取值，本文设计了自动选取最佳　的方法最小化预　测误差．预测误差的表示形式如式（６）所示：　１三　Ｅ（４，）一　（ｙ　一Ｏｆｆｓｅｔ　）　．　（６）　计算机研究与发展２０１４，５１（３）　本文在选取最佳ａ值的过程中，定义权重因子　ａ　和ａ【　如式（７）所示：　』【　—ａａ　１　一ａ　一ｄ，ｒ＋ｄ’　　（７）　其中，ａ　，ａ　Ｉ　，ｄ∈ＥＯ，１］，ｄ表示４，的调整量．按照　式（７）分别计算ａ　，ａ　以及　对应下的预测误差　Ｅ（口　），Ｅ（ａ　）以及Ｅ（口，Ｌ），并比较Ｅ（ａ　），Ｅ（口Ｌ］）以及　Ｅ（ａ　）的大小．当Ｅ（ａ　）≤Ｅ（　ｙ）且Ｅ（ｄ　）≤Ｅ（ａ　）　时，令第　＋１个同步周期的权重４…一∞；当Ｅ（ａ　）≤　Ｅ（ａ　）且Ｅ（４１　）≤Ｅ（　）时，令第ｔ＋ｉ个同步周期的　权重４…一　当Ｅ（ａｙ）≤Ｅ（　ｌＩ）且Ｅ（　ｙ）≤Ｅ（ｄ，）　时，令第　＋１个同步周期的权重ａ　—ａ　．　由于寻找最佳　值需要计算３个ａ值的预测误　差并存储大量数据，在工厂自动化无线网络中开销　较大，本文只在网络站点初始化过程以及在网络平　稳运行时对ａ值进行选取．　指数加权移动平均算法初始化阶段需令Ｙ。一　Ｏｆｆｓｅｔ　，但网络中站点的时钟偏移的随机误差可能　很大，我们使网络运行若干超帧周期后利用这若干　个历史偏差数据的平均值作为ｙ。的值，在选取ａ值　前，ａ取（Ｏ，１）任意值．如图５为选取最佳　值的代码．　Ｆｉｇ．５　Ｃｏｄｅ　ｏｆ　ｃｈｏｏｓｉｎｇ　ｂｅｓｔⅡ．　图５选取最佳ａ值代码　１．４时钟漂移补偿算法　站点在每个同步周期内收到延迟响应数据帧后，　通过时钟偏差预测算法预测下个周期的时钟偏差，将　杨雨沱等：面向工厂自动化无线网络的时间同步方法　得到的预测误差ｙ　用于时钟漂移补偿算法．　于实现．时钟漂移补偿算法带来的开销需要网络节　点增加一个线程用于定时校准ＴＳＦ定时器，工厂自　动化无线网络对实时性与可靠性具有严格的要求，　（８）　站点计算第　＋１个同步周期的时钟漂移量　ｆ（ｔ＋１），如式（８）所示：　厂（ｔ＋１）一厂（￡）＋Ｙ　＋１．　因此在未占用通信时隙资源的情况下，为达到工厂　自动化无线网络的通信指标，微量的增大网络节点　站点设置本地定时器的步进单位为１，假设每　个同步周期的持续时间为Ｔ，则在　Ｔ至（　＋１）Ｔ时　间内，节点每隔一段时间，线性平滑补偿一次本地定　时器，补偿规则包括：　１）如果Ｔｍ１＋Ｄｅｌａｙ＞Ｔｓｌ，则每隔ｆ—　Ｔ　，调整本地ＴＳＦ值增加一个时间单位；　２）如果Ｔｉｎ１＋Ｄｅｌａｙ＜Ｔｓｌ，则每隔ｆ一　个　，调整本地ＴＳＦ值减少一个时间单位；　３）Ｔｍｌ＋Ｄｅｌａｙ—Ｔｓｌ，则不作调整．　图６为时钟漂移补偿算法代码．　Ｆｉｇ．６　Ｃｏｄｅ　ｏｆ　ｃｌｏｃｋ　ｓｋｅｗ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ．　图６　时钟漂移补偿算法代码　由于在Ｂｅａｃｏｎ帧传输失败时仍然可以利用历　史的偏差数据厂（　）校准本地时钟，这相对于其他双　向同步算法避免了因Ｂｅａｃｏｎ帧传输失败导致的同　步误差放大问题，提高了同步算法本身的可靠性．　１．５开销分析　相对传统的双向同步算法，本文的时问同步算　法会增大网络节点的本地开销以获得更高的时间同　步精度．额外的开销主要来源于时钟偏差预测与补　偿，由式（３）得出，时钟偏差预测只需维护预测变量　ｙ，并在每次计算时钟偏差时将其与Ｏｆｆｓｅｔ值加权　计算预测偏差值，计算量局限于一次浮点数乘法，易　本地开销是可以接受的．　２　平台相关　２．１　ＴＤＭＡ机制实现　本文的开发与实现平台建立在基于Ａｔｈｅｒｏｓ芯　片ｗｉＦｉ网卡口　］及其在Ｌｉｎｕｘ下的驱动程序Ａｔｈ５ｋ　之上，ＡｔｈＳｋｌ１。］是在Ｌｉｎｕｘ下的开源驱动程序，它工　作在Ｌｉｎｕｘ内核下，可以对Ａｔｈｅｒｏｓ芯片ＷｉＦｉ网卡　芯片进行精确的控制，我们通过修改Ａｔｈ５ｋ程序禁　用其ＣＳＭＡ及其相关机制，并在Ｌｉｎｕｘ内核下划分　超帧时隙．　２．２时戳处理　与ＴＰＳＮ算法不同，本文中时间同步算法使用　的时戳为精度更高的硬件时戳，Ａｔｈｅｒｏｓ芯片本身　自带有ＩＥＥＥ　８０２．１１中的ＴＳＦ定时器，步进单位是　１　ｓ，且对８０２．Ｉｉ协议做了相应的优化，能够在发　送端的物理层为信标帧的２４～３１　Ｂ上自动打上硬　件时戳（ＴｓＦ值）；在接收端硬件会自动记录收到信　标帧时刻的ＴＳＦ值的低３２　ｂ．本文的双向同步算法　利用带有硬件时戳的Ｂｅａｃｏｎ帧对时钟偏差进行计　算，且用于同步算法的往返Ｂｅａｃｏｎ帧（ＡＰ广播　Ｂｅａｃｏｎ帧与延迟请求Ｂｅａｃｏｎ帧）的帧格式相同，构　造了对等链路（上行链路与下行链路的链路模型相　同），最大程度降低了同步误差，并通过捎带周期性　过程数据，使同步算法没有带来额外的开销．　３　实验验证　为了验证面向工厂自动化高精度时间同步算法　的有效性，我们采用以下的实验方法：在２台ＰＣ机　上均采用ＴＰ—ＬＩＮＫ　ＷＮ５５０Ｇ无线网卡（射频芯片　采用的是Ａｔｈｅｒｏｓ的ＡＲ５２１２），操作系统为Ｄｅｂｉａｎ　Ｌｅｎｎｙ、系统内核为Ｌｉｎｕｘ　２．６．２６，同时以Ａｔｈ５ｋ驱　动程序作为实验平台的相关软件．ＡｔｈＳｋ为开源的　ＩＥＥＥ　８０２．１１ＭＡＣ层驱动程序，我们可以在ＡｔｈＳｋ　驱动中禁用ＣＳＭＡ机制、硬件自动回复ＡＣＫ等一　些相关功能，并在Ｌｉｎｕｘ内核中划分超帧时隙，长度　为１０　ｍｓ，时隙数为１００．实验中１台ＰＣ作为ＡＰ，　１台ＰＣ作为一个站点，每个超帧中ＡＰ广播延迟响　应数据帧的时隙内站点才获得４个时戳值以对本地　时钟进行校准，此时距上次校准的时间最长，时钟漂　移累计最大，因此同步算法得出的时钟偏差（Ｏｆｆｓｅｔ　值）即为最大同步误差．通过Ｉ．ｉｎｕｘ系统函数ｐｒｉｎｔｋ　将Ｏｊｆｓｅｔ值打印到系统日志中，然后将０ｆ／’ｓｅｔ值　在Ｍａｔｌａｂ中处理以作分析．　实验中首先对ＩＥＥＥ　８０２．１ｌ本身的同步算法　与利用本文的基于硬件时戳的双向同步算法的同步　精度进行比较，而后又在双向同步算法的基础上添　加时钟偏差预测与时钟漂移补偿算法，证明了本文　各个算法的有效性．图７为单向同步算法下的ＩＥＥＥ　８０２．１１的时钟偏差分布图，由于未将传输延迟计算　在内，同步精度至少为２５／，ｓ；图８为基于ＴＰＳＮ等　双向同步算法的思想。添加了基于ＴＤＭＡ机制双　向同步算法的时钟偏差分布图，其消除了传输延迟，　叽Ｔ１＼口０一ｓ１Ｄ譬　—望　咖　蓦　ｇ　兰　ｇ　焉　．　ｇ　皇　警　Ｆｉｇ．　７　Ｔｉｍｅ　ｓｋｅｗ　ｏｆ　ｏｎｅ　ｗａｙ　ｔｉｍｅ　ｓ）ｒｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉ０ｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．　图７单向同步算法的同步偏差分布图　二　≥　叠帅：　：：＝　葛　篇茹毒　鬻端　．｝’　’　；　ｔ　—产　１　０００　２　０００　Ｔｈｅ　Ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆＢ￣ａＧｏｎｓ　Ｆｉｇ．　８　Ｔｉｍｅ　ｓｋｅｗ　ｏｆ　ｔＷＯ　ｗａｙ　ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＴＰＳＮ．　图８基于ＴＰＳＮ等双向同步算法思想的同步偏差分布图　计算机研究与发展２Ｏ１４，５１（３）　使同步精度提高到约１５　ｓ．但由于不同硬件间晶振　固有的震荡频率偏差使设备问每个同步周期累计的　时钟偏差的期望值趋于５　Ｓ，同时由于存在Ｂｅａｃｏｎ　帧的传递过程中不免产生丢包等不可靠因素，同步　误差会有所放大．　实验中，我们在站点尝试禁止了同步算法后修　正本地的ＴＳＦ值，而仅测量其同步误差０．　ｓｅｔ值，　图９中显示了禁止修正本地ＴＳＦ值后同步误差的　大体走势，验证了在环境不变的情况下，网络节点时　钟的漂移整体上呈线性走势．　／　．，：　　０一苗　一　呈。口苈　∽　／　．　枷　０　２Ｏ　４Ｏ　６Ｏ　８Ｏ　１００　Ｔｈｅ　Ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆＢｅａｃｏｎｓ　Ｆｉｇ．９（；ｌｏｃｋ　ｄｒｉｆｔ　ｒａｔｅ．　图９时钟漂移率　当加入本地时钟偏差预测与时钟漂移补偿算法　后，如图ｌ０所示，其消除了线性的时钟漂移，使同步　误差的期望值趋于０．同时由于在Ｂｅａｃｏｎ帧传输失　败时仍然可以利用历史的偏差数据校准本地时钟，　从而避免了因Ｂｅａｃｏｎ帧传输失败导致的同步误差　放大问题，提高了同步算法本身的可靠性．最终得到　的同步精度约７　ｓ，满足了　广厂自动化无线网络对　蓦　２　凸＿　旨　高　暑　专　曼　∽　Ｆｉｇ．１　０　Ｔｉｍｅ　ｓｋｅｗ　ｏｆ　ａｄｄｉｎｇ　ｔ　ｉｍｅ　ｓｋｅｗ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．　图１Ｏ加入预测补偿算法后的同步偏差分布图　杨雨沱等：面向工厂自动化无线网络的时间同步方法　时间同步的高精度要求．　为模拟工厂中复杂的环境变化所导致的网络节　点时钟漂移率的变化，我们通过修改ａｔｈＳｋ程序控　制Ａｔｈｅｒｏｓ芯片中的协议控制单元（ＰＣＵ）中的寄存　器值来强制改变其时钟漂移速率，ＰＣＵ寄存器中偏　移地址为Ｏｘ８０１Ｃ中的０～６　ｂ定义了ＴＳＦ定时器　步进１　ｓ的实际时间长度，修改其值后可以达到间　接修改时钟漂移速率的效果．实验中，我们分别用指　数移动平均与线性回归方法对时钟漂移进行补偿，　并分别在一次同步周期后重设ＰＣＵ寄存器中　０ｘ８０１Ｃ地址中的Ｏ～６　ｂ的值．从图１１中可以看到，　指数移动平均方法对时钟漂移速率的变化预测反应　速度更快，其同步误差的收敛速度更快，能够快速跟　踪时钟漂移补偿算法对时钟漂移率的修正，且适用　于温度、湿度等环境因素变化复杂的工厂自动化无　线网络中．　ｌ暑ｇ　　星　要　葛　＿謦　童　富　Ｆｉｇ．１　１　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｃｌｏｃｋ　ｓｋｅｗ　ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ　ｓｐｅｅｄ．　图１１　同步误差收敛速度比较　前面分析过，指数移动平均算法中的ａ值对时　钟偏差的预测有着重要的影响，实验中分别选取ａ　值为０．０１，０．１，０．５，０．９以及使用前面所述的选取　最佳ａ值的算法．从表１中可以看出，最佳　值能保　证工厂自动化无线网络获得可靠的同步精度．　Ｔａｂｌｅ　１　Ｉｍｐａｃｔ　ｏｎ　Ｔｉｍｅ　ＳｙｎｃｈｒＯｎｉｚａｔｉ０ｎ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｗｈｅｎ　Ｕｓｅ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ口Ｖａｌｕｅｓ　表１不同　值对时间同步精度的影响　０．０１　０．１　Ｏ．５　０．９　Ｔｈｅ　ｂｅｓｔ　ＶＭｕｅｓ　４结束语　本文提出了一种面向工厂自动化无线网络的高　精度时间同步算法，该算法由基于ＴＤＭＡ机制的　双向同步算法、本地时钟偏差预测算法与时钟漂移　补偿算法３部分组成．相对于传统的双向同步算法　由于加入了时钟偏差预测与补偿机制，在增加微量　网络节点本地开销的情况下，最大程度地提高了时　间同步精度，充分保证了工厂自动化无线网络的高　实时性与高可靠性．最后在商用的８０２．１１硬件平台　上，通过修改Ａｔｈ５ｋ驱动程序对同步算法进行实　验，实验表明本文的同步算法大幅提高了时间同步　精度，降低同步误差至约７肚ｓ，完全能够支撑微秒级　时隙调度的ＴＤＭＡ应用，能够满足面向工厂自动　化无线网络对高可靠性与实时性的需求，同时通过　实验对不同的时间同步方法与不同的参数选择进行　了性能比较，验证了本文所采用时间同步方法的高　精度以及自适应性．　参　考　文　献　Ｅｌｉ　Ｄｅ　Ｐｅｌｌｅｇｒｉｎｉ　Ｆ，Ｍｉｏｒａｎｄｉ　Ｄ，Ｖｉｔｔｕｒｉ　Ｓ，ｅｔ　ａ１．Ｏｎ　ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ａｔ　ｌｏｗ　ｌｅｖｅｌ　ｏｆ　ｆａｃｔｏｒｙ　ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ＥＪ２．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　ｏｎ　ＩｎｄＦｓｔｒｉａｌ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｃｓ，２００６，２（２）：　１２９　４３　［２］Ｌｉｎ　Ｊｕｎｒｕ，Ｚｅｎｇ　Ｐｅｎｇ，Ｙｕ　Ｈａｉｂｉｎ．Ｈｉｇｈ　ｄａｔａ　ｒａｔｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｉｎｄｕｓｔｉａｌ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ｔｅｓｔ～ｂｅｄ　ｆｏｒ　ＴＤＭＡ　ＭＡＣ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ：　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ＥＪ２．Ｓｃｉｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ，２０１　１，　３８（１０Ａ）：２９９－３０４（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　（林俊如，曾鹏，于海斌．面向高速工业无线网络的ＴＤＭＡ　ＭＡＣ协议设计与实现ｌＪ］．计算机科学，２０１１，３８（１０Ａ）：　２９９－３０４）　Ｅ３３　Ｅｌｓｏｎ　Ｊ，Ｇｉｒｏｄ　Ｌ，Ｅｓｔｒｉｎ　Ｄ．Ｆｉｎｅ　ｇｒａｉｎｅｄ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉ０ｎ　ｕｓｉｎｇ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｂｒｏａｄｃａｓｔｓ［ｃ］／／Ｐｒｏｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　５ｔｈ　Ｓｙｒｕｐ　ｏｎ　Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ．　Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：ＡＣＭ，２００２：ｌ４７～１６３　［４］Ｐｉｎｇ　Ｓ．Ｄｅｌａｙ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒＯｎｉｚａｔｉ０ｎ　ｆｏｒ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ［ＥＢ／ＯＬ］．［２０１２～０６　０３］．ｈｔｔｐ：／／ｉｎｔｅｌ—　ｒｅｓｅａｒｃｈ．ｎｅｔ／Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ／Ｂｅｒｋｅ１ｅｙ／０８ｌ１２００３１３２７一ｌ３７．ｐｄｆ　［５］Ｍａｒｏｔｉ　Ｍ，Ｋｕｓｙ　Ｂ，Ｓｉｍｏｎ　Ｇ．Ｔｈｅ　ｆｌｏｏｄｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉ０ｎ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ￣ｃ３／［Ｐｒｏｃ　ｏｆ　ｔｈｅ　２ｎｄ　Ｉｎｔ　ＡＣＭ　Ｃｏｎｆ　ｏｎ　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｎｅｔｗｏｒｋｅｄ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｓｙｓｔｅｍｓ．　Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：　ＡＣＭ，２００４：３９－４９　Ｅ６］Ｇａｎｅｒｉｗａｌ　Ｓ，Ｋｕｍａｒ　Ｒ，Ｓｒｉｖａｓｔａｖａ　Ｂ．Ｔｉｍｉｎｇ—ｓｙｎｅ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｆｏｒ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｃ］／／Ｐｒｏｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　１　ｓｔ　Ｉｎｔ　ＡＣＭ　Ｃｏｎｆ　ｏｎ　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｎｅｔｗｏｒｋｅｄ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：ＡＣＭ，　２００３．］３８一】４９