用于通訊網(wǎng)絡(luò)中的時間同步的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于在通訊網(wǎng)絡(luò)中的時間同步的方法，該網(wǎng)絡(luò)包括具有主節(jié)點和多個從節(jié)點的大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。主節(jié)點利用主時鐘獲取主時間，從節(jié)點利用內(nèi)部時鐘獲取從時間。在該方法中在通訊網(wǎng)絡(luò)中傳輸同步報文，在從節(jié)點中接收的同步報文包括使從節(jié)點的從時間與主時間同步的同步信息。該方法的特征在于，同步報文在封閉的環(huán)或線形拓撲中傳輸，且從節(jié)點從不同傳輸方向接收第一和第二同步報文。從節(jié)點將第一時間與來自一傳輸方向的同步報文同步，并將第二時間與來自另一傳輸方向的同步報文同步。通過平均第一和第二時間能極準地確定主時間。其優(yōu)點在于，從節(jié)點不必再估計上一從節(jié)點到它的傳輸時間。該方法的應(yīng)用領(lǐng)域是自動化系統(tǒng)中的時間同步。
【專利說明】用于通訊網(wǎng)絡(luò)中的時間同步的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于通訊網(wǎng)絡(luò)中的時間同步的方法以及相應(yīng)的通訊網(wǎng)絡(luò)。

【背景技術(shù)】
[0002] 在通訊網(wǎng)絡(luò)的多種技術(shù)應(yīng)用中需要使參與通訊的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在時間上同步，以便所 有節(jié)點提供同步運行精確的時間信息。特別是在工業(yè)自動化設(shè)備中特別的重要性在于，自 動化的工作過程要將不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在時間上準確地相互協(xié)調(diào)。
[0003] 由現(xiàn)有技術(shù)中已知了對于通訊網(wǎng)絡(luò)中的時間同步的不同標準，例如，IEEE1588， IEEE802. 1AS和IEC61158。其中所謂的主節(jié)點的時間信息（該主節(jié)點利用主時鐘獲取時 間）被傳輸給通訊網(wǎng)絡(luò)的所有其他參與點，它們被稱為所謂的從節(jié)點。所述時間信息包含 在從節(jié)點所轉(zhuǎn)發(fā)的同步報文中。在轉(zhuǎn)發(fā)中，從節(jié)點將其所有已知的運行延時添加到同步報 文的內(nèi)容中。從節(jié)點以這種方式可以將其利用內(nèi)部時鐘獲得的從時間與基于同步報文內(nèi)容 的主時間進行同步。
[0004] 在已知標準中，每個節(jié)點一方面將內(nèi)部處理時間（所謂的網(wǎng)橋延遲 Bridge-Delay)并且另一方面將傳輸時間（所謂的路徑延遲Line-Delay)添加到同步報文 的相應(yīng)字段中。內(nèi)部處理時間具體說明了節(jié)點在接收和再次發(fā)送之間處理報文需要的持續(xù) 時間。與之相反，傳輸時間確定了在先前的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中發(fā)送報文和在進行處理的節(jié)點中的 接收之間的持續(xù)時間。通常通過在相鄰節(jié)點之間單獨地交換報文來估計該傳輸時間，這產(chǎn) 生了額外的花費并導(dǎo)致估算誤差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的在于，實現(xiàn)一種通訊網(wǎng)絡(luò)中的時間同步的方法，其可以在通訊網(wǎng)絡(luò)的 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中實現(xiàn)簡單準確的時間同步。
[0006] 本發(fā)明通過獨立專利權(quán)利要求來實現(xiàn)。本發(fā)明的改進方案在從屬權(quán)利要求中進行 了限定。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的方法用于通訊網(wǎng)絡(luò)中的時間同步，所述通訊網(wǎng)絡(luò)包括具有主節(jié)點和 多個從節(jié)點的大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其中主節(jié)點利用主時鐘獲取主時間，并且每個從節(jié)點利用內(nèi) 部時鐘獲取從時間。在此，在通訊網(wǎng)絡(luò)中傳輸同步報文，其中在從節(jié)點中所接收的同步報文 包括同步信息，所述信息用于將從節(jié)點的從時間與主時間進行同步。
[0008] 在根據(jù)本發(fā)明的方法中，預(yù)設(shè)由在相鄰的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的通訊路徑構(gòu)成的封閉拓 撲，其中封閉拓撲確定了在通訊網(wǎng)絡(luò)的相鄰節(jié)點之間的第一傳輸方向和相反的第二傳輸方 向。同步報文從主節(jié)點出發(fā)這樣在封閉拓撲中進行轉(zhuǎn)發(fā)，即通訊網(wǎng)絡(luò)的至少一部分從節(jié)點 分別從第一傳輸方向獲得第一同步報文，并且從第二傳輸方向獲得第二同步報文。
[0009] 從節(jié)點的至少一部分的相應(yīng)的從節(jié)點確定了第一時間和第二時間，第一時間基于 第一同步報文的同步信息來同步，第二時間基于第二同步報文的同步信息來同步。通過第 一和第二時間在數(shù)學(xué)上的平均然后確定了平均時間。在此，這樣設(shè)計第一和第二同步報文 的同步信息，即平均時間等于主時間。
[0010] 本發(fā)明所基于的認識在于，通過在封閉拓撲中由從節(jié)點在不同方向上所接收的同 步報文，可以這樣確定同步信息，即由從同步報文中得出的時間的平均可以推導(dǎo)出主時間， 而不必傳輸對于在節(jié)點之間的傳輸時間的附加信息。
[0011] 在根據(jù)本發(fā)明的方法的一種變體中，封閉拓撲是環(huán)形拓撲，其中主節(jié)點在環(huán)形拓 撲的第一傳輸方向上發(fā)送第一同步報文，并且在環(huán)形拓撲的第二傳輸方向上發(fā)送第二同步 報文。封閉拓撲同樣也可以是線形拓撲，其由主節(jié)點在第一傳輸方向上引導(dǎo)至反射從節(jié)點 并從該處又引導(dǎo)回主節(jié)點。此時，主節(jié)點在第一傳輸方向上發(fā)送第一同步報文。第一同步 報文在轉(zhuǎn)發(fā)時通過反射從節(jié)點變?yōu)榈诙綀笪摹?br> [0012] 本發(fā)明的一個特別優(yōu)選的實施方式中，在通過封閉拓撲結(jié)構(gòu)傳輸?shù)谝缓偷诙?報文的循環(huán)中，在轉(zhuǎn)發(fā)第一和第二同步報文時，相應(yīng)的從節(jié)點將第一和第二同步報文的接 收和發(fā)送之間的內(nèi)部處理時間（網(wǎng)橋延遲（Bridge-Delay))以及在循環(huán)中確定的預(yù)定傳輸 時間添加到同步信息中。在此在環(huán)形拓撲中通過依次發(fā)送第一和第二同步報文來確定第一 和第二同步報文的傳輸循環(huán)。在線形拓撲中，循環(huán)描述了從主節(jié)點至反射從節(jié)點并從該處 又回到主節(jié)點的同步報文傳輸，其中同步報文直到反射從節(jié)點為止是第一同步報文，并且 然后是第二同步報文。將前述預(yù)定傳輸時間在主節(jié)點中設(shè)置或調(diào)節(jié)至沿著一個通訊路徑的 第一或第二同步報文的平均傳輸時間。由此不必已知在各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的實際路徑延遲 (路徑延遲（Line-Delay))。
[0013] 在上述實施方式的一個優(yōu)選變體中，這樣在主節(jié)點中實現(xiàn)至平均傳輸時間的調(diào) 節(jié)，即主節(jié)點從在循環(huán)中所接收的第一或第二同步報文中確定一個誤差，即在沿著封閉拓 撲的所有通訊路徑的實際累積的傳輸時間和根據(jù)第一或第二同步報文中的同步信息累積 的傳輸時間之間的誤差。主節(jié)點基于所述誤差為下一次循環(huán)測定新的平均傳輸時間。
[0014] 在一個特別優(yōu)選的實施方式中，至平均傳輸時間的調(diào)節(jié)基于以下方程來實現(xiàn)：
[0015]

【權(quán)利要求】
1. 一種用于在通訊網(wǎng)絡(luò)中的時間同步的方法，所述通訊網(wǎng)絡(luò)包括具有主節(jié)點（Μ)和 多個從節(jié)點（SL1，SL2, . . .，SL6)的大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（M，SL1，SL2, . . .，SL6)，其中所述主節(jié) 點（ΜΑ)利用主時鐘獲得主時間，并且每個所述從節(jié)點（SL1，SL2, ...，SL6)利用內(nèi)部時鐘 獲得從時間，其中在所述通訊網(wǎng)絡(luò)中傳輸同步報文（SYN1，SYN2)，并且在所述從節(jié)點（SL1， SL2，...，SL6)中接收的所述同步報文（SYN1，SYN2)包括同步信息，所述同步信息用于使所 述從節(jié)點（SL1，SL2, . . .，SL6)的所述從時間與所述主時間同步，其中： -預(yù)定由在相鄰的所述網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（MA，SL1，SL2, . . .，SL6)之間的通訊路徑（PA1， PA2, ...，PA7)構(gòu)成的封閉拓撲，其中所述封閉拓撲確定了在相鄰的所述網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（MA， SL1，SL2, . . .，SL6)之間的第一傳輸方向和相反的第二傳輸方向； -所述同步報文（SYN1，SYN2)從所述主節(jié)點（MA)出發(fā)在所述封閉拓撲中如下地轉(zhuǎn)發(fā)， 即所述從節(jié)點（SL1，SL2, ...，SL6)中的至少一部分從節(jié)點分別從所述第一傳輸方向接收 第一同步報文（SYN1)并且從所述第二傳輸方向接收第二同步報文（SYN2); -所述從節(jié)點（SL1，SL2, . . .，SL6)中的至少一部分中的相應(yīng)的所述從節(jié)點（SL1， SL2, . . .，SL6)確定了第一時間（tl)和第二時間（t2)，所述第一時間基于所述第一同步報 文（SYN1)的所述同步信息來同步，所述第二時間（t2)基于所述第二同步報文（SYN2)的所 述同步信息來同步； -通過所述第一時間和所述第二時間（tl，t2)的在數(shù)學(xué)上的平均來確定平均時間 (ta)，其中所述第一同步報文和所述第二同步報文（SYN1，SYN2)的所述同步信息如下地設(shè) 計，即所述平均時間（ta)等于所述主時間。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述封閉拓撲是環(huán)形拓撲，其中所述主節(jié)點（M) 在所述環(huán)形拓撲的所述第一傳輸方向上發(fā)送所述第一同步報文（SYN1)，并且所述主節(jié)點在 所述環(huán)形拓撲的所述第二傳輸方向上發(fā)送所述第二同步報文（SYN2)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述封閉拓撲是線形拓撲，將所述線形拓撲 從所述主節(jié)點（M)在所述第一傳輸方向上引導(dǎo)至反射的從節(jié)點（SL4)并從該處再次引導(dǎo) 回所述主節(jié)點（M)，其中所述主節(jié)點（M)在所述第一傳輸方向上發(fā)送所述第一同步報文 (SYN1)，其中所述第一同步報文（SYN1)在通過所述反射的從節(jié)點（SL4)轉(zhuǎn)發(fā)時變成所述第 二同步報文（SYN2)。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，在通過所述封閉拓撲傳輸所述第一 同步報文和所述第二同步報文（SYN1，SYN2)的循環(huán)中，在轉(zhuǎn)發(fā)所述第一同步報文和所述第 二同步報文（SYN1，SYN2)時，相應(yīng)的所述從節(jié)點（SL1，SL2,. . .，SL6)將在所述第一同步報 文和所述第二同步報文（SYN1，SYN2)的接收和發(fā)送之間的內(nèi)部處理時間（BD)以及在所述 循環(huán)中確定的預(yù)定的傳輸時間（LD)添加到所述同步信息中，其中將預(yù)定的所述傳輸時間 (LD)在所述主節(jié)點（MA)中設(shè)置或調(diào)節(jié)至所述第一同步報文或所述第二同步報文沿著通訊 路徑（PA1，PA2, . . .，PA7)的平均的傳輸時間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，如下地實現(xiàn)至平均的所述傳輸時間（LD)的調(diào) 節(jié)，即所述主節(jié)點（MA)從在循環(huán)中接收的所述第一同步報文或所述第二同步報文（SYN1， SYN2)中確定在沿著所述封閉拓撲的所有所述通訊路徑（PA1，PA2，...，PA7)實際累積的所 述傳輸時間和根據(jù)來自所述第一同步報文或所述第二同步報文（SYN1，SYN2)的所述同步 信息累積的所述傳輸時間之間的誤差，其中在所述主節(jié)點（MA)中基于所述誤差為下一個 所述循環(huán)測定新的平均傳輸時間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，如下地說明至平均的所述傳輸時間（LD)的所述 調(diào)節(jié)： LD(k+l) = LD(k)+kj · e (k) 其中LD(k)是當前的所述循環(huán)的平均的所述傳輸時間； 其中LD(k+l)是下一次所述循環(huán)的所述新的平均傳輸時間； 其中e(k)是實際累積的所述傳輸時間和根據(jù)所述同步信息累積的所述傳輸時間之間 的所述誤差； 其中h是調(diào)節(jié)參數(shù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4至6中任一項所述的方法，其中，在所述第一同步報文和所述第二同 步報文（SYN1，SYN2)的字段中傳輸預(yù)定的所述傳輸時間（LD)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4至7中任一項所述的方法，其中，所述第一同步報文和所述第二同 步報文（SYN1，SYN2)的所述同步信息包括在所述主節(jié)點（MA)中發(fā)送所述第一同步報文和 所述第二同步報文（SYN1，SYN2)的時間點的所述主時間以及至少一個修正字段，相應(yīng)的所 述從節(jié)點（SL1，SL2，...，SL6)在轉(zhuǎn)發(fā)所述第一同步報文或所述第二同步報文（SYN1，SYN2) 時將所述從節(jié)點的所述內(nèi)部處理時間（BD)和預(yù)定的所述傳輸時間（LD)添加至所述修正字 段中。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，至少一個所述修正字段包括第一字段和第二字 段，僅將所述內(nèi)部處理時間（BD)添加到所述第一字段中，僅將預(yù)定的所述傳輸時間（LD)添 加到所述第二字段中。
10. 根據(jù)權(quán)利要求4至9中任一項所述的方法，其中，相應(yīng)的所述從節(jié)點（SL1， SL2，. ..，SL6)借助于估計的比率補償因數(shù)測定從時間，所述比率補償因數(shù)等于所述主時鐘 的時鐘脈沖頻率與相應(yīng)的所述從節(jié)點（SL1，SL2, ...，SL6)的所述內(nèi)部時鐘的時鐘脈沖頻 率的比值，其中優(yōu)選地僅在使用所述第一字段的情況下估計所述比率補償因數(shù)。
11. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項與權(quán)利要求2相結(jié)合所述的方法，其中所述第一同 步報文（SYN1，SYN2)的所述同步信息不包括對于沿著所述通訊路徑（PA1，PA2, . . .，PA7) 的傳輸時間的信息，其中在通過所述封閉拓撲傳輸所述第一同步報文和所述第二同步報 文（SYN1，SYN2)的循環(huán)中，在轉(zhuǎn)發(fā)所述第一同步報文（SYN1)時，相應(yīng)的所述從節(jié)點（SL1， SL2，...，SL6)僅將所述從節(jié)點的、在所述第一同步報文（SYN1，SYN2)的接收與發(fā)送之間的 所述內(nèi)部處理時間（BD)添加到所述同步信息中，并且在轉(zhuǎn)發(fā)所述第二同步報文（SYN2)時， 相應(yīng)的所述從節(jié)點（SL1，SL2, ...，SL6)僅將所述從節(jié)點的、在所述第二同步報文（SYN1， SYN2)的接收與發(fā)送之間的所述內(nèi)部處理時間（BD)添加到所述同步信息中，并且相應(yīng)的所 述從節(jié)點還將在所述主節(jié)點（M)中估計的、沿著所述封閉拓撲的所有所述通訊路徑（PA1， PA2，...，PA7)累積的所述傳輸時間作為所述第二同步報文（SYN2)的所述同步信息的一部 分進行傳輸。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，相應(yīng)的所述從節(jié)點（SL1，SL2, . . .，SL6)借助 于估計的所述比率補償因數(shù)測定從時間，所述比率補償因數(shù)等于所述主時鐘的所述時鐘脈 沖頻率與相應(yīng)的所述從節(jié)點（SL1，SL2,. . .，SL6)的所述內(nèi)部時鐘的時鐘脈沖頻率的比值， 其中優(yōu)選地僅在使用在所述第一同步報文和/或所述第二同步報文（SYN1，SYN2)中的所述 內(nèi)部處理時間（BD)而不考慮沿著所述通訊路徑（PA1，PA2，...，PA7)的傳輸時間的情況下 測定所述比率補償因數(shù)。
13. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項與權(quán)利要求3相結(jié)合所述的方法，其中，所述第一同步 報文以及所述第二同步報文（SYN1，SYN2)的所述同步信息包括第一同步信息和第二同步 信息，其中所述第一同步信息不包括對于沿著所述通訊路徑（PA1，PA2, . . .，PA7)的傳輸 時間的信息，其中在轉(zhuǎn)發(fā)所述第一同步報文以及所述第二同步報文（SYN1，SYN2)時，相應(yīng) 的所述從節(jié)點（SL1，SL2, . . .，SL6)僅將在所述第一同步報文或所述第二同步報文（SYN1， SYN2)的接收與發(fā)送之間的內(nèi)部處理時間（BD)添加到所述第一同步信息中，并且相應(yīng)的所 述從節(jié)點還將在所述主節(jié)點（M)中估計的、沿著所述封閉拓撲的所有所述通訊路徑（PA1， PA2，. ..，PA7)的累積的傳輸時間作為第二同步信息進行傳輸，其中基于在相應(yīng)的所述從節(jié) 點（SL1，SL2，...，SL6)中接收的所述第一同步報文（SYN1)的所述第一同步信息測定所述 第一時間（tl)，并且基于在相應(yīng)的所述從節(jié)點（SL1，SL2，...，SL6)中接收的所述第二同步 報文（SYN2)的所述第一同步信息和所述第二同步信息測定所述第二時間（t2)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中，相應(yīng)的所述從節(jié)點（SL1，SL2, . . .，SL6)借助 于估計的比率補償因數(shù)測定從時間，所述比率補償因數(shù)等于所述主時鐘的時鐘脈沖頻率與 相應(yīng)的所述從節(jié)點的所述內(nèi)部時鐘的時鐘脈沖頻率的比值，其中優(yōu)選地僅在使用所述第一 同步信息而不考慮所述第二同步信息的情況下測定所述比率補償因數(shù)。
15. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，所述時間同步以標準IEEE1588或 者 IEC61588 或者 IEEE802. 1AS 為基礎(chǔ)。
16. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，所述網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（MA，SL1，SL2, ...， SL6)基于PROFINET-標準相互通訊。
17. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，所述方法應(yīng)用在工業(yè)自動化系統(tǒng) 中。
18. -種通訊網(wǎng)絡(luò)，所述通訊網(wǎng)絡(luò)包括具有主節(jié)點（MA)和多個從節(jié)點（SL1，SL2, ...， SL6)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（MA，SL1，SL2, ...，SL6)，其中所述主節(jié)點（MA)能利用第一時鐘獲取主 時間，并且每個所述從節(jié)點（SL1，SL2, ...，SL6)能利用內(nèi)部時鐘獲取從時間，其中同步報 文（SYN1，SYN2)能在所述通訊網(wǎng)絡(luò)中傳輸，其中在所述從節(jié)點（SL1，SL2, ...，SL6)中接 收的所述同步報文（SYN1，SYN2)包括同步信息，所述同步信息用于使所述從節(jié)點（SL1， SL2, ...，SL6)的所述從時間與所述主時間同步，其中所述通訊網(wǎng)絡(luò)如下地設(shè)計，即在所述 通訊網(wǎng)絡(luò)中能執(zhí)行一種方法，在所述方法中： -預(yù)定由在相鄰的所述網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（MA，SL1，SL2, . . .，SL6)之間的通訊路徑（PA1， PA2, ...，PA7)構(gòu)成的封閉拓撲，其中所述封閉拓撲確定了在相鄰的所述網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（MA， SL1，SL2, . . .，SL6)之間的第一傳輸方向和相反的第二傳輸方向； -所述同步報文（SYN1，SYN2)從所述主節(jié)點（MA)出發(fā)在所述封閉拓撲中如下地轉(zhuǎn)發(fā)， 即所述從節(jié)點（SL1，SL2, ...，SL6)中的至少一部分從節(jié)點分別從所述第一傳輸方向接收 第一同步報文（SYN1)并且從所述第二傳輸方向接收第二同步報文（SYN2); -所述從節(jié)點（SL1，SL2, ...，SL6)中是至少一部分中的相應(yīng)的所述從節(jié)點（SL1， SL2, . . .，SL6)確定了第一時間（tl)和第二時間（t2)，所述第一時間基于所述第一同步報 文（SYN1)的所述同步信息來同步，所述第二時間基于所述第二同步報文（SYN2)的所述同 步息來同步； -通過所述第一時間和所述第二時間（tl，t2)在數(shù)學(xué)上的平均來確定平均時間（ta)， 其中所述第一同步報文和第二同步報文（SYN1，SYN2)的所述同步信息如下地設(shè)計，即所述 平均時間（ta)等于所述主時間。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的通訊網(wǎng)絡(luò)，所述通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計用于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求2至 17中任一項所述的方法。
【文檔編號】H04J3/06GK104125030SQ201410174839
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月29日
【發(fā)明者】邁克爾·伯恩哈德·布赫爾, 德拉甘·奧布拉多維奇, 魯克桑德拉·沙伊特爾, 京特·施泰因德爾 申請人:西門子公司