[发明专利]用于在通信网络中进行时间同步的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于在通信网络中进行时间同步的方法，以及通信网络中的一种节点和一种相应的通信网络。

背景技术

在许多技术领域中，通信网络用于自动执行分配到多个单元上的过程。其中，特别是在工业自动化网络中极其重要的是，自动程序彼此之间精确地协调一致。为此，通信网络中的单个节点包括相应的时钟，该时钟和基准节点中的基准时钟同步。基准节点通常也称为主节点，相反地，具有内部时钟的其它节点通常被称作辅助节点。

现有技术公开的用于同步通信网络中的时钟的协议在工业IEEE 1588、IEC 61158和IEEE 802.1AS标准中有详细说明。根据这些协议，交换具有时间戳的数据包形式的同步消息。其中，同步消息从主节点出发，依次在辅助节点之间进行转发。从主节点出发的同步信息包括根据基准时钟的第一周期计数状态在发出消息时的时间戳。辅助节点处理这一信息，并重新发出同步消息。其中，每个辅助节点加上同步消息在前一的节点中的发出时刻与其自身的发出时刻之间评估的延迟形成在所接收的同步消息中的第一周期计数状态。由此产生的周期计数状态被插入待发出的同步消息中。基于所接收的同步消息中的信息，每个辅助节点都能够将根据其内部时钟的第二周期计数状态和根据基准时钟的第一周期计数状态同步。

上面所说明的时钟的同步的问题在于：由于时间确定中的测量误差、单个时钟的变化的频率、偶然的环境影响以及关于接收和发送同步消息之间的时间延迟的不可知的变化，辅助节点的内部时钟无法足够精确地和主节点的基准时钟协调一致。

要考虑到时钟同步时的上述不确定性，出版物[2]以及以此为基础的欧洲专利申请（参考文献[1]）公开了：基于用于节点的状态变量的有关机率理论的模型，评估每个辅助节点中的第一周期计数状态，并且借助于评估的该第一周期计数状态，使内部时钟和基准时钟同步。其中，根据第一周期计数状态，相应的第二节点的第二周期计数状态的曲线走向不是连续的，并且会在接收会导致同步更新的新同步消息时出现断层。

发明内容

本发明的目的在于，在通信网络中实现一种时间上均匀的、具有高精确度的时间同步。

该目的通过独立权利要求得以实现。在从属权利要求中定义本发明的改进方案。

根据本发明的方法用于在具有多个节点的通信网络中进行时间同步，其中，节点包括一个第一节点和一个或者多个第二节点。在此，第一节点根据基准时钟频率生成的第一周期计数状态，该基准时钟频率基于该节点中的基准时钟，或者绝对时间源的第一节点（如GPS或者DCF77）接收该基准时钟频率。这个或多个第二节点分别根据内部时钟频率生成的第二周期计数状态，该内部时钟频率通过相应的第二节点中的内部时钟产生。在根据本发明所述的方法中，在依次的同步循环中进行时间同步，在同步循环中，同步消息分别从第一节点出发，依次从一个节点传输至另一节点，并且由一个节点发出的同步消息包括信息，该信息用于在接收同步消息的节点中进行时间同步。

在根据本发明的方法中，基于接下来阐述的步骤i）和ii），在第二节点的至少一部分的相应的第二节点中，并且特别是在所有第二节点中，实现时间同步。在步骤i）中，基于估算方法，借助于所接收的同步消息中的信息，为在相应的第二节点中测得的第二周期计数状态，评估第一周期计数状态。为此，可以使用现有技术公开的估算方法（例如分散或者集中的卡尔曼滤波器）。接下来，在步骤ii）中，由被评估的第一周期计数状态，借助于线性二次调节器、或者说LQG调节器（LQG=Linear Quadratic Gaussian），求出基于调节对象的调节的第一周期计数状态，该调节对象包括作为调整参数的补偿因数，该补偿因数估算基准时钟频率相对于相应的第二节点的内部时钟频率的当前占空比。其中，调节的第一周期计数状态表示同步的时间。如果是在步骤i）中未使用卡尔曼滤波器，则特别地安装LQG调节器。

根据本发明的方法以该认识为基础，即借助于基于线性二次调节器（英语：Linear Quadratic Regulator）的调节，保证精确的并且时间上均匀同步的时间，并且由此实现相应的第二节点的内部时钟频率和第一节点的内部时钟频率良好地进行同步，其中该线性二次调节器本身已由现有技术公开。此外通过使用补偿因数，以合适的方式考虑到相应的第二节点的内部时钟频率所出现的频率波动。