CN101051886A - 一种短程无线通信网络的网络时钟同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种短程无线通信网络的网络时钟同步方法，属于无线通讯技术领域。首先短程无线通信网络中协调器的微控制器向本地的无线收发芯片发送信标帧发送命令，无线收发芯片接收后将信标帧发送至一般设备，并计算命令发送至无线收发芯片发送完信标帧中的同步开始字节所用的时间F1；一般设备的无线收发芯片接收信标帧中的同步开始字节后，对本地微控制器发送从低电平到高电平的跳变信号，本地微控制器接收该跳变信号后记录本地时钟的当前时间F2；一般设备接收到完整信标帧后，记录本地时钟的当前时间F3，根据F1、F2和F3，本地时钟的新的当前时间＝F1+(F3－F2)。本方法的优点是，资源占用少；网络节点的硬件成本低；维护容易。

Description

一种短程无线通信网络的网络时钟同步方法

技术领域

本发明涉及一种短程无线通信网络的网络时钟同步方法，尤其涉及Zigbee网络的网络时钟同步方法，属于无线通讯技术领域。

背景技术

在Zigbee网络中，网络节点可以根据功能不同分为两种，一种是网络协调器，一种是一般设备。节点之间有两种通信模式可供选择：信标使能通信和信标不使能通信。

在信标不使能的通信网络中，个人网协调器不发送信标帧，各个设备使用非时隙CSMA/CA机制访问信道，各个设备根据本地时钟工作，没有网络时钟的存在。

在信标使能的网络中，网络协调器以超帧为周期组织网络内设备间的通信。超帧结构如图1所示。一个超帧既是一段时间，网络协调器根据上一个超帧中各个设备的请求以及工作情况决定当前超帧中各个时间段网络的工作状态。每个超帧都以网络协调器发出信标帧为开始。网络协调器定时广播信标帧，在这个信标帧中包含了超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息。网络中的普通设备接收到超帧开始时的信标帧后，就可以根据其中的内容安排自己的任务，例如进入休眠状态直到这个超帧结束。

在信标使能的网络中，因为网络协调器严格规定了一个超帧内各个时间段的网络工作状态，所以一般设备必须跟协调器的步调一致，才能根据信标帧中的信息安排自己的工作，和网络内的节点正常通讯，不干扰其他节点的通讯。例如，当网络协调器进入非活动周期休眠而一般设备的还在竞争访问期的时候，它们之间的通讯就会失败。保持一般设备和网络协调器的工作步调一致就是使一般设备的本地时钟所表示的时间和网络协调器的本地时钟所表示的时间相同或者控制在允许的误差范围之内。只有网络协调器和一般设备之间保持良好的时钟同步，整个网络才能在网络协调器的控制下正常、高效率的工作。

网络中节点之间的时钟要保持良好的同步取决于两个主要因素，一是有效的同步办法，二是精确的本地时钟。

对于同步办法，目前比较普遍的是使用Network Time protocol或者Network Timeprotocol的精简版，但是因为Zigbee网络的带宽有限，如果加入一些复杂的通讯协议势必会占用大量的网络资源和硬件资源，影响网络通讯的效率，并且这些办法的实现只能放到应用层或者网络层来处理，相对于IEEE 802.15.4-2006来说未免太过复杂，因此它们不适合在Zigbee网络中应用。

对于本地时钟，影响本地时钟精度的关键器件是晶振。普通晶振的价钱便宜但是精度比较低，精度一般是±20ppm左右。如果网络时钟和本地时钟一起计时，那么1秒之后由于晶振造成的本地时钟和网络时钟的最大误差是40微秒，而且误差还会随着时间的增加累积，变的越来越大。调整这个误差的办法一个是提高晶振的精度，但是高精度晶振的价钱比较高，这对于强调低成本节点的Zigbee网络来说显然不适合，另外一个办法就是通过较好的网络时钟同步方法，定期的对本地时钟进行调整，消除误差的累计，使误差控制在Zigbee网络允许的误差范围之内。

发明内容

本发明的目的是提出一种短程无线通信网络的网络时钟同步方法，在不增加通讯协议以及不占用网络带宽的情况下完成网络协调器和一般设备之间的时钟同步工作，并降低对使用晶振的精度要求，以适应Zigbee网络的特殊要求。

本发明提出的短程无线通信网络的网络时钟同步方法，包括以下步骤：

(1)短程无线通信网络中协调器的微控制器向本地的无线收发芯片发送一个信标帧发送命令，无线收发芯片接收到该命令后将信标帧发送至一般设备，计算该微控制器发送命令开始至无线收发芯片发送完信标帧中的同步开始字节所用的时间F1；

(2)一般设备的无线收发芯片接收到上述信标帧中的同步开始字节后，对本地微控制器发送一个从低电平到高电平的跳变信号，本地微控制器接收该跳变信号后记录本地时钟的当前时间F2；

(3)上述一般设备接收到完整信标帧后，记录本地时钟的当前时间F3，根据上述F1、F2和F3，对本地时钟进行调整，本地时钟的新的当前时间＝F1+(F3-F2)，并以该新的当前时间更新旧的当前时间。

本发明提出的短程无线通信网络的网络时钟同步方法，在由单片机C8051F121和RF芯片CC2420构成的Zigbee平台上测试之后收到了良好的效果。

第一，资源占用少。本方法利用CC2420提供的接收发送帧过程中发送接收完同步开始字节时CC2420的SFD管脚的跳变信号作为一个校准基准点，在硬件上只占用了C8051F121的一个可编程计数器阵列(以下简称PCA)捕捉中断。固件上只在PCA捕捉中断和帧接收中断中有100行左右的代码。在网络带宽占用方面，因为是利用信标帧的接收作为校准源，没有单独的帧通讯用来同步时钟，所以网络通讯带宽占用为0。

第二，在网络的Beacon order小于等于8的情况下使用一般精度的晶振即可达到较高的网络时钟同步精度，使网络节点的硬件成本大大降低。

第三，本方法实现容易，可维护性比较高。本方法依据无线收发芯片提供一个同步信号，然后经过简单的计算进行时钟同步校正，没有复杂的通讯协议也没有复杂的算法，维护比较容易。

附图说明

图1是网络协调器规划的用于控制网络通信的超帧结构的示意图。

图2是本发明方法中一般设备与网络协调器收发数据时的同步信号示意图。

具体实施方式

本发明提出的短程无线通信网络的网络时钟同步方法，首先短程无线通信网络中协调器的微控制器向本地的无线收发芯片发送一个信标帧发送命令，无线收发芯片接收到该命令后将信标帧发送至一般设备，计算该微控制器发送命令开始至无线收发芯片发送完信标帧中的同步开始字节所用的时间F1；一般设备的无线收发芯片接收到上述信标帧中的同步开始字节后，对本地微控制器发送一个从低电平到高电平的跳变信号，本地微控制器接收该跳变信号后记录本地时钟的当前时间F2；一般设备接收到完整信标帧后，记录本地时钟的当前时间F3，根据上述F1、F2和F3，对本地时钟进行调整，本地时钟的新的当前时间＝F1+(F3-F2)，并以该新的当前时间更新旧的当前时间。

以下介绍本方法的工作原理：

本同步方法的主要工作原理是由无线收发芯片(以下简称RF)提供一个信号，就是当发送或者接收一帧数据的同步开始字节(以下简称SFD)时，RF从硬件管脚给出一个信号，如图2所示。例如网络协调器发送一帧数据给一般设备，当网络协调器的RF发送完这一帧的SFD时RF的一个管脚给出一个跳变信号，而当一般设备接收网络协调器的帧到SFD时一般设备的RF也给出一个跳变信号。因为无线电磁波的速度有30Km/s，所以网络协调器和一般设备之间的传输延迟时间可以忽略，这样就可以认为在一般设备接收到SFD时网络协调器刚刚发完SFD。因为网络协调器在控制RF发送帧的发送命令执行之后到RF发送SFD完之前的时间是固定的，所以一般设备就可以根据这个信号算出网络协调器从发送帧的发送命令执行开始到发完SFD的时间。对于信标使能网络来说，每个超帧都以网络协调器发出信标帧为开始，只要一般设备计算出信标帧从开始发送到发完SFD的时间，再加上从接收SFD之后到同步操作进行时的时间，然后使本地时钟从这个时间段继续累加计时，就可以达到一般设备的时钟和网络协调器的时钟一致的目的，而且因为设备每接收一次信标帧就更新一次本地时钟，所以可以把时钟同步操作之后产生的累计误差的控制在一定范围之内。

造成协调器和设备之间时钟异步的主要因素有两条，一是双方的时钟计时起始点不同，二是双方所使用的晶振都有一定的频偏，例如都用频偏为±20ppm的16M晶振，实际上晶振一个可能是16MHz+160Hz，一个可能是16MHz-160Hz。由于晶振是时钟计时的基准，双方时钟计时的标准单位不同，随着时间的推移双方的时钟就会慢慢异步，而且时间越长，双方的异步偏差越大。在Zigbee网络中，网络协调器定时广播信标，设备在接收到信标时进行时钟同步操作，之后到下一次信标帧来临之前不会再进行同步操作。如果协调器广播信标的间隔过大也就是超帧比较长，在超帧的前段时间因为双方的时钟刚刚刚校正过所以协调器和设备同步良好，而在超帧的后段时间因为晶振频偏的累加效应会导致协调器和设备间时钟异步越来越大，所以在时钟同步允许的误差范围之内如果使用一般的晶振应用此方案进行同步操作时Beacon order不能设的过大。

以网络协调器和设备的时钟都使用频偏为±20ppm的16M晶振为例，网络协调器和设备的之间的时钟偏差在他们同时启动的情况下经过4s的最大偏差是160us(实际中此偏差小于160us)，加上时钟同步校准操作中的误差10us(测试值)，4s的最大偏差是180us，这个偏差处于Zigbee网络的允许范围之内。当超帧为4s左右时Beacon order的值应为8，而当Beacon order为9或者大于9时，时钟偏差将达到320us以上，所以如果协调器和设备使用精度比较低的晶振并用本方案进行网络时钟同步校正，必须使Beacon order小于等于8。如果Beacon order大于等于9时也使用本方案，并且对同步的精度要求比较高，必须采用精度更高的晶振。

Claims (1)

1、一种短程无线通信网络的网络时钟同步方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)短程无线通信网络中协调器的微控制器向本地的无线收发芯片发送一个信标帧发送命令，无线收发芯片接收到该命令后将信标帧发送至一般设备，计算该微控制器发送命令开始至无线收发芯片发送完信标帧中的同步开始字节所用的时间F1；

(2)一般设备的无线收发芯片接收到上述信标帧中的同步开始字节后，对本地微控制器发送一个从低电平到高电平的跳变信号，本地微控制器接收该跳变信号后记录本地时钟的当前时间F2；

(3)上述一般设备接收到完整信标帧后，记录本地时钟的当前时间F3，根据上述F1、F2和F3，对本地时钟进行调整，本地时钟的新的当前时间＝F1+(F3-F2)，并以该新的当前时间更新旧的当前时间。

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