УСТРОЙСТВО РЕГИСТРАЦИИ МЕТОК ВРЕМЕНИ ИСХОДЯЩИХ ПАКЕТОВ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА IEEE 802.11 И СПОСОБ СИНХРОНИЗАЦИИ УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ С ИНТЕГРИРОВАННОЙ МИКРОСХЕМОЙ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ СТАНДАРТА IEEE 802.11 НА ЕГО ОСНОВЕ
DEVICE FOR RECORDING TIME LABELS OF OUTGOING PACKETS OF WIRELESS COMMUNICATION STANDARD IEEE 802.11 AND METHOD OF SYNCHRONIZING CONTROL DEVICE WITH INTEGRATED WIRELESS MICROCHIP STANDARD IEEE 802.11 BASED ON IT

Область техники, к которой относится изобретение
Группа изобретений относится к области беспроводных систем связи реального времени и может быть использована в различных областях науки и промышленности при создании устройств управления и распределенных систем ввода/вывода.
Уровень техники
Из существующего уровня техники известны методы синхронизации устройств при помощи беспроводной связи за счет обмена информацией о моментах времени приема и отправки пакетов между ними [Karl H., Willig A. Protocols and architectures for wireless sensor networks. - John Wiley & Sons, 2007. - 524 pages; Mahmood A. et al. Clock synchronization over IEEE 802.11 - A survey of methodologies and protocols / IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2016, V. 13, N. 2, pp. 907-922; заявка на патент ЕР 2451100 A2, дата публикации: 09.05.2012].
Данные методы требуют формирования на каждом из устройств точных меток времени для моментов приема и отправки пакетов беспроводной связи.
Из уровня техники известно, что для получения точной метки времени для моментов приема и отправки пакетов в беспроводных сетях стандарта IEEE 802.11, ее регистрация должна производится непосредственно на входе/выходе модуля PHY устройства беспроводной связи, отвечающего за модуляцию/демодуляцию и усиление передаваемых и принимаемых радио сигналов. Однако современные микросхемы беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 в подавляющем большинстве случаев представляют собой интегрированные системы-на-кристалле, в которых цифроаналоговый модуль PHY подключен непосредственно к цифровому модулю MAC, отвечающему за кодирование/декодирование пакетов. Использование интегрированных микросхем позволяет снизить стоимость и повысить надежность устройств беспроводной связи, однако в таких микросхемах невозможно произвести регистрацию меток времени непосредственно на выходе модуля PHY. А использование меток времени, сформированных на основании выхода MAC ухудшает точность синхронизации устройств более чем в 600 раз [Kannisto J. et al. Software and hardware prototypes of the IEEE 1588 precision time protocol on wireless LAN / 2005 14th IEEE Workshop on Local & Metropolitan Area Networks. - IEEE, 2005. - 6 pages].
Из уровня техники известны устройства, в которых для регистрации времени отправки/приема пакетов беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 используются программируемые логические схемы (ПЛИС), на которых реализуется полный функционал модуля MAC, и которые подключаются к внешней микросхеме приемопередатчика радиосигнала [Kannisto J. et al. Software and hardware prototypes of the IEEE 1588 precision time protocol on wireless LAN / 2005 14th IEEE Workshop on Local & Metropolitan Area Networks. - IEEE, 2005. - 6 pages; Exel R. Clock synchronization in IEEE 802.11 wireless LANs using physical layer timestamps / 2012 IEEE International Symposium on Precision Clock Synchronization for Measurement, Control and Communication Proceedings. - IEEE, 2012. - pp. 1-6].
Недостатком данных устройств является необходимость реализации на базе ПЛИС большей части функционала, регламентированного стандартом IEEE 802.11, что требует применения дорогостоящих микросхем с объемом логической емкости не менее 71244 6-ти входовых логических ячеек [Электронный ресурс: http://mangocomm.com/802.11] или не менее 133498 4-х входовых логических ячеек [Agnes Fain, Wolfgang Meryk. Implementing Wireless LAN Interface in an FPGA / Xcell Journal, 2009, N. 69, pp. 34-37].
Также из уровня техники известны интегрированные микросхемы беспроводной связи стандарта IEEE 802.11, имеющие встроенный функционал регистрации времени входящих и исходящих пакетов (например, Broadcom ВСМ4712, Broadcom ВСМ43438, Cypress CYW43455). Он позволяет регистрировать метки времени с точностью 1 мкс, а при соответствующих изменениях встроенного программного обеспечения с точность до 45,4 нс [Facchi N. et al. Emitter localisation from reception timestamps in asynchronous networks / Computer Networks, 2015, V. 88, pp. 202-217].
Недостатком таких микросхем и модулей беспроводной связи является отсутствие интерфейса, позволяющего точно синхронизировать таймер счетчик интегрированной микросхемы беспроводной связи стандарта IEEE 802.11, по которому формируются метки времени в моменты приема и отправки пакетов с встроенным таймером счетчиком устройства управления. При использовании для этих целей стандартного интерфейса для связи модуля MAC интегрированной микросхемы беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 с внешними устройствами максимальная ошибка синхронизации достигает 8,5 мс [Rhee J.K. et al. Timestamp jitter consideration for 802.11 n / IEEE 802.1 (avb) Interim. - 2008]. Это не позволяет использовать метки времени, получаемые интегрированными микросхемами беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 для синхронизации нескольких устройств управления между собой с точностью не хуже 1 мс, необходимой для систем управления движением и технологическими процессами [Mahmood A. et al. Clock synchronization over IEEE 802.11 - A survey of methodologies and protocols / IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2016, V. 13, N2, pp. 907-922].
Раскрытие сущности изобретения
Предлагаемая группа изобретений направлена на решение технической задачи по устранению указанных недостатков уровня техники.
Достигаемый при этом технический результат заключается в синхронизации таймер счетчика интегрированной микросхемы беспроводной связи стандарта 802.11, обладающей функционалом для регистрации меток времени входящих и исходящих пакетов, с встроенным таймером счетчиком устройства управления с точностью не хуже 10 мкс, с возможностью реализации цифровых компонент устройства регистрации меток времени исходящих пакетов беспроводной связи стандарта IEEE 802.11, входящего в состав предлагаемой группы изобретений, на базе ПЛИС с логической емкостью не более 1000 6-ти входовых логических ячеек.
Технический результат достигается тем, что устройство регистрации меток времени исходящих пакетов беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 включает в себя быстродействующий компаратор, подключенный на вход радиоприемника интегрированной микросхемы беспроводной связи стандарта IEEE 802.11, который также подключен к выходу приемо-передающего фронтально-оконечного модуля сетей стандарта IEEE 802.11, причем выход быстродействующего компаратора подключен к детектору отрицательного фронта и к детектору положительного фронта, выходы которых подключены к управляющему конечному автомату, на входы которого также подключены выход встроенного таймер счетчика устройства управления и управляемый таймер счетчик, который управляется сигналом управляющего конечного автомата, при этом выход управляющего конечного автомата является выходом устройства регистрации меток времени исходящих пакетов беспроводной связи стандарта IEEE 802.11.
Технический результат также достигается способом синхронизации устройства управления с интегрированной микросхемой беспроводной связи стандарта IEEE 802.11. Указанный способ характеризуется тем, что устройство управления циклически отдает команды интегрированной микросхеме беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 на отправку сверхкороткого пакета, время отправки которого регистрируется при помощи метки времени, полученной при помощи встроенного функционала интегрированной микросхемы беспроводной связи стандарта IEEE 802.11, и метки времени, полученной при помощи предлагаемого в настоящем изобретении устройства регистрации меток времени исходящих пакетов беспроводной связи стандарта IEEE 802.11, к которой прибавляется значение коррекции, сумма с которым умножается на коэффициент расхождения таймер счетчиков, вычисляемый как угловой коэффициент прямой аппроксимирующей зависимости меток времени, полученных при помощи встроенного функционала интегрированной микросхемы беспроводной связи стандарта IEEE 802.11, от меток времени, полученных при помощи предлагаемого в настоящем изобретении устройства регистрации меток времени исходящих пакетов беспроводной связи стандарта IEEE 802.11, по последовательно полученным меткам времени, при этом результат произведения является выходом встроенного таймер счетчика устройства управления, синхронизированного с таймер счетчиком интегрированной микросхемы беспроводной связи стандарта 802.11, который предназначен для решения задачи синхронизации нескольких устройств управления между собой, также результат произведения вычитается из метки времени, полученной при помощи встроенного функционала интегрированной микросхемы беспроводной связи стандарта IEEE 802.11, полученная разность делится на коэффициент расхождения таймер счетчиков и прибавляется к значению коррекции, которое будет использовано на следующем цикле синхронизации.
Указанные признаки изобретения являются существенными и совокупность этих признаков достаточна для получения требуемого технического результата.
Осуществление изобретения и описание чертежей
Сущность группы изобретений поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана блок-схема заявляемого изобретения. Она содержит устройство управления 1, интегрированную микросхему беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 2, приемо-передающий фронтально-оконечный модуль сетей стандарта IEEE 802.11 3, быстродействующий компаратор 4, детектор отрицательного фронта 5, управляемый таймер счетчик 6, управляющий конечный автомат 7, детектор положительного фронта 8. Совокупность блоков 4-8 является устройством регистрации меток времени исходящих пакетов беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 9.
Предлагаемое устройство регистрации меток времени исходящих пакетов беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 работает следующим образом. Устройство управления 1 циклически отдает команды интегрированной микросхеме беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 2 на отправку сверхкороткого пакета длительностью, например, 13,178 мкс. В момент отправки интегрированная микросхема беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 2 изменяет потенциал входа радиоприемника в значение близкое к 0В, в то время как потенциал входа радиоприемника в режиме приема составляет около 600 мВ. Пример осциллограммы изменения потенциала на входе радиоприемника интегрированной микросхемы беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 2 в момент передачи исходящего пакета представлен на фиг. 2. Изменение потенциала на входе радиоприемника интегрированной микросхемы беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 2 приводит к изменению выходного сигнала быстродействующего компаратора 4, уровень переключения которого настроен на 300 мВ. Выход быстродействующего компаратора 4 поступает на детектор отрицательного фронта 5 и детектор положительного фронта 7. Детектор отрицательного фронта 5 на своем выходе формирует импульс в момент возникновения отрицательного фронта на выходе быстродействующего компаратора 4. Детектор положительного фронта 8 на своем выходе формирует импульс в момент возникновения положительного фронта на выходе быстродействующего компаратора 4. Выход детекторов отрицательного (5) и положительного (8) фронтов поступают на управляющий конечный автомат 7, который имеет два состояния: ожидание I и измерение II (фиг. 3). В начальный момент времени управляющий конечный автомат 7 находится в режиме ожидания I. При возникновении импульса на выходе детектора отрицательного фронта 5 он сбрасывает управляемый таймер счетчик 6, фиксирует в отдельном регистре метки времени текущее состояние встроенного таймер счетчика устройства управления, поступающее на вход устройства регистрации меток времени исходящих пакетов беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 9, и переходит в режим измерения II. В режиме измерения II управляемый таймер счетчик 6 непрерывно инкрементируется. В случае, если в режиме измерения II возникает импульс на выходе детектора положительного фронта 8, управляющий конечный автомат 7 осуществляет сравнение текущего значения управляемого таймер счетчика 6 и ожидаемой длительности сверхкороткого пакета (например, 13,178 мкс), умноженной на частоту изменения управляемого таймер счетчика 6. Если текущее состояние управляемого таймер счетчика 6 отличается от произведения ожидаемой длительности сверхкороткого пакета менее чем на 1%, то значение из отдельного регистра метки времени копируется на выход управляющего конечного автомата 7, а сам управляющий конечный автомат 7 переходит в состояние ожидания I. Выход управляющего конечного автомата 7 поступает на вход устройства управления 1 и в дальнейшем используется в способе синхронизации устройства управления с интегрированной микросхемой беспроводной связи стандарта IEEE 802.11, входящем в состав предлагаемой группы изобретений.
d
ƒ
d
ƒ
d
ƒ
d
ƒ
ƒ
ƒd
ƒ
c
с
ƒd
Предлагаемый способ синхронизации устройства управления с интегрированной микросхемой беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 работает следующим образом. Устройство управления 1 циклически с периодом не реже 1 раза в секунду отдает команды интегрированной микросхеме беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 2 на отправку сверхкороткого пакета длительностью, например, 13,178 мкс, время отправки которого регистрируется при помощи метки времени T, полученной при помощи встроенного функционала интегрированной микросхемы беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 2, и метки времени Т, полученной при помощи устройства регистрации меток времени исходящих пакетов беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 9. Если по каким-либо причинам интегрированной микросхеме беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 2 не удалось осуществить отправку сверхкороткого пакета, то устройство управления 1 повторяет команды на отправку с периодичностью не более 1 раза в секунду до успешного завершения процедуры отправки и регистрации пары меток времени T и T. На основании последовательно зарегистрированных пар меток времени T и Т (например, в количестве 100 штук) находятся значения k (коэффициент расхождения таймер счетчиков) и b, являющиеся параметрами аппроксимации зависимости T(T) линейной функцией k⋅T+b. Далее на каждом цикле синхронизации вычисляется значение Т=k⋅(T+T), где Т - значение коррекции, равное 0 в момент начала процедуры синхронизации и вычисляемое на каждом ее цикле. T является выходом встроенного таймер счетчика устройства управления 1, синхронизированного с таймер счетчиком интегрированной микросхемы беспроводной связи стандарта 802.11 2, который предназначен для решения задачи синхронизации нескольких устройств управления между собой. В завершение цикла синхронизации вычисляется новое значение коррекции по формуле:
с
ƒd
Данное значение Т будет использовано на следующем цикле синхронизации для вычисления нового значения T.
Работоспособность группы изобретений была проверена на макете, который наглядно продемонстрировал получение требуемого технического результата. Макет включал в себя устройство управления на базе одноплатного компьютера Raspberry Pi 3 v1.2, оснащенного микросхемой беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 Broadcom ВСМ43438, имеющей встроенный функционал регистрации времени входящих и исходящих пакетов. В качестве быстродействующего компаратора была использована микросхема Analog Devices AD8611ARZ. Детектор отрицательного фронта, управляемый таймер счетчик, управляющий конечный автомат и детектор положительного фронта были реализованы на базе ПЛИС Xilinx Artix-7. Связь между управляющим конечным автоматом и устройством управления осуществлялась по интерфейсу Fast Ethernet и протоколу UDP. Полная ресурсоемкость реализации всех цифровых компонентов устройства регистрации меток времени исходящих пакетов беспроводной связи стандарта IEEE 802.11, а также интерфейса связи его с устройством управления по протоколу UDP составила 938 6-ти входовых логических ячеек.
d
ƒ
d
ƒ
Алгоритм предложенного способа синхронизации устройства управления с интегрированной микросхемой беспроводной связи стандарта IEEE 802.11 был реализован в среде Octave и запущен на устройстве управления. Длительность сверхкоротких пакетов, использованных для реализации предложенного способа синхронизации составляла 13,178 мкс. На основании 100 последовательно зарегистрированных пар меток времени Tи Т при аппроксимации методом наименьших квадратов получен коэффициент расхождения таймер счетчиков k, который составил 0,0200000315515486866424499368122269515879452228546142578125. Далее с использованием этого значения k были проведены 20000 последовательных циклов синхронизации, в каждом из которых вычислялась ошибка синхронизации (фиг. 4), накопившаяся за время между регистрацией меток времени T и Т.
Как видно, ошибка синхронизации за все 20000 измерений, полученных в ходе более чем 6 часового эксперимента, не превышает 6 мкс, а ресурсоемкость цифровых компонент реализованного на макете устройства регистрации меток времени исходящих пакетов беспроводной связи стандарта IEEE 802.11, входящего в состав предлагаемой группы изобретений составила менее 1000 6-ти входовых логических ячеек, что свидетельствует о достижении заявленного технического результата.