基于工业互联网现场层宽带总线架构的同步方法及装置与流程

本申请涉及通信技术领域，尤其涉及基于工业互联网现场层宽带总线架构的同步方法及装置。

背景技术：

现有通信技术下，自动化领域中的底层数据通信主要采用现场总线来实现。所谓现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。其中，现场总线主要包括：控制器局域网络(controllerareanetwork，can)总线、过程现场(processfieldbus，profibus)总线。

但是，can总线和profibus总线的传输宽带较低，一般在50m以下，导致传输速率慢，无法满足大型工业现场中众多工业现场设备的接入及高速传输需求。

而profinet等工业以太网总线，虽然相较can和profibus传输带宽较高，在工业现场应用时，需要借助以太网交换机实现设备的接入及数据传输，系统复杂、布线困难，无法满足数据高速、实时传输。并且，随着工业现场规模的壮大，工业现场设备也随之繁杂众多，现场总线需要挂接大量工业现场设备，profinet也无法满足大型工业现场中大量工业现场设备的接入及高速传输需求。而且，由于，需要借助以太网交换机实现设备的接入及数据传输，因此，profinet等工业以太网总线的同步方案比较复杂且效果较差。

随着工业现场规模的壮大，工业现场设备的增多，现有技术下缺少一种可以同时满足高实时、高宽带、高速并且不需要交换机的现场总线。

技术实现要素：

本申请实施例提供基于工业互联网现场层宽带总线架构的同步方法及装置，用于使整个总线系统达到同步，同步方案益于布署、系统同步准确且系统可靠性较高，为传输硬实时业务提供基础保证。

本申请实施例提供的具体技术方案如下：

第一方面，基于工业互联网现场层宽带总线架构的同步方法，基于工业互联网现场层宽带总线架构，包括：总线控制器、至少一个总线终端和两线制总线，总线控制器与总线终端通过两线制总线连接构成一个总线系统，并且总线控制器与任一总线终端之间、以及各总线终端之间基于多载波正交频分复用ofdm技术进行通信，其中，各总线终端占用的子载波之间互不干扰，本方法应用于每个总线终端，本方法包括：

总线终端接收总线控制器在下行系统子帧上发送的下行导频信号，并基于接收的下行导频信号，分别确定总线终端与总线控制器之间的时钟偏差和符号偏差；

总线终端基于时钟偏差对接收信号进行时钟纠正，并基于时钟偏差对发送信号进行时钟纠正，并基于符号偏差对接收信号的开窗位置进行调整，并基于符号偏差对发送信号的开窗位置进行调整，实现总线终端与总线控制器之间的时钟同步和符号同步；

总线终端根据总线终端与总线控制器之间的传输时延，对发送给总线控制器的信号的发送时间进行传输时延调整，根据总线终端与其它总线终端之间的传输时延，对发送给其它总线终端的信号的发送时间进行传输时延调整，通过每个总线终端与总线控制器之间的时钟同步和符号同步以及传输时延调整实现总线系统同步。

较佳的，基于接收的下行导频信号，分别确定总线终端与总线控制器之间的时钟偏差和符号偏差，具体包括：

在总线系统初始化时，总线终端每次在当前下行系统子帧上接收到下行导频信号后，根据当前下行系统子帧上接收的两个下行导频信号，分别确定总线终端与总线控制器之间的时钟偏差和符号偏差；或者，

在总线系统稳定运行时，总线终端每次在当前下行系统子帧上接收到下行导频信号后，基于在当前下行系统子帧上接收的下行导频信号，以及上一个下行系统子帧上接收的下行导频信号，确定总线终端与总线控制器之间的时钟偏差，并每隔预设个数的信号帧，基于当前下行系统子帧上接收的下行导频信号，以及上一个下行系统子帧上接收的下行导频信号，确定总线终端与总线控制器之间的符号偏差。

较佳的，在总线终端基于时钟偏差对传输的信号的时钟进行时钟同步调整，并基于符号偏差对传输的信号的开窗位置进行符号同步调整之后，在总线终端根据总线控制器返回的总线终端与总线控制器之间的传输时延，对发送给总线控制器的信号的发送时间进行传输时延调整之前，进一步包括：

总线终端确定正确接收到总线控制器在下行子帧上发送的系统广播信息时，判定与总线控制器的时钟同步成功并且与总线控制器的符号同步成功。

较佳的，在判定与总线控制器的时钟同步成功并且与总线控制器的符号同步成功之后，在总线终端根据总线终端与总线控制器之间的传输时延，对发送给总线控制器的信号的发送时间进行传输时延调整之前，进一步包括：

若总线终端为初始接入总线控制器的总线终端，则在普通帧中包含的上行子帧上向总线控制器发送接入请求消息，触发总线控制器基于接入请求消息向总线终端返回携带有总线控制器与总线终端之间传输时延的接入确认消息，并在下行子帧上接收总线控制器发送的接入确认消息，其中，普通帧为包含下行系统子帧、下行子帧和上行子帧的信号帧；或者，

若总线终端为随机接入总线控制器的总线终端，则在特殊帧中包含的随机接入系统子帧上向总线控制器发送接入请求消息，触发总线控制器基于接入请求消息向总线终端返回携带有总线控制器与总线终端之间传输时延的接入确认消息，并在下行子帧上接收总线控制器发送的接入确认消息，其中，特殊帧为包含下行系统子帧、下行子帧、上行子帧和随机接入系统子帧的信号帧。

较佳的，触发总线控制器基于接入请求消息向总线终端返回携带有总线控制器与总线终端之间传输时延的接入确认消息，包括：

触发总线控制器执行以下步骤：

获取接入请求消息的接收时间，并获取上行子帧包含的指定个数的ofdm符号对应的发送时间；

将小于接收时间，并且与接收时间的差值最小的ofdm符号对应的发送时间，作为接入请求消息的发送时间。

基于接入请求消息的接收时间与接入请求消息的发送时间的差值，确定总线终端与总线控制器之间的传输时延，并将携带有总线控制器与总线终端之间传输时延的接入确认消息发送至总线终端。

较佳的，下行系统子帧为每个信号帧上的第一个子帧，信号帧为特殊帧或普通帧。

第二方面，基于工业互联网现场层宽带总线架构的同步装置，基于工业互联网现场层宽带总线架构，包括：总线控制器、至少一个总线终端和两线制总线，总线控制器与总线终端通过两线制总线连接构成一个总线系统，并且总线控制器与任一总线终端之间、以及各总线终端之间基于多载波正交频分复用ofdm技术进行通信，其中，各总线终端占用的子载波之间互不干扰，本装置应用于每个总线终端，包括：

确定单元，用于接收总线控制器在下行系统子帧上发送的下行导频信号，并基于接收的下行导频信号，分别确定总线终端与总线控制器之间的时钟偏差和符号偏差；

调整单元，用于基于时钟偏差对接收信号进行时钟纠正，并基于时钟偏差对发送信号进行时钟纠正，并基于符号偏差对接收信号的开窗位置进行调整，并基于符号偏差对发送信号的开窗位置进行调整，实现总线终端与总线控制器之间的时钟同步和符号同步；

同步单元，用于根据总线终端与总线控制器之间的传输时延，对发送给总线控制器的信号的发送时间进行传输时延调整，根据总线终端与其它总线终端之间的传输时延，对发送给其它总线终端的信号的发送时间进行传输时延调整，通过每个总线终端与总线控制器之间的时钟同步和符号同步以及传输时延调整实现总线系统同步。

较佳的，在基于接收的下行导频信号，分别确定总线终端与总线控制器之间的时钟偏差和符号偏差时，确定单元具体用于：

在总线系统初始化时，每次在当前下行系统子帧上接收到下行导频信号后，根据当前下行系统子帧上接收的两个下行导频信号，分别确定总线终端与总线控制器之间的时钟偏差和符号偏差；或者，

在总线系统稳定运行时，每次在当前下行系统子帧上接收到下行导频信号后，基于在当前下行系统子帧上接收的下行导频信号，以及上一个下行系统子帧上接收的下行导频信号，确定总线终端与总线控制器之间的时钟偏差，并每隔预设个数的信号帧，基于当前下行系统子帧上接收的下行导频信号，以及上一个下行系统子帧上接收的下行导频信号，确定总线终端与总线控制器之间的符号偏差。

较佳的，在总线终端基于时钟偏差对传输的信号的时钟进行时钟同步调整，并基于符号偏差对传输的信号的开窗位置进行符号同步调整之后，在总线终端根据总线控制器返回的总线终端与总线控制器之间的传输时延，对发送给总线控制器的信号的发送时间进行传输时延调整之前，调整单元还用于：

总线终端确定正确接收到总线控制器在下行子帧上发送的系统广播信息时，判定与总线控制器的时钟同步成功并且与总线控制器的符号同步成功。

较佳的，在判定与总线控制器的时钟同步成功并且与总线控制器的符号同步成功之后，在总线终端根据总线终端与总线控制器之间的传输时延，对发送给总线控制器的信号的发送时间进行传输时延调整之前，调整单元还用于：

若总线终端为初始接入总线控制器的总线终端，则在普通帧中包含的上行子帧上向总线控制器发送接入请求消息，触发总线控制器基于接入请求消息向总线终端返回携带有总线控制器与总线终端之间传输时延的接入确认消息，并在下行子帧上接收总线控制器发送的接入确认消息，其中，普通帧为包含下行系统子帧、下行子帧和上行子帧的信号帧；或者，

若总线终端为随机接入总线控制器的总线终端，则在特殊帧中包含的随机接入系统子帧上向总线控制器发送接入请求消息，触发总线控制器基于接入请求消息向总线终端返回携带有总线控制器与总线终端之间传输时延的接入确认消息，并在下行子帧上接收总线控制器发送的接入确认消息，其中，特殊帧为包含下行系统子帧、下行子帧、上行子帧和随机接入系统子帧的信号帧。

较佳的，在触发总线控制器基于接入请求消息向总线终端返回携带有总线控制器与总线终端之间传输时延的接入确认消息时，调整单元还用于：

触发总线控制器执行以下步骤：

获取接入请求消息的接收时间，并获取上行子帧包含的指定个数的ofdm符号对应的发送时间；

将小于接收时间，并且与接收时间的差值最小的ofdm符号对应的发送时间，作为接入请求消息的发送时间。

基于接入请求消息的接收时间与接入请求消息的发送时间的差值，确定总线终端与总线控制器之间的传输时延，并将携带有总线控制器与总线终端之间传输时延的接入确认消息发送至总线终端。

较佳的，下行系统子帧为每个信号帧上的第一个子帧，信号帧为特殊帧或普通帧。

第三方面，一种电子设备，包括：一个或多个处理器；以及

一个或多个计算机可读介质，可读介质上存储有用于基于工业互联网现场层宽带总线架构的同步的程序，其中，程序被一个或多个处理器执行时，实现上述第一方面中任一项的方法的步骤。

第四方面，一个或多个计算机可读介质，可读介质上存储有用于基于工业互联网现场层宽带总线架构的同步的程序，其中，程序被一个或多个处理器执行时，实现上述第一方面中任一项的方法的步骤。

第五方面，基于工业互联网现场层宽带总线架构的同步方法，基于工业互联网现场层宽带总线架构包括：总线控制器和总线终端，各总线终端之间基于多载波ofdm技术进行通信包括：

总线终端接收总线控制器在下行系统子帧上发送的下行导频信号；

总线终端基于接收的下行导频信号，分别确定总线终端与总线控制器之间的时钟偏差和符号偏差；其中，时钟偏差用于对传输信号进行时钟纠正，符号偏差用于对传输信号的开窗位置进行调整；

总线终端获取本地存储的传输时延，并基于时钟偏差、符号偏差和传输时延，对传输的信号进行相应地调整。其中，传输时延包括总线终端与总线控制器之间的时延和各个总线终端之间的时延。

较佳的，基于时钟偏差、符号偏差和传输时延，对传输的信号进行相应地调整，具体包括：

总线终端基于时钟偏差对接收信号进行时钟纠正，并基于时钟偏差对发送信号进行时钟纠正，并基于符号偏差对接收信号的开窗位置进行调整，并基于符号偏差对发送信号的开窗位置进行调整，实现总线终端与总线控制器之间的时钟同步和符号同步；

总线终端根据总线终端与总线控制器之间的传输时延，对发送给总线控制器的信号的发送时间进行传输时延调整，根据总线终端与其它总线终端之间的传输时延，对发送给其它总线终端的信号的发送时间进行传输时延调整，通过每个总线终端与总线控制器之间的时钟同步和符号同步以及传输时延调整实现总线系统同步。

第六方面，基于工业互联网现场层宽带总线架构的同步装置，基于工业互联网现场层宽带总线架构包括：总线控制器和总线终端，各总线终端之间基于多载波ofdm技术进行通信包括：

接收单元，用于接收总线控制器在下行系统子帧上发送的下行导频信号；

确定单元，用于基于接收的下行导频信号，分别确定总线终端与总线控制器之间的时钟偏差和符号偏差；其中，时钟偏差用于对传输信号进行时钟纠正，符号偏差用于对传输信号的开窗位置进行调整；

调整单元，用于获取本地存储的传输时延，并基于时钟偏差、符号偏差和传输时延，对传输的信号进行相应地调整。其中，传输时延包括总线终端与总线控制器之间的时延和各个总线终端之间的时延。

较佳的，在基于时钟偏差、符号偏差和传输时延，对传输的信号进行相应地调整时，调整单元具体用于：

基于时钟偏差对接收信号进行时钟纠正，并基于时钟偏差对发送信号进行时钟纠正，并基于符号偏差对接收信号的开窗位置进行调整，并基于符号偏差对发送信号的开窗位置进行调整，实现总线终端与总线控制器之间的时钟同步和符号同步；

根据总线终端与总线控制器之间的传输时延，对发送给总线控制器的信号的发送时间进行传输时延调整，根据总线终端与其它总线终端之间的传输时延，对发送给其它总线终端的信号的发送时间进行传输时延调整，通过每个总线终端与总线控制器之间的时钟同步和符号同步以及传输时延调整实现总线系统同步。

第七方面，一种电子设备，包括：一个或多个处理器；以及

一个或多个计算机可读介质，可读介质上存储有用于基于工业互联网现场层宽带总线架构的同步的程序，其中，程序被一个或多个处理器执行时，实现上述第五方面中任一项的方法的步骤。

第八方面，一个或多个计算机可读介质，可读介质上存储有用于基于工业互联网现场层宽带总线架构的同步的程序，其中，程序被一个或多个处理器执行时，实现上述第五方面中任一项的方法的步骤。

本申请实施例中，总线终端接收总线控制器在下行系统子帧上发送的下行导频信号，并基于接收的下行导频信号，分别确定总线终端与总线控制器之间的时钟偏差和符号偏差；总线终端基于时钟偏差对接收信号进行时钟纠正，并基于时钟偏差对发送信号进行时钟纠正，并基于符号偏差对接收信号的开窗位置进行调整，并基于符号偏差对发送信号的开窗位置进行调整，实现总线终端与总线控制器之间的时钟同步和符号同步；总线终端根据总线终端与总线控制器之间的传输时延，对发送给总线控制器的信号的发送时间进行传输时延调整，根据总线终端与其它总线终端之间的传输时延，对发送给其它总线终端的信号的发送时间进行传输时延调整，通过每个总线终端与总线控制器之间的时钟同步和符号同步以及传输时延调整实现总线系统同步。本发明提供的同步方案中，总线控制器不需要做时钟同步和符号同步，所有总线终端以总线控制器为标准，在接收信号时和发射信号时，根据下行导频信号对接收信号和发送信号进行自适应性时钟纠正并确定开窗位置，不需要对本地时钟进行调整，实现了与总线控制器的时钟同步和符号同步；并且，所有总线终端在发送信号根据传输时延对发送时间调整。因而，所有总线终端通过时钟同步、符号同步和传输时延调整，实现了总线系统上所有设备的同步，为实现硬实时业务提供了基础保障。总线控制器在发射和接收时均不做调整。通过物理层同步过程实现了总线系统上所有总线终端与总线控制器的时钟同步和符号同步。

附图说明

图1a为本申请实施例中总线系统的架构示意图；

图1b为本申请实施例中总线系统的帧结构示意图；

图2为本申请实施例一中基于工业互联网现场层宽带总线架构的同步方法的流程图；

图3a为本申请实施例二中基于工业互联网现场层宽带总线架构的同步方法的流程图；

图3b为本申请实施例二中信号帧的传输时间示意图。

图4为本申请实施例中基于工业互联网现场层宽带总线架构的第一种同步装置的结构示意图；

图5为本申请实施例中基于工业互联网现场层宽带总线架构的第二种同步装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本申请实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为了使整个总线系统达到同步，为传输硬实时业务提供基础保证，本申请实施例中，设计了基于工业互联网现场层宽带总线架构的同步方法，该方法为总线终端根据总线控制器发送的下行导频信号确定的时钟偏差和符号偏差，进行时钟同步调整和符号同步调整，进一步地，根据总线终端与总线控制器之间的传输时延，对发送给其它总线终端的信号的发送时间进行传输时延调整。

硬实时业务对时限有严格的要求，一旦任务错误截止期限，会带来不可预料的后果，甚至导致严重的灾难。现场总线系统对实时性和可靠性要求较高，任务错过截止期限将带来非常严重的后果。本发明提供的同步方法，总线控制器不需要做时钟同步和符号同步，所有总线终端以总线控制器为标准，在接收信号时和发射信号时，根据下行导频信号对接收信号和发送信号进行自适应性时钟纠正并确定开窗位置，不需要地本地时钟进行调整，实现与总线控制器的时钟同步和符号同步；并且，所有总线终端在发送信号根据传输时延对发送时间调整。因而，所有总线终端通过时钟同步、符号同步和传输时延调整，实现了总线系统上所有设备的同步，为实现硬实时业务提供了基础保障。总线控制器在发射和接收时均不做时钟同步和符号同步。

下面结合附图对本申请优选的实施方式进行概括说明。

首先，总线终端接收总线控制器在下行系统子帧上发送的下行导频信号。

然后，总线终端基于接收的下行导频信号，分别确定总线终端与总线控制器之间的时钟偏差和符号偏差。其中，时钟偏差用于对传输信号进行时钟纠正，符号偏差用于对传输信号的开窗位置进行调整。

最后，总线终端获取本地存储的传输时延，并基于时钟偏差、符号偏差和传输时延，对传输的信号进行相应地调整。其中，传输时延包括总线终端与总线控制器之间的时延和各个总线终端之间的时延。

下面结合附图对本申请优选的实施方式进行详细说明。

参阅图1a所示，本申请实施例中，基于工业互联网现场层宽带总线架构，包括：总线控制器、至少一个总线终端和两线制总线，总线控制器与总线终端通过两线制总线连接构成一个总线系统，并且总线控制器与任一总线终端之间、以及各总线终端之间基于多载波正交频分复用(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing，ofdm)技术进行通信，其中，各总线终端占用的子载波之间互不干扰。本发明所述的总线系统同时满足高实时、高宽带和高速的需求并且不需要总线上的传输不需要交换机，数据传输带宽百兆以上。

并且，本发明实施例中，总线终端之间可以直接通信，总线终端之间也可以通过总线控制器进行通信，即总线终端将数据发送给总线控制器，总线控制器再将数据转发给相应的总线终端。总线控制器对整个网络的通信进行控制，完成网络配置和初始化，以及对物理层信道资源进行调度，同时总线控制器还可以完成高速控制总线网络与外界的通信。

其中，两线制总线为一对差分线。差分线为承载差分信号的那一对走线。而差分信号是指驱动器端发送两个等值、反相的信号，接收端通过比较这两个电压的差值来判断逻辑状态“0”还是“1”。两线制总线为一种现场层宽带总线，比如可以为一对差分式两线制总线，其采用ofdm技术传输信号。

在一些特殊的应用场景，例如，可靠性要求特别高，这时，可以用两个相同但独立的总线架构，每个用户设备同时接入这两个总线架构，这两个总线架构互为备份。

其中，ofdm技术主要是在频域内将所给信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，且各个子载波并行传输。ofdm技术能有效对抗多径效应，消除符号间干扰(inter-symbolinterference，isi)，对抗频率选择性衰落，信道利用率高。ofdm技术可视为一种调变技术及一种多任务技术，为多载波的传送方式。

其中，所谓多径效应是指电波传播信道中的多径传输现象所引起的干涉延时效应。所谓isi是指因为多径传输造成的第i条路径信号对第1条路径造成的影响。

总线控制器与总线终端之间采用时分双工方式进行数据传输。本发明将ofdm引用到现场总线后，设计了一种信号帧的帧结构。参阅图1b所示，为本申请实施例中总线系统的帧结构示意图。物理层信号的基本单元为信号帧，256个信号帧构成一个超帧，每一个超帧最后一个信号帧为特殊帧，其余为普通帧。信号帧包括若干ofdm符号。

其中，普通帧在时域上依次包括下行系统子帧、下行子帧、保护间隔和上行子帧以及保护间隔。其中，特殊帧在时域上包括下行系统子帧、下行子帧、保护间隔、上行子帧、接入保护间隔1和随机接入系统子帧以及接入保护间隔2。保护间隔用于为信号帧的下行子帧与上行子帧的切换预留时间。在特殊帧中上行随机接入系统子帧的两侧包含有接入保护间隔1和接入保护间隔2。

其中，上行子帧用于上行数据传输。可选的，上行子帧中的一个ofdm符号同时承载数据信号和上行导频信号。

随机接入系统子帧为临时接入或新接入总线的总线终端预留的时间。可选的，随机接入系统子帧中的1个ofdm符号，同时承载上行导频信号和数据信号，数据信号例如可以是接入请求信息。上行数据信号和上行导频信号在频域上的子载波数量按一定比例关系交叉排布。其中，上行数据信号与上行导频信号占用上行子帧的子载波可按预设比例分配预设比例可根据实际需求来设定，较佳地，可以设置为2:1。其中，该上行导频信号可用于指示总线控制器进行信道估计。也就是说，总线控制器在通过上行子帧接收到总线终端发送的数据之后，可提取出上行导频信号进行信道估计，具体地，可利用上行系统子帧，计算出信道的近似冲激响应，使之尽可能地接近于真实的信道冲激响应，以便进行信道补偿。

下行子帧用于下行数据传输。下行系统子帧包含2个ofdm符号，专用于发送两个下行导频信号，下行系统子帧上每一个ofdm符号，均专用于总线控制器发送下行导频信号。可选的，下行系统子帧为信号帧上的第一个子帧。下行导频信号可用于系统同步，还可以用于信道估计。

此外，总线终端除了基于ofdm技术与总线控制器之间进行通信之外，各总线终端之间也可以直接通过总线基于ofdm技术进行通信，比如，总线终端a可以通过总线终端a自身占用的上行子帧信道资源块向总线终端b传输数据，进一步，总线终端b在获取到总线终端a传输的数据之后，也可以通过总线终端b自身占用的上行子帧信道资源块向总线终端a传输数据。

参阅2所示，本申请实施例中，基于工业互联网现场层宽带总线架构的同步方法的具体流程如下，每个总线终端均执行以下步骤：

步骤200：总线终端接收总线控制器在下行系统子帧上发送的下行导频信号，并基于接收的下行导频信号，分别确定总线终端与总线控制器之间的时钟偏差和符号偏差。

具体的，首先，总线控制器将通过下行系统子帧包含的两个2个ofdm符号承载的两个下行导频信号，发送至各个总线终端。其中，下行系统子帧为每个信号帧上的第一个子帧，信号帧为特殊帧或普通帧。

可以通过当前下行系统子帧上的两个导频信号，计算时钟偏差和符号偏差，也可以根据当前下行系统子帧上的一个或两个导频信号，和上一个信号帧的下行系统子帧上的一个或两个导频信号计算时钟偏差和符号偏差。

其中，时钟偏差可以采用以下方式计算：

对两个下行导频信号进行共轭相乘，并对两个下行导频信号的子载波之间再共轭相乘，则两者之间的差值，即为时钟偏差。

步骤210：总线终端基于时钟偏差对接收信号进行时钟纠正，并基于时钟偏差对发送信号进行时钟纠正，并基于符号偏差对接收信号的开窗位置进行调整，并基于符号偏差对发送信号的开窗位置进行调整，实现总线终端与总线控制器之间的时钟同步和符号同步。

可选的，开窗位置可以是快速傅立叶变换(fastfouriertransformation，fft)的开窗位置。总线终端可以采用基于导频相位差的符号同步算法，计算符号偏差，确定fft的开窗位置。

在系统初始化阶段，符号同步一般采用的是粗同步，粗同步的思路是通过符号同步算法判断当前接收符号的起始位置与理想同步位置的相对关系，确定当前实际开始接收位置是在理想同步位置前还是后，并进行相应地迭代调整，以及将调整后的同步位置作为当前同步位置，接收下一个ofdm符号，重复以上步骤直至满足系统同步要求。在系统稳定运行之后，符号同步一般采用是精微同步。符号同步的粗同步完成后，符号偏差或位置偏差已在允许范围内，通过精微同步，对符号偏差和位置偏差进行进一步地的精微调整，进一步减小符号偏差以及位置偏差。

本申请实施例中，总线系统包含的各个总线终端，通过时钟偏差对接收信号和发送信号进行时钟纠正，完成总线终端与总线控制器的时钟同步。通过符号偏差找出fft的开窗位置，实现总线终端与总线控制器的符号同步。这样，通过时钟同步和符号同步，总线终端可以在后续步骤中，正确接收到总线控制器下发的信号。

步骤220：总线终端与总线控制器之间的传输时延，对发送给总线控制器的信号的发送时间进行传输时延调整，根据总线终端与其它总线终端之间的传输时延，对发送给其它总线终端的信号的发送时间进行传输时延调整，通过每个总线终端与总线控制器之间的时钟同步和符号同步以及传输时延调整实现总线系统同步。

具体的，首先，总线控制器接收到向总线终端发送的接入请求消息后，基于获取的接入请求消息的接收时间和上行子帧包含的指定个数的ofdm符号对应的发送时间，确定接入请求消息的发送时间。

然后，总线终端基于接入请求消息的接收时间与接入请求消息的发送时间的差值，确定总线终端与总线控制器之间的传输时延，并将携带有总线控制器与总线终端之间传输时延的接入确认消息发送至总线终端。

最后，总线终端在下行子帧上接收总线控制器发送的接入确认消息，根据总线终端与总线控制器之间的传输时延，对发送给总线控制器的信号的发送时间进行传输时延调整。

这样，所有总线终端以总线控制器为标准，所有总线终端在接收信号时和发射信号时根据下行导频信号自适应性调整，实现了与总线控制器的时钟同步和符号同步。总线控制器在发射和接收时均不做调整。通过物理层同步即时钟同步和符号同步过程实现了总线系统上所有总线终端与总线控制器的时钟同步和符号同步。并且，通过时钟同步、符号同步以及传输时延调整，实现了系统级同步，为传输硬实时业务提供了基础保障。

参阅3a所示，本申请实施例中，对基于工业互联网现场层宽带总线架构的同步的具体流程，进行进一步详细说明，每个总线终端均执行以下步骤：

步骤300：总线控制器在下行系统子帧上向总线终端发送下行导频信号。

具体的，总线控制器将通过下行系统子帧包含的2个ofdm符号承载的两个下行导频信号，发送至各个总线终端。其中，下行系统子帧为每个信号帧上的第一个子帧，信号帧为特殊帧或普通帧。

步骤301：总线终端接收总线控制器发送的下行导频信号，并基于接收的下行导频信号，确定本地与总线控制器之间的时钟偏差和符号偏差。

具体的，总线系统进行初始化，总线终端每次在当前下行系统子帧上接收到下行导频信号后，根据接收的两个下行导频信号获得时钟偏差。

其中，时钟偏差可以采用以下方式计算：

对两个下行导频信号进行共轭相乘，并对两个下行导频信号的子载波之间再共轭相乘，则两者之间的差值，即为时钟偏差。

这样，通过同一个下行系统子帧上的两个下行导频信号，估计相应的时钟偏差和符号偏差，由于两个下行导频信号的间隔时间较短，估计的时钟偏差和符号偏差的准确度相对较低，但是，估计的范围较大，适应于总线系统初始化阶段。

其中，偏差值的上限通常为100ppm，即100万单位允许100个偏差。

步骤302：总线终端基于时钟偏差对接收信号进行时钟纠正，并基于时钟偏差对发送信号进行时钟纠正。

这样，可以实现总线终端与总线控制器之间的时钟同步，以及总线终端与其它总线终端之间的时钟同步。

步骤303：总线终端基于符号偏差对接收信号的开窗位置进行调整，并基于符号偏差对发送信号的开窗位置进行调整。

具体的，执行步骤303时，开窗位置可以是指fft的开窗位置。可以采用基于导频相位差的符号同步算法，确定fft的开窗位置。

这样，可以实现总线终端与总线控制器之间的符号同步，以及总线终端与其它各个总线终端之间的符号同步。

由于每一个信号帧中均设置有专用于传输下行导频信号的下行系统子帧，每一个信号帧中的第一个子帧均为下行系统子帧，因此，下行系统子帧中承载的下行导频信号设置密集，这样，总线终端基于每一个信号帧都做时钟同步和符号同步，极大地提高了整个总线系统在时钟同步和符号同步方面的纠错能力。

步骤304：总线终端确定正确接收到总线控制器在下行子帧上发送的系统广播信息时，判定与总线控制器的时钟同步成功并且与总线控制器的符号同步成功即物理层同步完成。

实际应用中，步骤300至步骤340可能在同一个信号帧上完成，也可能在多个信号帧上完成。时钟同步成功并且符号同步成功后，总线系统的物理层同步完成。本发明通过物理层同步来实现总线系统上所有总线终端与总线控制器的时钟同步和符号同步。

步骤305：总线终端向总线控制器发送接入请求消息。

具体的，执行步骤305时，可以采用以下两种方式：

第一种方式为：若总线终端为初始接入总线控制器的总线终端，则在普通帧中包含的上行子帧中随机选择ofdm符号承载接入请求消息，将接入请求消息发送至总线控制器。

完成物理层同步过程后，每个总线终端在普通帧上随机选择一个上行子帧中的资源块发送接入请求信息。总线控制器接收到接入请求信息后，计算用户节点和控制节点之间的传输时间延迟等准入控制。然后在下行子帧中发送接入请求确认信息，从而完成该总线终端的初始接入过程。当所有总线终端都完成初始接入过程后，物理层初始接入过程结束。其中，在物理层初始接入过程中，上行子帧中的资源块由时域连续两个ofdm符号和频域整个上边带或下边带的偶数位置子载波构成。

第二种方式为：若总线终端为随机接入总线控制器的总线终端，则在特殊帧中包含的随机接入系统子帧上向总线控制器发送接入请求消息和上行导频信号。

其中，随机接入总线的总线终端为临时接入或新接入总线的总线终端。在正常业务传输过程中，可能有临时接入或从新接入的总线终端，这时总线终端的接入请求采用随机接入过程。总线终端首先进行物理层同步过程。物理层同步过程结束后，随机选择连续两个随栅接入系统子帧的资源块发送接入请求信息。在物理层随机接入过程中，随机接入系统子帧中的资源块由频域整个上边带或下边带的偶数位置子载波构成，并且总线终端选择的连续两个随机接入系统子帧资源块的频率位置相同。

普通帧包含的上行子帧中的一个ofdm符号承载接入请求消息，特殊帧中包含的随机接入系统子帧中的1个ofdm符号，同时承载上行导频信号和接入请求消息。上行导频信号用于进行信道估计，进一步地，256个信号帧构成一个超帧，每一个超帧最后一个信号帧为特殊帧，其余为普通帧。

这样，对于随机接入总线控制器的总线终端，还通过特殊帧向总线控制器发送上行导频信号，从而使总线控制器可以根据上行导频信号实现信道估计。

步骤306：总线控制器接收接入请求消息，并基于获取的接入请求消息确定传输时延。

具体的，首先，总线控制器接收总线终端发送的接入请求消息，并获取接入请求消息的接收时间。

然后，总线控制器获取上行子帧包含的指定个数的ofdm符号对应的发送时间，以及将小于接收时间并且与接收时间的差值最小的ofdm符号对应的发送时间，作为接入请求消息的发送时间。

其中，每一个ofdm符号的发送时间都是预先设定的，因此，总线控制器可以直接获取每一个ofdm符号对应的起始时间。

接着，总线终端基于接入请求消息的接收时间与接入请求消息的发送时间的差值，确定总线终端与总线控制器之间的传输时延。

例如，参阅图3b所示，上行子帧的第0个ofdm符号对应的发送时间为1点，第1个ofdm符号对应的发送时间为1点05，第2个对应的发送时间为1点10分，第3个对应的时刻为1点15分。总线控制器在t2(1点17分)接收到总线终端发送的接入请求消息，根据各个ofdm符号对应的发送时间，确定总线终端在上行子帧的第3个ofdm符号上发送的该接入请求消息，进而确定该接入请求消息的发送时间为t1(1点15分)。然后，总线控制器确定t2-t1即为总线终端与总线控制器之间的传输时延。

进一步地，总线终端在上行子帧上发送的数据，其它总线终端也可以在上行子帧上接收到。因此，其它每一个总线终端可以通过接收到的上述总线终端发送的数据的时间，再结合ofdm符号的发送时间，可以确定与上述总线终端之间的传输时延。然后，在下一个信号帧的上行子帧上将获得的传输时延发送给上述总线终端。

例如，总线终端a在上行子帧上向总线终端b发送数据，总线终端b接收到总线终端a的数据后，可以根据上述数据的接收时间，以及ofdm符号的发送时间，确定总线终端b与总线终端a之间的传输时延，然后，可以在下一个信号帧的上行子帧上，将获得的传输时延发送至总线终端a。

这样，就可以确定总线终端与总线控制器之间由于距离造成的传输时延，以及各个总线终端两两之间的传输时延。

步骤307：总线控制器将携带有总线控制器与总线终端之间传输时延的接入确认消息发送至总线终端。

步骤308：总线终端基于接收的总线控制器与总线终端之间传输时延，对发送给总线控制器的信号的发送时间进行传输时延调整。

进一步地，总线终端基于与其它各个总线终端之间的传输时延，对发送给其它总线终端的信号的发送时间进行相应的传输时延调整。总线架构初始化完成，进入稳定运行状态。

步骤309：在总线系统稳定运行时，总线终端在每个信号帧上接收到下行导频信号时根据当前帧和上一个帧接收的下行导频信号计算时钟偏差，并根据时钟偏差对接收信号和发送信号进行时钟纠正。

具体地，在总线系统稳定运行时，总线终端每次在当前下行系统子帧上接收到下行导频信号后，基于在当前下行系统子帧上接收的下行导频信号，以及上一个下行系统子帧上接收的下行导频信号，确定总线终端与总线控制器之间的时钟偏差。

具体的，总线终端每次在当前下行系统子帧上接收到下行导频信号后，对在当前下行系统子帧上接收的下行导频信号，以及上一个下行系统子帧上接收的下行导频信号进行共轭相乘，子载波之间再共轭相乘，计算两者之间的差值，获得时钟偏差。

其中，总线终端从一个下行系统子帧中获取的下行导频信号，可以是一个下行导频信号，也可以是两个下行导频信号。

步骤310：在总线系统稳定运行时，总线终端每隔预设个数的信号帧计算符号偏差，并根据符号偏差对接收信号和发送信号的开窗位置进行调整。

具体地，总线终端每隔预设个数的信号帧，基于当前下行系统子帧上接收的下行导频信号，以及上一个下行系统子帧上接收的下行导频信号，确定总线终端与总线控制器之间的符号偏差，并根据符号偏差对接收信号和发送信号的开窗位置进行时钟纠正。这样，所有总线终端以总线控制器为标准，所有总线终端在接收信号时和发射信号时根据下行导频信号自适应性调整，实现了与总线控制器的时钟同步和符号同步。总线控制器在发射和接收时均不做调整。通过物理层同步过程实现了总线系统上所有总线终端与总线控制器的时钟同步和符号同步。并且，通过时钟同步、符号同步以及传输时延调整，实现了系统级同步，为传输硬实时业务提供了基础保障。

本申请实施例中，一种电子设备，包括：一个或多个处理器；以及

一个或多个计算机可读介质，可读介质上存储有用于基于工业互联网现场层宽带总线架构的同步的程序，其中，程序被一个或多个处理器执行时，实现上述实施例中的各个步骤。

本申请实施例中，一个或多个计算机可读介质，可读介质上存储有用于基于工业互联网现场层宽带总线架构的同步的程序，其中，程序被一个或多个处理器执行时，实现上述实施例中的各个步骤。

基于上述实施例，参阅图4所示，基于工业互联网现场层宽带总线架构的第一种同步装置的结构示意图。本申请实施例中，基于工业互联网现场层宽带总线架构包括总线控制器、至少一个总线终端和两线制总线，总线控制器与总线终端通过两线制总线连接构成一个总线系统，并且总线控制器与任一总线终端之间、以及各总线终端之间基于多载波正交频分复用ofdm技术进行通信，其中，各总线终端占用的子载波之间互不干扰。同步装置应用于每个总线终端，包括：

确定单元40，用于接收总线控制器在下行系统子帧上发送的下行导频信号，并基于接收的下行导频信号，分别确定总线终端与总线控制器之间的时钟偏差和符号偏差；

调整单元41，用于基于时钟偏差对接收信号进行时钟纠正，并基于时钟偏差对发送信号进行时钟纠正，并基于符号偏差对接收信号的开窗位置进行调整，并基于符号偏差对发送信号的开窗位置进行调整，实现总线终端与总线控制器之间的时钟同步和符号同步；

同步单元42，用于根据总线终端与总线控制器之间的传输时延，对发送给总线控制器的信号的发送时间进行传输时延调整，根据总线终端与其它总线终端之间的传输时延，对发送给其它总线终端的信号的发送时间进行传输时延调整，通过每个总线终端与总线控制器之间的时钟同步和符号同步以及传输时延调整实现总线系统同步。

较佳的，在基于接收的下行导频信号，分别确定总线终端与总线控制器之间的时钟偏差和符号偏差时，确定单元40具体用于：

在总线系统初始化时，每次在当前下行系统子帧上接收到下行导频信号后，根据当前下行系统子帧上接收的两个下行导频信号，分别确定总线终端与总线控制器之间的时钟偏差和符号偏差；或者，

在总线系统稳定运行时，每次在当前下行系统子帧上接收到下行导频信号后，基于在当前下行系统子帧上接收的下行导频信号，以及上一个下行系统子帧上接收的下行导频信号，确定总线终端与总线控制器之间的时钟偏差，并每隔预设个数的信号帧，基于当前下行系统子帧上接收的下行导频信号，以及上一个下行系统子帧上接收的下行导频信号，确定总线终端与总线控制器之间的符号偏差。

较佳的，在总线终端基于时钟偏差对传输的信号的时钟进行时钟同步调整，并基于符号偏差对传输的信号的开窗位置进行符号同步调整之后，在总线终端根据总线控制器返回的总线终端与总线控制器之间的传输时延，对发送给总线控制器的信号的发送时间进行传输时延调整之前，调整单元41还用于：

总线终端确定正确接收到总线控制器在下行子帧上发送的系统广播信息时，判定与总线控制器的时钟同步成功并且与总线控制器的符号同步成功。

较佳的，在判定与总线控制器的时钟同步成功并且与总线控制器的符号同步成功之后，在总线终端根据总线终端与总线控制器之间的传输时延，对发送给总线控制器的信号的发送时间进行传输时延调整之前，调整单元41还用于：

若总线终端为初始接入总线控制器的总线终端，则在普通帧中包含的上行子帧上向总线控制器发送接入请求消息，触发总线控制器基于接入请求消息向总线终端返回携带有总线控制器与总线终端之间传输时延的接入确认消息，并在下行子帧上接收总线控制器发送的接入确认消息，其中，普通帧为包含下行系统子帧、下行子帧和上行子帧的信号帧；或者，

若总线终端为随机接入总线控制器的总线终端，则在特殊帧中包含的随机接入系统子帧上向总线控制器发送接入请求消息，触发总线控制器基于接入请求消息向总线终端返回携带有总线控制器与总线终端之间传输时延的接入确认消息，并在下行子帧上接收总线控制器发送的接入确认消息，其中，特殊帧为包含下行系统子帧、下行子帧、上行子帧和随机接入系统子帧的信号帧。

较佳的，在触发总线控制器基于接入请求消息向总线终端返回携带有总线控制器与总线终端之间传输时延的接入确认消息时，调整单元41还用于：

触发总线控制器执行以下步骤：

获取接入请求消息的接收时间，并获取上行子帧包含的指定个数的ofdm符号对应的发送时间；

将小于接收时间，并且与接收时间的差值最小的ofdm符号对应的发送时间，作为接入请求消息的发送时间。

基于接入请求消息的接收时间与接入请求消息的发送时间的差值，确定总线终端与总线控制器之间的传输时延，并将携带有总线控制器与总线终端之间传输时延的接入确认消息发送至总线终端。

较佳的，下行系统子帧为每个信号帧上的第一个子帧，信号帧为特殊帧或普通帧。

基于上述实施例，参阅图5所示，基于工业互联网现场层宽带总线架构的第二种同步装置的结构示意图。本申请实施例中，基于工业互联网现场层宽带总线架构的同步装置具体包括：

接收单元50，用于接收总线控制器在下行系统子帧上发送的下行导频信号；

确定单元51，用于基于接收的下行导频信号，分别确定总线终端与总线控制器之间的时钟偏差和符号偏差；其中，时钟偏差用于对传输信号进行时钟纠正，符号偏差用于对传输信号的开窗位置进行调整；

调整单元52，用于获取本地存储的传输时延，并基于时钟偏差、符号偏差和传输时延，对传输的信号进行相应地调整。其中，传输时延包括总线终端与总线控制器之间的时延和各个总线终端之间的时延。

本申请实施例中，总线终端接收总线控制器在下行系统子帧上发送的下行导频信号，并基于接收的下行导频信号，分别确定总线终端与总线控制器之间的时钟偏差和符号偏差；总线终端基于时钟偏差对接收信号进行时钟纠正，并基于时钟偏差对发送信号进行时钟纠正，并基于符号偏差对接收信号的开窗位置进行调整，并基于符号偏差对发送信号的开窗位置进行调整，实现总线终端与总线控制器之间的时钟同步和符号同步；总线终端根据总线终端与总线控制器之间的传输时延，对发送给总线控制器的信号的发送时间进行传输时延调整，根据总线终端与其它总线终端之间的传输时延，对发送给其它总线终端的信号的发送时间进行传输时延调整，通过每个总线终端与总线控制器之间的时钟同步和符号同步以及传输时延调整实现总线系统同步。这样，所有总线终端以总线控制器为标准，所有总线终端在接收信号时和发射信号时根据下行导频信号自适应性调整，实现了与总线控制器的时钟同步和符号同步。总线控制器在发射和接收时均不做调整。通过物理层同步过程实现了总线系统上所有总线终端与总线控制器的时钟同步和符号同步。并且，通过时钟同步、符号同步以及传输时延调整，实现了系统级同步，为传输硬实时业务提供了基础。

本领域内的技术人员应明白，本申请实施例中的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请实施例中可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请实施例中可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请实施例中是参照根据本申请实施例中实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请实施例中的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请实施例中范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请实施例中实施例进行各种改动和变型而不脱离本申请实施例中实施例的精神和范围。这样，倘若本申请实施例中实施例的这些修改和变型属于本申请实施例中权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请实施例中也意图包含这些改动和变型在内。