Time synchronisation in wireless short range networks

Abstract

Time synchronisation means adjustment of two or more clocks of independent devices over a communication network. Synchronised clocks are used to timestamp events for example in industrial automation and monitoring, where the mutual order of events is required. Time synchronisation requires a local clock oscillator and a message channel between devices. The device which needs to be synchronised is more often connected using a wireless short range network, such as Wireless Local Area Network (WLAN). A wireless network is typically a shared network, which increases the possibility of erroneous transfers or lost data fragments. Network congestion may cause transmission delays. Furthermore, time synchronisation should not increase the unit cost significantly. IEEE 1588 standard defines Precision Time Protocol for time synchronisation, but lefts out major parts for practical implementation. This thesis presented these parts including message timestamping, latency estimation and clock adjustment method. Prototype implementations were presented for three device types that were standard PC, custom FPGA-based WLAN terminal (TUTWLAN) and Wireless Sensor Network (TUTWSN) node.

AB3:Ajan synkronoinnilla tarkoitetaan erillisissä laitteissa olevien kellojen säätöä verkon yli. Synkronoituja kelloja käytetään aikaleimaamaan tapahtumia esimerkiksi teollisuusautomaatiossa ja kunnonvalvonnassa, missä tapahtumien keskinäinen aikajärjestys on vaatimuksena. Ajan synkronointi vaatii paikallisen kellon ja viestinvaihtokanavan laitteiden välillä. Synkronoiva laite on yhä useammin liitetty langattomaan lyhyen kantaman verkkoon, kuten esimerkiksi langattomaan lähiverkkoon (WLAN). Langaton verkko on yleensä jaettu verkko, joka lisää virheellisen tiedonsiirron tai hävinneiden pakettien mahdollisuutta. Verkon ruuhkautuminen voi aiheuttaa viivästymistä tiedonsiirrossa. Näiden lisäksi usein vaaditaan, että ajan synkronoinnista tuleva laitekohtainen lisäkustannus ei saa olla merkittävä. IEEE 1588 -standardi määrittelee protokollan ajan synkronointiin. Protokollaa kutsutaan nimellä Precision Time Protocol. Standardin ulkopuolelle on jätetty huomattavia osia käytännön toteutuksesta. Diplomityössä esitetään nämä osat mukaan lukien viestien aikaleimaus, viipeen arviointi ja kellon säätömenetelmä. Prototyyppitoteutukset esitetään kolmelle laitetyypille, jotka ovat tavallinen PC, ohjelmoitavaan logiikkaan perustuva oma WLAN-asema (TUTWLAN) ja langaton sensoriverkko (TUTWSN).