CN102664696A - 面向无线传输环境的ieee1588协议优化系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种面向无线传输环境的IEEE1588协议优化系统及其方法，该系统包括：主时钟节点，信道调制解调模块，发射天线模块，接收天线模块，功率调整模块，同步处理模块，信号处理模块，以及从时钟节点，其中，所述主时钟节点、信道调制解调模块、发射天线模块、接收天线模块、功率调制模块、同步处理模块、信号处理模块以及从时钟节点依次相连。本发明的面向无线传输环境的IEEE1588协议优化系统及其方法针对现有的IEEE1588时间同步协议在无线环境中应用的局限进行了拓展和改进，提高无线网络中时间同步的精度。

Description

面向无线传输环境的IEEE1588协议优化系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种通信领域中时间同步技术，尤其涉及一种面向无线传输环境的IEEE1588协议优化系统及其方法。

背景技术

随着网络通信技术的发展，分布式系统中的时钟同步的作用越来越重要。目前，为实现高精度的分布式时钟的同步，公知的且比较有效的方法是通过IEEE1588同步协议来实现以太网络中的时钟同步。IEEE1588全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”，它既使用软件，又同时使用硬件和软件配合，从而获得更精确的定时同步。该协议可用于所有支持组播功能的网络，比如：以太网络。以太网具有广泛应用，通信速率高和成本低廉等优势，但是由于以太网采CSMA/CD的访问机制，所以具有通信延迟不确定的特点，这使得以太网成为时钟同步领域应用的一个障碍。IEEE1588的主要原理是通过一个主时钟周期性的发送时间同步信号，从而对网络中多个节点的时钟进行周期性地同步，其同步精度可远远高于NTP的同步精度。

一套IEEE1588系统由许多设备(节点)组成，每个设备都有自己的时钟系统，时钟之间通过网络相连，通过周期性地发布带有时间戳的信息包，使各个节点的时钟得到同步。

按照工作原理可以将IEEE1588的时钟分为两类：普通时钟(Ordinary Clock)和边界时钟(Boundary Clock)。只有一个PTP通信端口的时钟是普通时钟，有大于一个PTP通信端口的时钟是边界时钟，每个PTP端口提供独立的PTP通信。按照通信关系又可将时钟分为主时钟和从时钟，理论上任何时钟都能实现主时钟和从时钟的功能，但一个PTP子网内只能有一个主时钟。主时钟担任时间发布者的角色，从时钟担任时间接收者的角色。

PTP采用主从(Master-Slave)模式，主要定义了四种多点传送的时钟报文类型：同步报文Sync、跟随报文FollowUp、延迟请求报文DelayReq和延迟请求响应报文DelayResp。

在进行时钟同步时，首先对子网中所有时钟应用最佳主时钟算法(BMC，BestMaster Clock)确定子网中的主时钟。整个系统中的最优时钟为最高级时钟(GMC，Grandmaster Clock)，它应当有着最好的稳定性、精确性、确定性等，是整个同步网络的时间源。

PTP同步过程一般可分为两个阶段：偏移测量阶段和延迟测量阶段。

第一阶段：偏移测量阶段，修正主时钟和从时钟之间的时间偏差。主时钟周期性(一般为2s)地给从时钟发送Sync报文，这个同步报文包括该报文离开主时钟的时间估计值。主时钟随后发送FollowUp报文，该报文携带发送Sync报文的准确时刻t₁。从时钟在收到Sync报文后记下报文的精确到达时间t₂。根据t₁和t₂可计算出主时钟和从时钟之间的时间偏差(offset)，由于此时对同步报文的传输延时(delay)未知，先假设其为零；

第二阶段：延迟测量阶段，从时钟向主时钟发送一个延迟请求DelayReq报文，同时记录该报文的实际发送时间t₃。主时钟记录延迟请求报文到达的准确时间t₄，然后在延迟请求响应报文DelayResp中把t₄送回到从时钟。根据t₃和t₄可计算出报文的传输延时delay，再次对本地时钟进行调整。延迟测量是不规则进行的，其测量间隔时间为4-60s之间的随机值，这样可以使网络的负荷不会太大。

假设报文由主时钟到从时钟所用的时间与报文由从时钟到主时钟所用的时间相同，则

t₂＝t₁+offset+delay

t₄＝t₃-offset+delay

从以上两式计算出主从时钟之间的delay和offset，并根据此调整从设备的本地时钟，完成一次时间同步。

$\mathrm{delay}=\frac{[(t_2-t_1)+(t_4-t_3)]}{2}$

$\mathrm{offset}=\frac{[(t_2-t_1)-(t_4-t_3)]}{2}$

IEEE1588协议是定义在有线网络中的时间同步协议，但其在无线网络中同步精度因无线信道的多径等问题而显著降低。IEEE1588同步协议中比较重要的一部分是事件信息的交换，从时钟根据所得的事件信息来确定主从时钟间的时间偏差，然后从时钟根据计算得到的时间偏差调整本地时钟以与主时钟的同步。在无线网络中，主从时钟通过无线的方式交换事件信息，其中无线信道的时变多径特性会对主从时钟中事件信息到达和发送时间产生严重的影响。在信道存在多径的情况下，接收端接收到的信号是经过不同路径到达的。多径信道中不同传输路径的时延不同，并且各传输路径特性会随时间变化。经不同传播途径的无线电波对接收端产生影响，导致不正确的时间戳记录。从时钟节点处于运动中的，多径信道并不是固定。以上这些因素对链路延时的测量产生比较大的偏差，最终会影响整个系统的同步精度。

发明内容

鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于解决IEEE1588协议在无线网络中时间同步精度因无线信道的多径等因素而显著降低的问题，其对主时钟节点的发射信号进行信道估计，结合从时钟节点的运动估计的方法，持续跟踪多径路径中的一条路径，从而减少多径信道对同步精度的影响。

为了实现上述目的，本发明提供一种面向无线传输环境的IEEE1588协议优化系统，其包括：

主时钟节点，其用于发出带有导频信息的基带信号；

信道调制解调模块，其用于对所述带有导频信息的基带信号进行调制；

发射天线模块，其用于发射调制后的带有导频信息的基带信号；

接收天线模块，其用于接收所述调制后的带有导频信息的基带信号；

功率调整模块，其用于对所述调制后的带有导频信息的基带信号进行功率调整；

同步处理模块，其用于对所述功率调整后的信号进行同步，以获得信号的时域及频域特征；

信号处理模块，其用于根据所述同步处理后的信号求出信道冲激响应；

以及从时钟节点，其用于根据所述信道冲激响应获取信号的多径路径；

其中，所述主时钟节点、信道调制解调模块、发射天线模块、接收天线模块、功率调制模块、同步处理模块、信号处理模块以及从时钟节点依次相连。

同时，本发明还提供一种面向无线传输环境的IEEE1588协议优化方法，其包括以下步骤：

步骤一，主时钟将带有导频信息的基带信号调制后发送至发射天线模块，并进行能量辐射；

步骤二，接收天线模块接收所述发射天线模块发射的信号，接收到的所述信号经过功率调制和同步处理后传送到信号处理模块中；

步骤三，信号处理模块根据插入的导频信号进行主从时钟节点间的无线信道估计，获得信道冲激响应的理想最优值H；

步骤四，利用所述信道冲激响应H计算信号功率和估计噪声功率，并设置一个门限值，然后提取信号功率大于所述门限值的信号，并将受到抑制的噪声被置为零；

步骤五，计算有效多路径的平均有效时延信号的平均有效时延，其中，多径信道的冲激响应如下

$c(\mathrm{\τ};t)=\underset{n=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}{f}_c{\mathrm{\τ}}_n\left(t\right)}\mathrm{\δ}(\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_n\left(t\right))$

其中，N为有效多径路径的数目，a_n(t)是信道的幅度衰减系数，τ_n(t)是多径信号分量的时延，f_c为载波频率，δ(τ-τ_n(t))为冲激函数，c(τ；t)为信道冲激响应函数；

将所述有效多径路径的幅度衰减系数a_n(t)归一化后作为各有效多径路径的时延权重，然后各个有效多径信号分量的时延τ_n(t)加权求和后得到的结果作为信号的平均有效时延，具体公式如下：

${\stackrel{\‾}{a}}_n\left(t\right)=\frac{a_n\left(t\right)}{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n\left(t\right)}$ n＝1…N

其中n＝1…N表明N个不同的有效多径分量，

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{a}}_n\left(t\right)*{\mathrm{\τ}}_n\left(t\right)$

其中，

为平均有效时延信号的平均有效时延，所述信号处理模块所述

传输给所述从时钟节点；

步骤六，根据所述信道冲激响应计算出每条路径的时延，并从中选择出一条满足以下条件的分路径A：分路径A的时延为t_A，其它任意一条分路径B的时延为t_B，且满足

则固定分路径A为所持续跟踪的路径；

步骤七，对路径A进行持续的跟踪，从时钟节点通过多径路径中这条固定的分路径来接收信号，当移动端和基站的距离发生变化时，所述无线基站将监测这种变化，并将结果告知所述移动端，所述移动端利用所述无线基站监测的变化来补偿多径分量时延的变化，从而得到补偿后的路径A的时延

步骤八，移动端和基站距离发生变化后，从时钟节点再次接收到主时钟节点发送的信号，则从时钟节点取所述时延为

的接收信号分量，减少其它多径分量对接收信息的影响，当多径路径突然发生变化时，如果时延为

的接收信号分量功率小于步骤四中指定的门限值，则认为此接收信号分量无效，需重新求得变化后的理想的信道冲激响应，重新固定多径路径分量，并重复步骤四到步骤八。

根据上述的面向无线传输环境的IEEE1588协议优化方法，其中，步骤二通过二维维纳滤波插值的方式求取所述信道冲激响应。

根据上述的面向无线传输环境的IEEE1588协议优化方法，其中，步骤二中，计算所述信道冲激响应时，在不考虑定点误差。

根据上述的面向无线传输环境的IEEE1588协议优化方法，其中，步骤五中，通过不同多径路径到达的信号有不同的时延，只计算有效多径路径的时延而忽略其它无效多径路径的时延。

根据上述的面向无线传输环境的IEEE1588协议优化方法，其中，步骤七中，所述移动端利用所述无线基站监测的变化来补偿多径分量时延的变化的方法如下：根据从时钟节点的运动速度估计出在步骤六中选择出的路径A的时延变化量Δt_A，根据得到的时延变化量Δt_A来对步骤六存储的路径A的时延t_A进行补偿，

因此，本发明针对现有的IEEE1588时间同步协议在无线环境中应用的局限进行了拓展和改进，提高无线网络中时间同步的精度。

附图说明

图1是本发明的面向无线传输环境的IEEE1588协议优化系统的结构示意图；

图2是根据三个无线接入点来估计移动端速度方向的示意图；

图3是本发明的面向无线传输环境的IEEE1588协议优化系统中不同时延的多径分量的信道冲激响应。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

如图1所示，本发明的面向无线传输环境的IEEE1588协议优化系统中，无线信道收发两端，由主时钟节点1通过信道调制解调模块2将带有导频信息的基带信号调制至发射天线模块3并进行能量辐射。从时钟节点8接收端通过接收天线模块4将信号接收至信号处理模块7前，需要经过功率调整模块5同步处理模块6的处理环节，以获得最大的处理幅度增益。接收端在理想同步处理后，将获得信号的时域及频域特征，并在信号处理模块7内通过信道估计算法进行信道冲激响应H的求解。H的求解有多种方法，为获得较高的处理精度，本发明中通过二维维纳滤波插值的方式，在不考虑定点误差的前提下获得H的理想最优值，并送至从时钟节点8。从时钟节点8根据所得到的信道冲激响应H获取信号的多径路径，且只关注固定的一条有效多径路径而忽略其它的多径分量。在IEEE1588协议的实施过程中，信息报文传播有多个来回。在这些来回中，移动两端的距离已经可能发生了变化。因此，为了补偿这种变化，无线基站(含网络)会监测这种变化，并将结果告知移动端。移动端会利用此信息补偿协议实施过程中的相关路径变化。

本发明的面向无线传输环境的IEEE1588协议优化方法具体包含以下步骤：

步骤一，主时钟将带有导频信息的基带信号经信道调制模块调制至发射天线模块并进行能量辐射；

步骤二，时钟接收端通过接收天线模块将信号接收并传输给后续处理模块，接收到的信号经过功率调制和同步处理后在信号处理模块中进行后续的多径处理；

步骤三，信号处理模块根据插入的导频信号进行主从时钟节点间的无线信道估计，信道估计通过二维维纳滤波插值的方式来实现，获得信道冲激响应的理想最优值H；

步骤四，信号处理模块通过信道估计得到信道的冲激响应H后，通过以下方法来确定有效的多径路径：利用信道的冲激响应H来计算信号功率和估计噪声功率，并设置一个门限值，然后提取信号功率大于门限值的信号，受到抑制的噪声被置为零，减少噪声对多径的干扰；

步骤五，通过以下方法来计算信号平均有效时延：在多径的环境中，通过不同多径路径到达的信号有不同的时延，只计算有效多径路径的时延而忽略其它无效多径路径的时延，信号的平均有效时延按照给每个多径路径的时延赋予一定的权重然后相加得到，以下公式(2)描述的是多径信道的冲激响应

$c(\mathrm{\τ};t)=\underset{n=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}{f}_c{\mathrm{\τ}}_n\left(t\right)}\mathrm{\δ}(\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_n\left(t\right))---\left(2\right)$

其中，N为有效多径路径的数目，a_n(t)是信道的幅度衰减系数，τ_n(t)是多径信号分量的时延，f_c为载波频率，δ(τ-τ_n(t))为冲激函数，c(τ；t)为信道冲激响应函数。

本发明把有效多径路径的衰减幅度系数归一化后作为各有效多径路径的时延权重，然后各个有效多径路径的时延加权求和后得到的结果作为信号的平均有效时延。具体归一化方式如公式(3)所示

${\stackrel{\‾}{a}}_n\left(t\right)=\frac{a_n\left(t\right)}{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n\left(t\right)}$ n＝1…N                          (3)

其中n＝1…N表明N个不同的有效多径分量。

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{a}}_n\left(t\right)*{\mathrm{\τ}}_n\left(t\right)---\left(4\right)$

公式(4)描述的是求信号的平均有效时延的方式。

为平均有效时延信号的平均有效时延，n＝1…N表明N个不同的有效多径分量。信号处理模块把求得的信号多径平均有效时延

传输给从时钟节点。

步骤六，如图3所示，根据计算得到的信道冲激响应H计算出每条路径的时延，并从中选择出一条满足以下条件的分路径A：分路径A的时延为t_A，其它任意一条分路径B的时延为t_B，且满足

则固定分路径A为所持续跟踪的路径；

步骤七，对路径A进行持续的跟踪，从时钟节点通过多径路径中这条固定的分路径来接收信号。如图2所示，当移动端和基站的距离发生变化时，多径分量的时延会发生变化，为补偿这种变化，无线基站会监测这种变化，并将结果告知移动端。移动端会利用无线基站监测的变化来补偿多径分量时延的变化。通过三个基站估计从时钟节点(可以看成一个移动端)的运动速度，根据从时钟节点的运动速度估计出在步骤六中选择出的路径A的时延变化量Δt_A，根据得到的时延变化量来对步骤六存储的路径A的时延t_A进行补偿，

步骤八，移动端和基站距离发生变化后，从时钟节点再次接收到主时钟节点发送的信号，则从时钟节点取其中时延为

的接收信号分量，减少其它多径分量对接收信息的影响，当多径路径突然发生变化时，如果时延为

的接收信号分量功率小于步骤四中指定的门限值，则认为此分量无效，需重新求得变化后的信道的理想冲激响应H¹，重新固定多径分量，并重复步骤四到步骤八。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种面向无线传输环境的IEEE1588协议优化系统，其特征在于，包括：

主时钟节点，其用于发出带有导频信息的基带信号；

信道调制解调模块，其用于对所述带有导频信息的基带信号进行调制；

发射天线模块，其用于发射调制后的带有导频信息的基带信号；

接收天线模块，其用于接收所述调制后的带有导频信息的基带信号；

功率调整模块，其用于对所述调制后的带有导频信息的基带信号进行功率调整；

同步处理模块，其用于对所述功率调整后的信号进行同步，以获得信号的时域及频域特征；

信号处理模块，其用于根据所述同步处理后的信号求出信道冲激响应；

以及从时钟节点，其用于根据所述信道冲激响应获取信号的多径路径；

其中，所述主时钟节点、信道调制解调模块、发射天线模块、接收天线模块、功率调制模块、同步处理模块、信号处理模块以及从时钟节点依次相连。

2.一种面向无线传输环境的IEEE1588协议优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，主时钟将带有导频信息的基带信号调制后发送至发射天线模块，并进行能量辐射；

步骤二，接收天线模块接收所述发射天线模块发射的信号，接收到的所述信号经过功率调制和同步处理后传送到信号处理模块中；

步骤三，信号处理模块根据插入的导频信号进行主从时钟节点间的无线信道估计，获得信道冲激响应的理想最优值H；

步骤四，利用所述信道冲激响应H计算信号功率和估计噪声功率，并设置一个门限值，然后提取信号功率大于所述门限值的信号，并将受到抑制的噪声设置为零；

步骤五，计算有效多路径的平均有效时延信号的平均有效时延，其中，多径信道的冲激响应如下

$c(\mathrm{\τ};t)=\underset{n=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}{f}_c{\mathrm{\τ}}_n\left(t\right)}\mathrm{\δ}(\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_n\left(t\right))$

其中，N为有效多径路径的数目，a_n(t)是信道的幅度衰减系数，τ_n(t)是多径信号分量的时延，f_c为载波频率，δ(τ-τ_n(t))为冲激函数，c(τ；t)为信道冲激响应函数；

将所述有效多径路径的幅度衰减系数a_n(t)归一化后作为各有效多径路径的时延权重，然后各个有效多径信号分量的时延τ_n(t)加权求和后得到的结果作为信号的平均有效时延，具体公式如下：

${\stackrel{\‾}{a}}_n\left(t\right)=\frac{a_n\left(t\right)}{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n\left(t\right)}$ n＝1…N

其中n＝1…N表明N个不同的有效多径分量，

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{a}}_n\left(t\right)*{\mathrm{\τ}}_n\left(t\right)$

其中，

为平均有效时延信号的平均有效时延，所述信号处理模块所述

传输给所述从时钟节点；

步骤六，根据所述信道冲激响应计算出每条路径的时延，并从中选择出一条满足以下条件的分路径A：分路径A的时延为t_A，其它任意一条分路径B的时延为t_B，且满足

则固定分路径A为所持续跟踪的路径；

步骤七，对路径A进行持续的跟踪，从时钟节点通过多径路径中这条固定的分路径来接收信号，当移动端和基站的距离发生变化时，所述无线基站将监测这种变化，并将结果告知所述移动端，所述移动端利用所述无线基站监测的变化来补偿多径分量时延的变化，从而得到补偿后的路径A的时延

步骤八，移动端和基站距离发生变化后，从时钟节点再次接收到主时钟节点发送的信号，则从时钟节点取所述时延为

的接收信号分量，减少其它多径分量对接收信息的影响，当多径路径突然发生变化时，如果时延为

的接收信号分量功率小于步骤四中指定的门限值，则认为此接收信号分量无效，需重新求得变化后的理想的信道冲激响应，重新固定多径路径分量，并重复步骤四到步骤八。

3.根据权利要求2所述的面向无线传输环境的IEEE1588协议优化方法，其特征在于，步骤二通过二维维纳滤波插值的方式求取所述信道冲激响应。

4.根据权利要求3所述的面向无线传输环境的IEEE1588协议优化方法，其特征在于，步骤二中，计算所述信道冲激响应时，在不考虑定点误差。

5.根据权利要求2所述的面向无线传输环境的IEEE1588协议优化方法，其特征在于，步骤五中，通过不同多径路径到达的信号有不同的时延，只计算有效多径路径的时延而忽略其它无效多径路径的时延。

6.根据权利要求2所述的面向无线传输环境的IEEE1588协议优化方法，其特征在于，步骤七中，所述移动端利用所述无线基站监测的变化来补偿多径分量时延的变化的方法如下：根据从时钟节点的运动速度估计出在步骤六中选择出的路径A的时延变化量Δt_A，根据得到的时延变化量Δt_A来对步骤六存储的路径A的时延t_A进行补偿，

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