CN103138828A - 网络节点时钟同步方法和时钟同步网络 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种网络节点时钟同步方法，包括以下步骤：一个或多个进行时间同步的非时间参考节点根据时间质量内部报表，选择提供时钟信息的非时间参考节点；进行时间同步的非时间参考节点利用提供时钟信息的非时间参考节点发送的时钟信息进行时钟同步。同时本发明还公开了一种时钟同步网络，其中，非时钟参考节点包括第一时钟同步模块和时钟维持模块，第一时钟同步模块在设定的时间和/或次数内无法接收时间参考节点的时间信息时，根据时钟维持模块的时间质量内部报表选择其他所述非时钟参考节点；第一时钟同步模块根据所述选择的非时钟参考节点发送的时间信息进行时钟同步。采用本发明可利用其他非时间参考节点实现时钟同步。

Description

网络节点时钟同步方法和时钟同步网络

技术领域

本发明涉及一种网络节点时钟同步方法，同时还涉及采用该时钟同步方法的时钟同步网络。

背景技术

在网络中心战态势下，不同载机和多枚导弹之间必须具备共享资源、协同作战的能力，才能获得更好的作战效果，同时减少我方参战人员和武器平台的损失。为了提高超视距空战的作战能力，必须实现他机协同制导，即导弹的发射和制导由不同载机完成。“弹机之间”自组织信息共享网络在导弹武器系统中的应用，不仅能实现导弹武器系统从单一的火力平台向火力-信息双重平台转移，而且能促进制导武器与信息化作战体系的发展，实现基于战场信息共享网络的多平台全新作战模式。载机发送给导弹的制导信息等高优先级业务具有很高的实时性要求，为了实现快速组网、高实时传输数据分组的目的，服务于武器间的数据链系统多采用时分多址接入(Time Division Multiple Access，TDMA)的方式进行通信。由于TDMA协议可以保证在任意时刻网络中只有一个成员访问信道，而且成员在其所拥有时隙内才能传输消息，因而消除了网络中各成员间的信道访问冲突。具有较高的信息传输率、信息可靠性及一定的时延保障。而TDMA系统需要网内成员时钟高度一致，所以时钟同步成为武器间建立TDMA网络需要解决的难题。

发明内容

本发明的技术问题是：针对现有技术的不足，本发明一方面提供了一种网络节点时钟同步方法，另一方面提供了一种时钟同步网络，从而可在网络中非时间参考节点无法接收到时间参考节点提供的时间信息时，利用其他非时间参考节点实现时钟同步。

本发明的技术解决方案是：

本发明中的网络节点时钟同步方法，包括以下步骤：

一个或多个进行时间同步的非时间参考节点根据时间质量内部报表，选择提供时钟信息的非时间参考节点；

所述进行时间同步的非时间参考节点利用所述提供时钟信息的非时间参考节点发送的时钟信息进行时钟同步。

进一步的，在选择所述提供时钟信息的非时间参考节点前，还包括：

所述进行时间同步的非时间参考节点对时间参考节点的时间信息进行接收，若在设定的时间和/或设定的次数内无法接收到所述时间参考节点的时间信息，则选择所述提供时钟信息的非时间参考节点；否则，利用所述时间参考节点的时间信息进行时钟同步。

进一步的，在所述时钟同步后，所述进行时间同步的非时间参考节点向所述提供时钟信息的非时间参考节点发送询问信息；

所述提供时钟信息的非时间参考节点根据所述询问信息向所述进行时间同步的非时间参考节点发送返回信息；

所述进行时间同步的非时间参考节点利用所述返回信息根据下式获取时钟偏差进行时间精同步；

$\mathrm{\ϵ}=\frac{{\mathrm{TOA}}_I-{\mathrm{TOA}}_R+T_a}{2},$

其中，TOA_I为携带于所述返回信息中的所述询问信息到达所述提供时钟信息的非时间参考节点时的时钟计数值；TOA_R为所述进行时间同步的非时间参考节点接收到所述返回信息时的时钟计数值；T_a为返回信息发出时刻在所述提供时钟信息的非时间参考节点中对应的时钟计数值。

进一步的，所述提供时钟信息的非时间参考节点发送的时钟信息在设定的同一个时隙中，向一个或多个所述进行时间同步的非时间参考节点进行发送。

进一步的，所述时间质量内部报表通过以下步骤构建：

所述非时间参考节点和所述时间参考节点按周期广播自身的时间质量；

所述非时间参考节点接收所述广播的时间质量，并按时间信息的质量排序，形成时间质量内部报表。

本发明中的时钟同步网络，包括一个时钟参考节点和至少两个非时钟参考节点，所述非时钟参考节点包括第一时钟同步模块和时钟维持模块、

所述第一时钟同步模块在设定的时间和/或次数内无法接收所述时间参考节点的时间信息时，根据所述时钟维持模块的时间质量内部报表选择其他所述非时钟参考节点；所述第一时钟同步模块根据所述选择的非时钟参考节点发送的时间信息进行时钟同步。

进一步的，所述时钟维持模块接收由其他所述非时钟参考节点和所述时钟参考节点周期广播的时间质量，并按照所述时间质量更新所述时间质量内部报表。

进一步的，所述非时钟参考节点还包括第二时钟同步模块，在所述第一时钟同步模块完成时钟同步后，所述第二时钟同步向所述选择的非时钟参考节点发送询问信息，并根据所述选择的非时钟参考节点发送的返回信息，根据下式利用获得的时钟偏差进行时钟精同步，

$\mathrm{\ϵ}=\frac{{\mathrm{TOA}}_I-{\mathrm{TOA}}_R+T_a}{2},$

其中，TOA_I为携带于所述返回信息中的所述询问信息到达所述提供时钟信息的非时间参考节点时的时钟计数值；TOA_R为所述进行时间同步的非时间参考节点接收到所述返回信息时的时钟计数值；T_a为返回信息发出时刻在所述提供时钟信息的非时间参考节点中对应的时钟计数值。

进一步的，所述选择的非时钟参考节点发送的时间信息在设定的同一个时隙向所述发送询问信息的非时钟参考节点发送。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

利用本发明可使得非时间参考节点在无法获取到时间参考节点提供的时间信息时，利用周围的非时间参考节点的时间信息实现时钟同步，从而可保证非时间参考节点与整个网络的时钟同步。且可根据自身维持的时间质量内部报表根据各非时间参考节点的时间质量选择周围非时间参考节点，从而保证进一步保证了时钟同步的精度。

进一步的，在完成对时钟的粗同步后，可利用两节点间交互的询问信息和返回信息确定粗时钟同步后的时钟偏差，从而可对时钟进行精同步，满足了某些网络对时钟同步的高精度要求。

附图说明

图1为粗时间同步流程图；

图2为包含时间信息的广播信标示意图；

图3为精时间同步流程图；

图4为RTT-I与RTT-R交互示意图；

图5为非NTR节点模块示意图。

具体实施方式

下面就结合附图对本发明做进一步介绍。

时分多址TDMA操作的核心是同步机制，同步机制保持时间参考节点与公共时间参考同步。在集中调度的情况下，该时间参考节点也可以作为网络管理节点计算网络范围内无冲突的调度方案，该调度方案（时隙分配方案）向网络中的所有非时间参考节点提供带宽和延迟保证。任何TDMA系统的同步机制应当是高度精确的，具有有限的执行时间（延迟）和低开销。实际上，永远不可能使节点完美同步。高度精确的同步机制应当最小化由时钟漂移导致的时间参考单元与非时间参考单元间的时间误差。

本发明用于对共存于同一网络的一组节点之间进行时间同步，该组节点可以为网络中静止节点和/或移动节点，例如该节点可以是作战场景中，高速飞行的以无线网络的形式进行互联的信息化武器。

在该无线和/或有线网络中时钟同步机制的一种方式为通过在网络中执行TDMA协议的节点在初始时隙和同步时隙时刻传输包含时钟信息的广播信标及RTT（往返计时）数据，且周期的对该信标和数据进行传输，其他节点利用接收到的时标和数据进行时钟同步。其中，发送该时标和数据的节点通常选择时钟精度较高的网络时间参考节点（NTR，NetworkTime Reference），以该NTR为基准实时校准网络中非NTR节点的时钟计数器，且利用该时钟同步机制，还可在传输的广播信标和/或RTT数据中传输除时钟同步消息之外的附加控制信息。

上述网节点中的NTR节点和非NTR节点可以组成采用同一TDMA机制的通信网络，该网络可以为有线网络也可以为无线网络，其中的非NTR节点至少包括两个以上，NTR节点的时间信息可采用外部精确时钟源提供，而若该TDMA网络为孤立的网络，则其时间信息也可以由内部的时钟计时器或功能相同的其他装置提供。

在上述网络中，为保持所有非NTR节点与NTR节点的时间同步，其时间同步的操作可发生在非NTR节点初始入网时和/或NTR节点失效时进行，将用于进行时钟同步的时间信息填充于在节点之间传输的帧中用NTR节点向其他非NTR节点进行发送，并将该帧在设定的一个时隙中进行传输，以避免由于某些非NTR节点在其他非NTR节点之前接收到该帧并完成时钟同步锁导致的失步问题。

其过程可如图1所示，并具体如下：

A1：NTR发送携带有包含时钟信息的广播信标，该广播信标的一种形式可如图2所示。

A2:非NTR侦听并接收该广播信标，并在设定的时间对该广播信标进行连续接收。

A3:当完成对广播信标的连续接收，则利用该广播信标中的时钟信息对本非NTR节点进行时钟同步。

在上述网络中，当非NTR节点无法接收到NTR节点提供的时间信息时，则非NTR节点无法进行时间同步，因此，在本发明的一种实施例中，提供了如下以其他非NTR节点进行时间同步的方法：

B1:对于需要进行的时间同步的非NTR节点，对NTR节点的广播信标进行接收，并利用其中的时间信息进行同步。当该一个或多个非NTR节点在设定的时间和/或连续的次数内无法接收到NTR节点发送的广播信标时，转入步骤B2。该时间和/或次数可以为一次时间内的连续次数，如预设时间段内的连续三次；或单独的预设时间。

B2：该需要同步的非NTR节点对根据自身维持的时间质量内部报表选择周围的非NTR节点，利用选择出的非NTR节点与其进行时间同步。该时间质量内部报表通过接收到的其他节点（包括NTR节点和非NTR节点）中的广播信息生成，每个网络中的节点按周期广播自身的时间质量，非NTR节点对接收到该时间信息的时间质量进行排序。当在上述步骤B1中无法接收到NTR提供的时间信息时，则该时间质量内部报表在更新后将不包含NTR节点及其时间质量，因此，当利用该时间质量内部报表进行选择时，将选择出时间质量最好的非NTR节点。当非NTR节点完成时钟同步后，将其时钟误差的方差对应成时间质量等级。即时钟误差小，则时间质量等级高（NTR节点的时间质量等级最高）。

B3：当确定时间质量等级最高的非NTR节点后，进行时间同步的非NTR节点按照步骤B1中设定的时间和/或次数对选择出的非NTR节点的时间信息进行接收，并在满足由时间和/或次数限定的接收条件后，利用该时间信息进行时间同步。

在完成上述时同步后，该非NTR节点可看做进入粗同步状态，在某些网络中，进入粗同步状态的非NTR节点在网络中只能接收所有的消息和语音，但是不能发送数据。要进行能够进行数据的发送需要非NTR节点进一步完成精时间同步。

因此，在上述实施例的基础上，该进行时间同步的非NTR节点具体地通过下述过程进行精时间中同步。

精时钟同步过程中，通过在节点间设置往返定时（RTT）来实现该精同步过程。节点利用RTT通过与一个精确系统时间（具有更高的时间质量)的节点（例如，NTR节点或其他非NTR节点）交换往返计时消息，询问是否能够提高本身的系统时间精度。网络中每个节点（包括NTR节点和非NTR节点）通过网络广播自己的时间质量，并保留一个记录视距范围内相邻节点时间质量的内部报表，通过该内部报表可以帮助节点查询其周围节点的时间质量。

上述精同步步骤如图3，具体如下：

C1：非NTR节点向NTR节点或提供时间信息的非NTR节点发送携带有询问信息的RTT-I，该RTT-I可在预先分配的时隙中进行发送，RTT-I如图4。

C2：NTR节点或提供时间信息的非NTR节点接收到RTT-I后，通过RTT-R在该预先分配的时隙的T_a时刻将NTR节点当前的时钟计数值TOA_I返回到非NTR节点，RTT-R如图4。

C3：非NTR节点在发出RTT-I后，开启定时对NTR节点的RTT-R进行接收：若无法收到RTT-R消息，将定时前挪T_f后，在下一个时隙中重新发送RTT-I。即返回步骤C1。注意T_f值的选取必须不超出该进行时间同步的非NTR能够在时隙结束点前接收到RTT-R的要求。

非NTR节点接收到NTR发送的RTT-R消息后，记录当前的接收时间TOA_R，然后利用下式确定非NTR节点的时钟偏差，

$\mathrm{\ϵ}=\frac{{\mathrm{TOA}}_I-{\mathrm{TOA}}_R+T_a}{2}$

并根据该时钟偏差对粗同步后的本地时钟进行调整。其中，T_a为返回信息发出时刻对应的时钟计数值。并判断调整后的本地时钟是否达到设定的精同步门限，若达到设定的精同步门限，则结束精同步；否则，返回步骤C1，继续进行精同步。

进一步的，作为上述精同步过程的一种改进，非NTR节点中在设定的时间中对RTT-R进行有限次数的接收，若在该设定的时间内，完成对RTT-R的接收，则往返成功询问次数增加一次，判断往返成功询问次数是否达到设定的接收次数，如设定接收三次。在达到设定的接收次数后，若精同步后时钟精度达到设定的精度，则精同步成功，否则返回上述步骤C1。

在本发明的另一个实施例中，提供了一种包含多个节点的时钟同步网络，该时钟同步网络可以为有线网络也可为无线网络，其中的节点包括一个时钟参考NTR节点和至少两个非时钟参考节点，其中的NTR节点的时间信息可以由自身配置的时钟提供，也可以借助外部精确时钟源提供。

在该网络中，非NTR利用NTR提供的时间信息进行时钟同步，但是当无法接收到该NTR提供的时钟信息时，如在无线网络中，非NTR节点超出了NTR节点的视距范围，从而使得无法接收该时钟信息，则无法进行时钟同步，为此，结合上述时钟同步过程，在该实施例，提供了具有如下配置的非NTR节点。

如图5，该非NTR节点包括第一时钟同步模块、第二时钟同步模块和时钟维持模块。

该第一时钟同步模块用于进行时钟粗同步，其在时间同步过程中接收NTR提供的时间信息，当在上述预先设定的时间和/或次数内无法接收到NTR节点的时间信息时，开始接收非NTR节点提供的时间信息，并利用非NTR节点的时间信息进行时间同步。

在接收非NTR节点时间信息前，该第一时钟同步模块通过查询时钟维持模块中的时间质量内部报表，确定时间质量最好的非NTR节点，作为进行时钟同步的非NTR节点。时间质量内部报表由时钟维持模块根据周期性接收到的各节点（包括NTR节点和非NTR节点）的时钟质量信息，并在每个周期中进行更新，而网络中的每个节点则周期性的广播自身的时间质量，并接收其他可接收到的所有节点的广播信息。

第一时钟同步模块在根据时钟维持模块确定用于进行时钟同步的非NTR节点后，利用其时间信息进行时钟同步。

由第一时钟同步模块进行的时钟同步为对该非NTR节点进行的粗时钟同步，为此，在本实施例中，进一步利用第二时钟同步模块在粗时钟同步的基础上，进一步进行精时钟同步。

第二时钟同步模块进行精时钟同步的过程与上述过程相同，其向提供时间信息的非NTR节点发送询问信息，在设定的时间和/或次数内接收该询问信息的返回信息，并利用返回信息中携带的TOA_I、TOA_R和T_a确定时钟偏差，从而利用该时钟偏差对粗同步后的时钟进行调整，完成精同步的过程。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1.一种网络节点时钟同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

一个或多个进行时间同步的非时间参考节点根据时间质量内部报表，选择提供时钟信息的非时间参考节点；

所述进行时间同步的非时间参考节点利用所述提供时钟信息的非时间参考节点发送的时钟信息进行时钟同步。

2.如权利要求1所述的时间同步方法，其特征在于，在选择所述提供时钟信息的非时间参考节点前，还包括：

所述进行时间同步的非时间参考节点对时间参考节点的时间信息进行接收，若在设定的时间和/或设定的次数内无法接收到所述时间参考节点的时间信息，则选择所述提供时钟信息的非时间参考节点；否则，利用所述时间参考节点的时间信息进行时钟同步。

3.如权利要求1所述的时间同步方法，其特征在于，在所述时钟同步后，所述进行时间同步的非时间参考节点向所述提供时钟信息的非时间参考节点发送询问信息；

所述提供时钟信息的非时间参考节点根据所述询问信息向所述进行时间同步的非时间参考节点发送返回信息；

所述进行时间同步的非时间参考节点利用所述返回信息根据下式获取时钟偏差进行时间精同步；

$\mathrm{\ϵ}=\frac{{\mathrm{TOA}}_I-{\mathrm{TOA}}_R+T_a}{2},$

其中，TOA_I为携带于所述返回信息中的所述询问信息到达所述提供时钟信息的非时间参考节点时的时钟计数值；TOA_R为所述进行时间同步的非时间参考节点接收到所述返回信息时的时钟计数值；T_a为返回信息发出时刻在所述提供时钟信息的非时间参考节点中对应的时钟计数值。

4.如权利要求3所述的时间同步方法，其特征在于，所述提供时钟信息的非时间参考节点发送的时钟信息在设定的同一个时隙中，向一个或多个所述进行时间同步的非时间参考节点进行发送。

5.如权利要求1所述的时间同步方法，其特征在于，所述时间质量内部报表通过以下步骤构建：

所述非时间参考节点和所述时间参考节点按周期广播自身的时间质量；

所述非时间参考节点接收所述广播的时间质量，并按时间信息的质量排序，形成时间质量内部报表。

6.一种时钟同步网络，所述时钟同步网络包括一个时钟参考节点和至少两个非时钟参考节点，其特征在于：所述非时钟参考节点包括第一时钟同步模块和时钟维持模块、

所述第一时钟同步模块在设定的时间和/或次数内无法接收所述时间参考节点的时间信息时，根据所述时钟维持模块的时间质量内部报表选择其他所述非时钟参考节点；所述第一时钟同步模块根据所述选择的非时钟参考节点发送的时间信息进行时钟同步。

7.如权利要求6所述时钟同步网络，其特征在于：所述时钟维持模块接收由其他所述非时钟参考节点和所述时钟参考节点周期广播的时间质量，并按照所述时间质量更新所述时间质量内部报表。

8.如权利要求7所述时钟同步网络，其特征在于：所述非时钟参考节点还包括第二时钟同步模块，在所述第一时钟同步模块完成时钟同步后，所述第二时钟同步向所述选择的非时钟参考节点发送询问信息，并根据所述选择的非时钟参考节点发送的返回信息，根据下式利用获得的时钟偏差进行时钟精同步，

$\mathrm{\ϵ}=\frac{{\mathrm{TOA}}_I-{\mathrm{TOA}}_R+T_a}{2},$

其中，TOA_I为携带于所述返回信息中的所述询问信息到达所述提供时钟信息的非时间参考节点时的时钟计数值；TOA_R为所述进行时间同步的非时间参考节点接收到所述返回信息时的时钟计数值；T_a为返回信息发出时刻在所述提供时钟信息的非时间参考节点中对应的时钟计数值。

9.如权利要求8所述时钟同步网络，其特征在于：所述选择的非时钟参考节点发送的时间信息在设定的同一个时隙向所述发送询问信息的非时钟参考节点发送。

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