CN103945523B - 一种实现时间同步的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现时间同步的方法和系统，包括：时间源无线设备向待时间同步无线设备发送时间预发布数据包，所述时间预发布数据包包括预发布标准时间；待时间同步无线设备向时间源无线设备回复时间预发布确认数据包；时间源无线设备接收到预发布确认数据包后，判断出接收到预发布确认数据包的时间早于预发布标准时间，在预发布标准时间向待时间同步无线设备发送物理层信号，该物理层信号为与预发布标准时间对应的无线信号序列；当待时间同步无线设备检测到无线信号序列，将自身时间设置为无线信号序列对应的时间。本发明能够提高时间同步的精度。

Description

一种实现时间同步的方法和系统

技术领域

本发明涉及物联网技术，尤指一种实现时间同步的方法和系统。

背景技术

在物联网应用中，物联网设备的时间同步往往需要作为传感器监测数据时间校准的基础，物联网设备可能需要获得一个标准时间作为当前数据的时间戳标识。

在传统的通信网络中，主要在应用层实现网络时间的同步。如网络时间协议（NTP，Network Time Protocol），利用发布的时间戳消息和获得的时间戳应答消息间的时间差对设备始终进行校准。该方法中时间同步的误差来源于设备与时间源间双向网络链路的时延差。在无线物联网应用场景中，由于物联网设备部署环境复杂的特点，物联网设备到时间源（如无线接入点、基站等）的网络层以上的双向链路时延不确定性很大。例如在3GPP标准中关于机器通信（MTC）的用例中，就有地下物联网设备部署的场景，其信号信噪比可达-20dB以下，误码率较高，单向数据包传输时延可能从1ms到数秒不等。即使采用目前考虑的TTIbinding等覆盖增强策略，单向数据包传输时延动态范围仍然很大。这时物联网设备与基站间双向网络链路的时延差就会特别大，而且极度不确定。直接采用传统的时间同步方法将无法满足物联网设备数据采集的时间同步需求，如地下管道传感器监测网络或者地下地震数据传感器网络的时间同步需求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种实现时间同步的方法和系统，能够提高时间同步的精度。

为了达到上述目的，本发明提出了一种实现时间同步的方法，包括：

时间源无线设备向待时间同步无线设备发送时间预发布数据包，所述时间预发布数据包包括预发布标准时间；

待时间同步无线设备向时间源无线设备回复时间预发布确认数据包；

时间源无线设备接收到预发布确认数据包后，判断出接收到预发布确认数据包的时间不晚于预发布标准时间，在预发布标准时间向待时间同步无线设备发送物理层信号，该物理层信号为与预发布标准时间对应的无线信号序列；

当待时间同步无线设备检测到无线信号序列，将自身时间设置为所检测到无线信号序列对应的时间。

优选地，当所述时间源无线设备判断出接收到预发布确认数据包的时间晚于预发布标准时间时，该方法还包括：

所述时间源无线设备根据接收到预发布确认数据包的时间计算时间间隔，并根据所述时间间隔计算新的发布时间；

所述时间源无线设备在所述新的发布时间向所述待时间同步无线设备发送与所述时间间隔对应的无线信号序列。

优选地，所述根据接收到预发布确认数据包的时间计算时间间隔，并根据所述时间间隔计算新的发布时间包括：

计算所述接收到预发布确认数据包的时间与所述预发布标准时间之间的差值，并获取预设时间间隔集合中，比该差值大的最小时间间隔；

将获得的时间间隔加上所述预发布标准时间得到所述新的发布时间。

优选地，所述与时间间隔对应的无线信号序列与所述预发布时间对应的无线信号序列满足正交关系。

优选地，所述待时间同步无线设备未检测到所述无线信号序列时，该方法还包括：

所述待时间同步无线设备继续执行检测的步骤，直至检测到无线信号序列。

本发明还提出了一种时间同步的系统，至少包括：

时间源无线设备，用于向待时间同步无线设备发送时间预发布数据包，所述时间预发布数据包包括预发布标准时间；接收到预发布确认数据包后，判断出接收到预发布确认数据包的时间不晚于预发布标准时间，在预发布标准时间向待时间同步无线设备发送物理层信号，该物理层信号为与预发布标准时间对应的无线信号序列；

待时间同步无线设备，用于向时间源无线设备回复时间预发布确认数据包；检测到无线信号序列，将自身时间设置为无线信号序列对应的时间。

优选地，所述时间源无线设备，还用于：

判断出接收到预发布确认数据包的时间晚于预发布标准时间，根据接收到预发布确认数据包的时间计算时间间隔，并根据所述时间间隔计算新的发布时间；在所述新的发布时间向所述待时间同步无线设备发送与所述时间间隔对应的无线信号序列。

优选地，所述根据所述接收到预发布确认数据包的时间计算时间间隔，并根据所述时间间隔计算新的发布时间包括：

计算所述接收到预发布确认数据包的时间与所述预发布标准时间之间的差值，并获取预设时间间隔集合中，比该差值大的最小时间间隔；

将获得的时间间隔加上所述预发布标准时间得到所述新的发布时间。

优选地，所述与时间间隔对应的无线信号序列与所述预发布时间对应的无线信号序列满足正交关系。

优选地，所述待时间同步无线设备，还用于：

未检测到所述无线信号序列，继续执行检测的步骤，直至检测到无线信号序列。

与现有技术相比，本发明包括：时间源无线设备向待时间同步无线设备发送时间预发布数据包，时间预发布数据包包括预发布标准时间；待时间同步无线设备向时间源无线设备回复时间预发布确认数据包；时间源无线设备接收到预发布确认数据包后，判断出接收到预发布确认数据包的时间早于预发布标准时间，在预发布标准时间向待时间同步无线设备发送物理层信号，该物理层信号为与预发布标准时间对应的无线信号序列；当待时间同步无线设备检测到无线信号序列，将自身时间设置为无线信号序列对应的时间。通过本发明的方案，时间源无线设备在预发布标准时间发送物理层信号，即无线信号序列，从而进行时间同步，由于物理层信号时延较小，使得同步的时间精度较高。

附图说明

下面对本发明实施例中的附图进行说明，实施例中的附图是用于对本发明的进一步理解，与说明书一起用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限制。

图1为本发明的实现时间同步的方法流程图；

图2为本发明的实现时间同步的系统结构组成示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本发明作进一步的描述，并不能用来限制本发明的保护范围。

参见图1，本发明提出了一种实现时间同步的方法，包括：

步骤100、时间源无线设备向待时间同步无线设备发送时间预发布数据包，时间预发布数据包包括预发布标准时间。

本步骤中，预发布标准时间即是时间源无线设备和待时间同步无线设备之间进行同步的时间。

本步骤中，时间源无线设备发送时间预发布数据包的时间和预发布标准时间之间的差值可以预先设定，例如，时间源无线设备可以在预发布标准时间之前10分钟发送时间预发布数据包。

步骤101、待时间同步无线设备向时间源无线设备回复时间预发布确认数据包。

步骤102、时间源无线设备接收到预发布确认数据包后，判断出接收到预发布确认数据包的时间不晚于预发布标准时间，在预发布标准时间向待时间同步无线设备发送物理层信号，该物理层信号为与预发布标准时间对应的无线信号序列。

本步骤中，由于从时间源无线设备发送时间预发布数据包到接收到预发布确认数据包之间的时延不确定，因此，在时间源无线设备接收到预发布确认数据包后，需要判断接收到预发布确认数据包的时间是否已经超过预发布标准时间，如果没有超过，即接收到预发布确认数据包的时间不晚于预发布标准时间，则在预发布标准时间向待时间同步无线设备发送物理层信号；如果超过，即接收到预发布确认数据包的时间晚于预发布标准时间，则时间源无线设备根据接收到预发布确认数据包的时间计算时间间隔，并根据时间间隔计算新的发布时间；并在新的发布时间向待时间同步无线设备发送与时间间隔对应的无线信号序列。

其中，接收到预发布确认数据包的时间不晚于预发布标准时间是指接收到预发布确认数据包的时间小于或等于预发布标准时间。

其中，根据接收到预发布确认数据包的时间计算时间间隔，并根据时间间隔计算新的发布时间包括：

计算接收到预发布确认数据包的时间与预发布标准时间之间的差值，并获取预设时间间隔集合中，比该差值大的最小时间间隔；将获得的时间间隔加上预发布标准时间得到新的发布时间。

其中，预设时间间隔可以根据当前网络通信状况来确定，主要根据信号传输过程中的时延确定，时延较大时，可以取预设时间间隔大一些，否则可以取小一些。

本步骤中，待时间同步无线设备可以采用匹配滤波等方法检测是否存在无线信号序列。

本步骤中，无线信号序列的设计可以采用Zadoff-Chu序列。

本步骤中，为了保证信号传输的准确性，可以将无线信号序列的长度设置的长一些。无线信号序列的长度跟系统的信噪比要求、帧长和正交序列的数目有关。一般无线信号序列的长度在20-100左右，视系统的不同而不同。考虑序列的长度的同时也会考虑帧长，使得能够构成完整的物理帧。相同性能下，正交序列的数目越多，要求无线信号序列的长度越长。

本步骤中，与时间间隔对应的无线信号序列与预发布时间对应的无线信号序列满足正交关系。不同的时间间隔对应不同的无线信号序列，各个无线信号序列之间满足正交关系。

步骤103、当待时间同步无线设备检测到无线信号序列，将自身时间设置为无线信号序列对应的时间。

本步骤中，待时间同步无线设备未检测到无线信号序列时，待时间同步无线设备继续执行检测的步骤，直至检测到无线信号序列。

本步骤中，待时间同步无线设备检测到无线信号序列时，可以根据无线信号序列确定时间间隔，并用确定的时间间隔加上预发布时间从而得到无线信号序列对应的时间。

在步骤102和步骤103中，可以分别在时间源无线设备和待时间同步无线设备设置无线信号序列和预设时间间隔之间的对应关系，两者设置的对应关系必须一致，才能进行时间同步。

实施例1

时间源无线设备A欲向待时间同步无线设备B进行时间发布，系统采用单个无线信号序列，并基于具有良好自相关特性的m序列进行设计。设备A在当前时间为11点55分0秒0毫秒时，提前5分钟向设备B发出预发布时间数据包，预发布时间为12点0分0秒0毫秒，由于信道质量不佳，经过反复重传，设备B在11点57分11秒11毫秒时成功解调出设备A发送的预发布时间数据包，并回复预发布时间确认数据包，由于信道质量不佳，经过反复重传，设备A在11点57分17秒11毫秒时解调出设备B返回的预发布时间确认数据包，并在12点0分0秒0毫秒时发出规定的无线信号序列，设备B利用基于匹配滤波的检测算法检测出设备A发出的无线信号序列，将时间设置为12点0分0秒0毫秒，完成时间同步。同步误差为设备B检测设备A发出的特定无线信号序列的时间，仅为微秒级。

同步误差为无线电波的传输时间（可以忽略）加上无线信号序列的持续时间。无线信号序列的持续时间为NTs，N为无线信号序列的符号长度，Ts为每个符号的持续时间，约等于无线信号带宽的倒数。当信号带宽为1MHz时，N为10时，同步误差约等于10微秒。

实施例2

时间源无线设备C欲向待时间同步无线设备D进行时间发布，系统采用4个无线信号序列，并基于具有良好正交性和自相关性的Zadeoff-Chu序列进行设计，对应的4个时间间隔为0秒，10秒，1分钟，5分钟。设备C在当前时间为11点59分0秒0毫秒时向设备D发出预发布时间数据包，预发布时间为12点0分0秒0毫秒，由于信道质量不佳，经过反复重传，设备D在11点59分49秒11毫秒时成功解调出设备C发送的预发布时间数据包，并回复预发布时间确认数据包，由于信道质量不佳，经过反复重传，设备C在12点0分17秒11毫秒时解调出设备B返回的预发布时间确认数据包，由于收到时间超出预发布时间17秒11毫秒，选用无线信号序列3，在12点1分0秒0毫秒时发出规定的无线信号序列3，设备D利用基于匹配滤波的检测算法检测出设备C发出的无线信号序列3，设备D根据自身设置的时间间隔和无线信号序列之间的对应关系，获得无线信号序列3对应的时间间隔为1分，该时间间隔再加上预发布时间即为12点1分0秒0毫秒，则设备D将时间设置为12点1分0秒0毫秒，完成时间同步。同步误差为设备D检测设备C发出的特定无线信号序列的时间，仅为微秒级。

其中，进行无线信号序列检测时，匹配滤波检测算法的结果输出时间略大于输入的无线信号序列的持续时间，超出量不超过输入无线信号序列的一个符号持续时间。

参见图2，本发明还提出了一种时间同步的系统，至少包括：

时间源无线设备，用于向待时间同步无线设备发送时间预发布数据包，时间预发布数据包包括预发布标准时间；接收到预发布确认数据包后，判断出接收到预发布确认数据包的时间不晚于预发布标准时间，在预发布标准时间向待时间同步无线设备发送物理层信号，该物理层信号为与预发布标准时间对应的无线信号序列；

待时间同步无线设备，用于向时间源无线设备回复时间预发布确认数据包；检测到无线信号序列，将自身时间设置为无线信号序列对应的时间。

本发明的系统中，时间源无线设备，还用于：

判断出接收到预发布确认数据包的时间晚于预发布标准时间，根据接收到预发布确认数据包的时间计算时间间隔，并根据时间间隔计算新的发布时间；在新的发布时间向待时间同步无线设备发送与时间间隔对应的无线信号序列。

本发明的系统中，根据接收到预发布确认数据包的时间计算时间间隔，并根据时间间隔计算新的发布时间包括：

计算接收到预发布确认数据包的时间与预发布标准时间之间的差值，并获取预设时间间隔集合中，比该差值大的最小时间间隔；

将获得的时间间隔加上预发布标准时间得到新的发布时间。

本发明的系统中，与时间间隔对应的无线信号序列与预发布时间对应的无线信号序列满足正交关系。优选的，不同时间间隔对应的无线信号序列也满足正交关系。

本发明的系统中，待时间同步无线设备，还用于：

未检测到无线信号序列，继续执行检测的步骤，直至检测到无线信号序列。

需要说明的是，以上所述的实施例仅是为了便于本领域的技术人员理解而已，并不用于限制本发明的保护范围，在不脱离本发明的发明构思的前提下，本领域技术人员对本发明所做出的任何显而易见的替换和改进等均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种实现时间同步的方法，其特征在于，包括：

时间源无线设备向待时间同步无线设备发送时间预发布数据包，所述时间预发布数据包包括预发布标准时间；

待时间同步无线设备向时间源无线设备回复时间预发布确认数据包；

时间源无线设备接收到时间预发布确认数据包后，判断出接收到时间预发布确认数据包的时间不晚于预发布标准时间，在预发布标准时间向待时间同步无线设备发送物理层信号，该物理层信号为与预发布标准时间对应的无线信号序列；

当待时间同步无线设备检测到无线信号序列，将自身时间设置为所检测到无线信号序列对应的时间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述时间源无线设备判断出接收到时间预发布确认数据包的时间晚于预发布标准时间时，该方法还包括：

所述时间源无线设备根据接收到时间预发布确认数据包的时间计算时间间隔，并根据所述时间间隔计算新的发布时间；

所述时间源无线设备在所述新的发布时间向所述待时间同步无线设备发送与所述时间间隔对应的无线信号序列。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据接收到时间预发布确认数据包的时间计算时间间隔，并根据所述时间间隔计算新的发布时间包括：

计算所述接收到时间预发布确认数据包的时间与所述预发布标准时间之间的差值，并获取预设时间间隔集合中，比该差值大的最小时间间隔；

将获得的时间间隔加上所述预发布标准时间得到所述新的发布时间。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述与时间间隔对应的无线信号序列和所述与预发布标准时间对应的无线信号序列满足正交关系。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待时间同步无线设备未检测到所述无线信号序列时，该方法还包括：

所述待时间同步无线设备继续执行检测的步骤，直至检测到无线信号序列。

6.一种时间同步的系统，其特征在于，至少包括：

时间源无线设备，用于向待时间同步无线设备发送时间预发布数据包，所述时间预发布数据包包括预发布标准时间；接收到时间预发布确认数据包后，判断出接收到时间预发布确认数据包的时间不晚于预发布标准时间，在预发布标准时间向待时间同步无线设备发送物理层信号，该物理层信号为与预发布标准时间对应的无线信号序列；

待时间同步无线设备，用于向时间源无线设备回复时间预发布确认数据包；检测到无线信号序列，将自身时间设置为无线信号序列对应的时间。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述时间源无线设备，还用于：

判断出接收到时间预发布确认数据包的时间晚于预发布标准时间，根据接收到时间预发布确认数据包的时间计算时间间隔，并根据所述时间间隔计算新的发布时间；在所述新的发布时间向所述待时间同步无线设备发送与所述时间间隔对应的无线信号序列。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述根据所述接收到时间预发布确认数据包的时间计算时间间隔，并根据所述时间间隔计算新的发布时间包括：

计算所述接收到时间预发布确认数据包的时间与所述预发布标准时间之间的差值，并获取预设时间间隔集合中，比该差值大的最小时间间隔；

将获得的时间间隔加上所述预发布标准时间得到所述新的发布时间。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述与时间间隔对应的无线信号序列和所述与预发布标准时间对应的无线信号序列满足正交关系。

10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述待时间同步无线设备，还用于：

未检测到所述无线信号序列，继续执行检测的步骤，直至检测到无线信号序列。