CN105680976A - 一种分布式网络时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及时间同步技术，本发明公开了一种分布式网络时间同步方法，其具体包括以下的步骤：确定中心节点时钟与终端节点时钟之差，当中心节点通过不同载波频率接收不同终端节点发出的时间同步请求信号后，利用本地扩频序列库对请求信号进行捕获、跟踪解调获得请求信号中包含的终端节点编号、请求标志信息和终端节点时钟信息，比对中心节点的本地时钟，测量时间差。将终端节点本地时钟根据中心节点时钟与终端节点时钟之差进行偏差校正。通过同步精度可以达到几百ns级甚至几十ns级。

Description

一种分布式网络时间同步方法

技术领域

本发明涉及时间同步技术，具体是一种分布式网络时间同步方法，实现分布式网络的高精度时间同步。

背景技术

时间同步的目的是为了将不同的“时间”进行校准，使其各自时间相对偏差为0或者是非常微小。对于大型的系统，时间同步是系统正常工作及各终端信息交互的基础，时间同步是建立各终端连接链路的前提。系统将处于系统中的某个终端作为中心节点，其他终端通过与中心节点进行时钟信息交互的方式获取中心节点的时钟，然后调节本地的时钟，经过多次调制校正后，整个系统的时钟与中心节点保持一致从而完成时间同步。目前运用较多的时间同步技术只要由动态接入和时钟广播组成，系统在组成之初通过动态接入形成即时网络，网络中的中心节点向全网进行时钟信息广播，当网络中各终端接收到中心节点广播的时钟信息后对本地时钟进行校正，从而完成时间同步。如专利CN201110307007.4公开了一种基于FM广播数据系统的传感器网络时钟校准方法，属于无线通信领域，所述分布式网络的各节点处于同一FM基站的覆盖范围，其步骤包括：1)在每个节点上设置FM接收芯片；2)FM基站向各节点发送RDS广播数据；3)各节点的FM接收芯片在校准时接收并解析RDS广播数据，生成RDS脉冲信号；4)各节点根据RDS脉冲信号频率校准本地时钟，实现各节点的时间同步。将RDS脉冲作为中间频率对节点本地时钟进行校准，减少了节点间通信，节约带宽和能量消耗，从而消除时钟偏斜，达到时钟校准的效果。但这样的同步技术无法消除由于同步信号传播途径不同导致的时间误差。

除了广播时间的方式，请求-应答方式也常用于时间同步过程中，各终端节点向中心节点发送时间同步的请求信号，中心节点接收到请求信号后，返回中心节点本地时钟信号，终端节点收到应答信号后，根据信号中包含的时钟信号及本地测量的请求-应答反应时间(信号传播时间)共同确定出本地时钟与中心节点时钟的偏差，从而进行时间同步，但是如此同步精度同样会受到限制。

发明内容

针对现有技术中的时间同步方法存在的精度差的技术问题，本发明公开了一种分布式网络时间同步方法。

本发明的技术方案如下：

本发明公开了一种分布式网络时间同步方法，其具体包括以下的步骤：

步骤一、确定无线网络的中心节点，中心节点向全网广播携带中心节点特征信息的信号；步骤二、各终端节点接收到中心节点广播的信号后经过解调提取出中心节点的特征信息，本地调制模块生成相应的动态入网请求信号，入网请求信号包含各终端节点在后续过程中使用的载波频率；不同载波频率对应不同的终端节点；步骤三、当终端节点收到中心节点发出的入网许可信号后，从中提取出终端节点编号信息，根据编号在扩频序列库中提取出该终端节点后续时间同步所用的本地扩频序列，对编码后的信息码进行直接扩频调制；步骤四、将经过直接扩频调制后的信息伪码调制到该终端节点对应的载波频率上向中心节点发射；步骤五、当中心节点通过不同载波频率接收不同终端节点发出的时间同步请求信号后，利用本地扩频序列库对请求信号进行捕获、跟踪解调获得请求信号中包含的终端节点编号、请求标志信息和终端节点时钟信息，比对中心节点的本地时钟，测量时间差t₁；t₁＝中心节点接收到同步信号时的本地时钟-同步信号中提取的时钟；步骤六、中心节点将时间差t1、时间同步应答标志信息和中心节点本地时钟信息，按照协议进行编码；将生成的信息伪码调制到与终端节点对应的载波频率上，并且将应答信号发出；步骤七、当终端节点利用自己的载波频率接收到中心节点发出的应答信号后，经过解扩、解调提取出应答信号中的时间差t₁、中心节点的时钟信息、应答标志信息，然后将此时本地时钟与收到的中心节点时钟信息比对测量出时间差t₂；t₂＝终端节点接收到同步信号时的本地时钟-同步信号中提取的时钟；步骤八、中心节点时钟与终端节点时钟之差然后将终端节点本地时钟进行偏差校正，实现与中心节点时钟同步。由于请求与应答信号传输路径相同，因此由于传输产生的时间差相同，通过同步精度可以达到几百ns级甚至几十ns级。

更进一步地，上述扩频码序列为2000个到5000个扩频序列码片。同步过程中所用的扩频码序列周期(即所使用扩频序列的长度)越长精度越高，选用几万个码片周期会比几百个码片周期的扩频序列同步精度更高，时差提取的精度也较高，但是几万个码片同步过程要求本地同步码也要同样的长度，因此对本地同步码硬件生成带来压力，但由于资源有限最好选取中等长度(建议选择2000个到5000个扩频序列码片)的扩频码序列。

更进一步地，上述方法还包括提高伪码速率。伪码速率越高，同步精度越高，扩频系数越高同步精度越高，相同时间内同步码片数也多，那么可识别最小时差(不会超过一个码片宽度)就越小，测量到的时钟偏差精度也就越高，例如使用码速率为5MHz时，可测得误差精度最大为1秒/5兆＝0.2微秒，如果使用1MHz的码速率，可测得误差精度最大为1秒/1兆＝1微秒；由此可看出来在使用相同扩频序列和相同采样率的前提下码速率越高，测量精度越好。

更进一步地，上述方法用于基站网络时间同步、便携式移动无线终端的时间同步以及任何无线分布式网络的时间同步。经过测试同步精度可达到几十ns。具有很强的实用性。同时由于时间同步过程是动态接入，当终端节点断开与整个网络连接时，亦可以释放资源给其他新接入的节点，因此具有很强的便捷性。

通过采用以上的技术方案，本发明的有益效果为：应用本发明的方法可以使无线分布式网络实现高精度时间同步，同步精度可以达到几百ns级甚至几十ns级。能够获得较好的实时性，应用起来方便快捷。

附图说明

图1是中心节点广播特征信号示意图。

图2是终端节点向中心节点发射入网请求信号示意图。

图3是测量原理图。

图4是时间同步过程示意图。

图5是基站网络时间同步过程示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，详细说明本发明的具体实施方式。

本发明公开了一种分布式网络时间同步方法，其具体包括以下的步骤：

步骤一、确定无线网络的中心节点，中心节点向全网广播携带中心节点特征信息的信号；该信号可以是无线电信号，也可以是其他类型的信号，中心节点广播的中心节点特性信号中可以包含组网的通信协议，以及中心节点信号标志位等具有可以标志中心节点的特征信息等。如图1所示的中心节点广播特征信号示意图。

步骤二、各终端节点接收到中心节点广播的中心节点特征信号后经过解调提取出中心节点的特征信息，本地调制模块生成相应的动态入网请求信号，入网请求信号包含各终端节点在后续过程中使用的载波频率。中心节点接收到不同终端节点发出的入网请求信号后，将不同载波频率确定为不同的终端节点，然后进行编号，然后将终端节点编号信息应答给终端节点，并许可该终端节点入网。在编号之前，中心节点会对入网请求信号中的载波频率和终端进行识别，如果发现两个相同载波频率上有两个或两个以上终端请求入网，就对后收到请求信号的终端返回拒绝入网并更换频率的指令，收到拒绝质指令后的终端会更换载波频率进行再请求，此时中心节点将进行再次筛查是否有相同载波频率的请求信号，以此反复直到所有终端节点使用的载波频率各自不同为止，当中心节点所有通道使用完就表示已经达到该网络的入网极限，此时再增加入网终端也会被拒绝。如图2所示的终端节点向中心节点发射入网请求信号示意图。

步骤三、当终端节点收到中心节点发出的入网许可信号后，从中提取出终端节点编号信息，根据编号在扩频序列库中提取出该终端节点后续时间同步所用的本地扩频序列，然后进行时间同步。终端节点根据自己节点编号信息、时间同步请求标志信息和本地时钟信息，进行信息编码及校验处理；然后利用与节点编码一一对应的独有的本地扩频序列对编码好的信息码进行直接扩频调制。

步骤四、将经过直接扩频调制后的信息伪码调制到该终端节点对应的载波频率上向中心节点发射，终端节点1调制到频率f₁，终端节点2调制到频率f₂，…，终端节点n调制到频率f_n。

测量原理图如图3所示。

步骤五、当中心节点通过不同载波频率接收不同终端节点发出的时间同步请求信号后，利用本地扩频序列库对请求信号进行捕获、跟踪解调获得请求信号中包含的终端节点编号、请求标志信息和终端节点时钟信息，比对中心节点的本地时钟，测量时间差t₁。t₁＝中心节点接收到同步信号时的本地时钟-同步信号中提取的时钟＝T₂+dt-T₁＝T₁-dt₀+dt-T₁＝-dt₀+dt(如图3所示)。

步骤六、中心节点将时间差t1、时间同步应答标志信息和中心节点本地时钟信息，按照协议进行编码；将生成的信息伪码调制到与终端节点对应的载波频率上，终端节点1调制到频率f₁，终端节点2调制到频率f₂，…，终端节点n调制到频率f_n)，并且将应答信号发出；

步骤七、当终端节点利用自己的载波频率接收到中心节点发出的应答信号后，经过解扩、解调提取出应答信号中的时间差t₁、中心节点的时钟信息、应答标志信息，然后将此时本地时钟与收到的中心节点时钟信息比对测量出时间差t₂；t₂＝终端节点接收到同步信号时的本地时钟-同步信号中提取的时钟＝T₁+dt-T₂＝T₂+dt₀+dt-T₂＝dt₀+dt(如图3所示)。

步骤八、测量出的两个时间差由两部分组成：信号传输过程产生的时间差dt和中心节点时钟与终端节点时钟之差dt₀，由于请求与应答信号传输路径相同，因此由于传输产生的时间差相同，假设该终端节点时钟比中心节点时钟延迟dt₀，那么时钟差关系推导如下：

$\left\{\begin{array}{c}{t}_1=-{\mathrm{dt}}_0+dt\\ t_2=+{\mathrm{dt}}_0+dt\end{array}\right.\⇒{\mathrm{dt}}_0=\frac{t_2-t_1}{2}---\left(1\right)$

从式(1)中可以推导出终端节点与中心节点时钟的偏差，然后将终端节点本地时钟进行偏差校正，实现与中心节点时钟同步。

上述同步步骤对时间同步精度影响最大的中心节点对时间同步请求信号的时差测量值t₁和终端节点对时间同步应答信号的时差测量值t₂两者的精度，而影响t₁和t₂的精度最关键在于对信号跟踪过程中的解调精度。经过仿真发现同步过程中所用的扩频码序列周期(即所使用扩频序列的长度)越长精度越高，选用几万个码片周期会比几百个码片周期的扩频序列同步精度更高，时差提取的精度也较高，但是几万个码片同步过程要求本地同步码也要同样的长度，因此对本地同步码硬件生成带来压力，但由于资源有限最好选取中等长度(建议选择2000个到5000个扩频序列码片)的扩频码序列；其次伪码速率越高，同步精度越高，扩频系数越高同步精度越高，相同时间内同步码片数也多，那么可识别最小时差(不会超过一个码片宽度)就越小，测量到的时钟偏差精度也就越高，例如使用码速率为5MHz时，可测得误差精度最大为1秒/5兆＝0.2微秒，如果使用1MHz的码速率，可测得误差精度最大为1秒/1兆＝1微秒；由此可看出来在使用相同扩频序列和相同采样率的前提下码速率越高，测量精度越好。

无线分布式网络高精度时间同步技术可以应用各种无线信息网络的时间同步，例如基站网络时间同步、便携式移动无线终端的时间同步以及任何无线分布式网络的高精度时间同步。经过测试同步精度可达到几十ns。具有很强的实用性。同时由于时间同步过程是动态接入，当终端节点断开与整个网络连接时，亦可以释放资源给其他新接入的节点，因此具有很强的便捷性。

时间同步过程示意图如图4所示。中心节点接收终端节点发出的时间同步信号测量时间差t₁，终端节点接收中心节点发出的时间同步信号测量时间差t₂，然后结合两个测量值消除传输路径引起的时间差dt，最终获得精确的终端节点与中心节点的时间差dt₀，调整终端节点本地时钟，最终实现与中心节点的高精度时间同步。

本发明的一种实现使用场景如图5所示。中心基站与终端基站利用无线分布式网络高精度时间同步技术完成时间同步。

该时间同步的步骤：

1)终端基站根据自己节点编号、时间同步请求标志信息和本地时钟信息，进行信息编码及校验处理；利用与节点编码一一对应的独有的本地扩频序列编码好的信息码进行直接扩频调制；

2)将1)中进过直接扩频调制后的信息伪码调制到该终端节点对应的载波频率上向中心节点发射(终端节点1调制到频率f1，终端节点2调制到频率f2，…，终端节点n调制到频率fn)；

3)当中心节点通过不同载波频率接收不同终端节点发出的时间同步请求信号，对请求信号进行捕获、跟踪解调获得请求信号中包含的终端节点编号、请求标志信息和终端节点时钟信息，比对中心节点的本地时钟，测量时间差t1；

4)中心节点将时间差t1、时间同步应答标志信息和中心节点本地时钟信息，按照协议进行编码；调制应答信号发射；

5)当终端节点利用自己的载波频率接收到中心节点发出的应答信号后，经过解扩、解调提取出应答信号中的时间差t1、中心节点的时钟信息、应答标志信息，然后将此时本地时钟与收到的中心节点时钟信息比对测量出时间差t2；最后通过双向时钟比对完成钟差测量。

上述的实施例中所给出的系数和参数，是提供给本领域的技术人员来实现或使用发明的，发明并不限定仅取前述公开的数值，在不脱离发明的思想的情况下，本领域的技术人员可以对上述实施例作出种种修改或调整，因而发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (5)

1.一种分布式网络时间同步方法，其具体包括以下的步骤：确定中心节点时钟与终端节点时钟之差t₁＝中心节点接收到同步信号时的本地时钟-同步信号中提取的时钟；t₂＝终端节点接收到同步信号时的本地时钟-同步信号中提取的时钟；将终端节点本地时钟根据中心节点时钟与终端节点时钟之差进行偏差校正。

2.如权利要求1所述的分布式网络时间同步方法，其特征在于所述步骤具体包括：步骤一、确定无线网络的中心节点，中心节点向全网广播携带中心节点特征信息的信号；步骤二、各终端节点接收到中心节点广播的信号后经过解调提取出中心节点的特征信息，本地调制模块生成相应的动态入网请求信号，入网请求信号包含各终端节点在后续过程中使用的载波频率；不同载波频率对应不同的终端节点；步骤三、当终端节点收到中心节点发出的入网许可信号后，从中提取出终端节点编号信息，根据编号在扩频序列库中提取出该终端节点后续时间同步所用的本地扩频序列，对编码后的信息码进行直接扩频调制；步骤四、将经过直接扩频调制后的信息伪码调制到该终端节点对应的载波频率上向中心节点发射；步骤五、当中心节点通过不同载波频率接收不同终端节点发出的时间同步请求信号后，利用本地扩频序列库对请求信号进行捕获、跟踪解调获得请求信号中包含的终端节点编号、请求标志信息和终端节点时钟信息，比对中心节点的本地时钟，测量时间差t₁；t₁＝中心节点接收到同步信号时的本地时钟-同步信号中提取的时钟；步骤六、中心节点将时间差t₁、时间同步应答标志信息和中心节点本地时钟信息，按照协议进行编码；将生成的信息伪码调制到与终端节点对应的载波频率上，并且将应答信号发出；步骤七、当终端节点利用自己的载波频率接收到中心节点发出的应答信号后，经过解扩、解调提取出应答信号中的时间差t₁、中心节点的时钟信息、应答标志信息，然后将此时本地时钟与收到的中心节点时钟信息比对测量出时间差t₂；t₂＝终端节点接收到同步信号时的本地时钟-同步信号中提取的时钟；步骤八、确定中心节点时钟与终端节点时钟之差然后将终端节点本地时钟进行偏差校正，实现与中心节点时钟同步。

3.如权利要求2所述的分布式网络时间同步方法，其特征在于所述扩频码序列为2000个到5000个扩频序列码片。

4.如权利要求2所述的分布式网络时间同步方法，其特征在于所述方法还包括提高伪码速率。

5.如权利要求1所述的分布式网络时间同步方法，其特征在于所述方法用于基站网络时间同步、便携式移动无线终端的时间同步以及任何无线分布式网络的时间同步。