CN111885694B - 空中自组织网络时间同步系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种空中自组织网络时间同步系统，旨在提供一种动态拓扑变化快，具有更低的时间同步开销的时间同步系统。并通过下述技术方案实现：至少两路时间同步模块对应连接的无线传输模块，将检测时间基准消息的到达时间上报至时间同步模块，完成时间基准消息交互和构建多级时间同步结构；时间同步模块根据接收到的邻居时间基准消息，计算传播时延信息与时间同步信息；在时间同步链接关系中，任意网络节点动态选择父节点建立时间同步链接，利用时隙分配周期性，自主地执行时间同步状态转移规则，在粗同步状态下选择短帧数据包进行数据传输并避免时间同步误差的影响，在精同步状态或守时状态下选择长帧数据包进行数据传输以提高传输效率。

Description

空中自组织网络时间同步系统

技术领域

本发明是关于网络技术领域，涉及一种自组织网络时间同步技术，尤其是适用于空中自组织网络AANET(aeronauticalAdhocnetworks)的时间同步系统。

背景技术

自组织网络是一种不依赖预设基础设施而快速组建的临时性网络，网络节点利用自身无线收发设备，采用分布式控制方式进行信息交换，而且可借助中间节点中继实现多跳通信，因此也被称为多跳自组织网络。多跳自组织网络中不存在可以直接和所有用户通信的中心节点，网络节点一般要经过多跳才能与其他节点通信，在这样的网络中使用TDMA接入，时间同步问题变得复杂。时间同步方法主要有内部时间解析和外部授时2种。常用的内部解析时间方式是通过网络时间解析协议(NTP)对网络中的节点划分层次，逐层进行同步。但NTP主要是针对有线计算机网络提出，其复杂度比较高，需要耗费较多的系统资源，并不适用于无线移动多跳环境。自组织网络由于采用无线传输的通信方式，同时由于无线传输过程中信号容易受到各种干扰，导致自组织网络的带宽比起有线传输的带宽要低很多。自组织网络由于采用分布式控制、无中心网络节点和网络的临时性等原因，它比一般的无线网络更容易受到来自安全方面的威胁。由于受到无线通信距离的影响，自组织网络内的节点往往需要借助于其他节点进行中继才能实现远距离的通信，这样就形成了多跳的通信路径。

在蜂窝移动通信系统中，网络节点常采用集中式的时间同步，由基站周期地向移动终端发送训练序列来实现同步。然而，空中自组织网络是一种分布式网络，集中式时间同步难以适应高速变化的多跳网状网拓扑结构，需要以分布式的时间同步方法来解决全网时间统一的问题。空中高速自组织网络与传统的自组织网络相比，具有以下几个特点：(1)网络拓扑高动态性。由于空中高速自组织网络中的节点具有很高的移动速度，导致通信链路频繁失效。空中高速自组织网络由于飞行节点容易受到攻击而毁灭，这也将导致网络的拓扑变化很快。(2)在空中高速自组织网络中，由于应用场景比较大，网络中节点数目比较少，导致网络中节点密度比较小，可能会出现网络连通性受限的情况。(3)信道不稳定。空中高速自组织网络中节点由于其高速运动的特性，除了受到传统的无线信道各种干扰之外，信道质量还受到多普勒频移的影响。(4)节点差异性。空中高速自组织网络中节点包含很多不同的通信节点类型，如飞行器、地面中继站、中继卫星、以及临近空间平台等，这些通信节点的通信功能方面存在很大差异。(5)网络安全性。空中高速自组织网络，容易受恶意攻击，对安全性更加敏感。由于空中高速自组织网络的节点之间具有很大的相对移动速度，导致链路短时间内容易失效。

空中自组织网络AANET是移动自组织网络思想的延伸和拓展,其移动节点是空中高速飞行的飞机而不是地面低速或中速的移动计算机或主机。AANET是由若干个空中移动节点通过分布式网络协议自发组成的一个自治、多跳网络，在所有网络节点时间统一的情况下能够高效地处理网络拓扑变化、传输链路故障等问题，具有很强的灵活性和抗毁性。在空中自组织网络中，网络节点一般采用时分多址接入(TimeDivisionMultipleAccess,TDMA)方式与邻居节点交互控制信息与数据业务。时分多址接入协议的基本前提是网络中所有节点的时间保持一致，称为时间同步。因此，时间同步是支撑空中自组织网络高效运行的一个关键技术。在空中自组织网络中，空中移动节点的时钟晶振频率很难做到完成一致，并且易受温度、湿度、气压以及电磁波等周围环境的影响而产生频率及相位的改变，需要实时地通过时间同步协议来适应时钟晶振的变动，达到保持空中自组织网络中所有节点时间一致的目的。由于存在同步偏差和晶振的漂移误差，随着时间推进，节点与基准时间之间的偏差可能会越来越大。为了保证不发生失步，需要进行再次同步。由于节点之间的时间基准无法做到完全一致，因此有可能在时隙的开始和结束的一定范围内发生冲突。数据包从一个节点发送到另一个节点的过程中同样会经历处理时延和传播时延，在多跳环境下，随着节点与时间主控节点之间跳数的增加，时间基准偏差也会增大。为了避免冲突的发生，在时隙间预留了一定长度的保护时间，允许时隙在一定范围内抖动。保护时间的长度考虑频率漂移偏差和同步偏差。在空中网络中,节点移动性是影响链路稳定性的重要因素。一般用信号功率来衡量节点相对移动性,但由于信号衰减尤其在下雨天气导致这样的方法不够准确。两个因素影响链路的稳定性,分别是一条链路上两个节点之间的相对速度和相对位置。相对速度比相对位置对链路稳定性的影响要大。

在空中自组织网络环境下，分布式时间同步面临着无线信道不确定性、网络拓扑变化快、传播时延估算误差大等诸多挑战。首先，时间同步协议的基础是网络节点之间利用无线信道进行时间基准消息交互，但是无线信道的不确定性可能导致时间基准消息丢包，从而影响时间同步链接的有效性，导致时间同步精度下降。其次，空中移动节点的移动速度快，从而节点之间的连通状态变化快，导致网络节点需要经常切换时间同步的对端节点，因此时间同步协议需要快速地适应网络拓扑的变化。再次，空中自组织网络的覆盖范围广，节点之间的传输距离远且移动速率快，时间基准消息于单个时隙内在两个节点之间完成往返计时的传播时间保护开销太大。最后，空中自组织网络需要适应多种节点容量的网络规模，即要求时间同步协议应具备良好的可拓展性，在不同网络规模下均能够保障全网时间同步的精度。因此，在空中自组织网络的时间同步方法中如何有效地应对无线信道的不确定性、网络拓扑的高动态性、网络规模可拓展性等挑战就是本发明所需解决的问题。

现有主要技术方案的往返计时时间同步协议(Round-TripTime,RTT):采用由询问节点向应答节点发起时间精同步请求；应答节点检测消息到达时间并在一个时隙内间隔指定时间段后回传携带到达时间信息的应答消息；询问节点收到应答消息后，通常依据时间戳信息计算询问节点与应答节点之间的传播时延并调整本地时钟，完成时间精同步。这种要求时间同步的应答消息必须在一个时隙内回复，因此在时隙结构中必须留出大于两倍传播时延的保护时间以避免时隙碰撞。而采用高精度时间同步协议(PrecisionTimeProtocol,PTP)的方法，通常由主节点广播同步报文消息，随后发送跟随报文消息并携带同步报文的发送时间戳，从节点接收同步报文与跟随报文，间隔一段时间后发送延迟请求报文，主节点检测延迟请求报文的到达时间，并通过回传延迟请求响应报文，将延迟请求报文的到达时间戳发送给从节点；从节点利用主节点回传的两个时间戳信息及本节点检测信息，计算传播时延并调整本地时钟，完成时间精同步。这种方法的不足之处在于，需要4次报文消息交互来完成时间同步过程，携带两次时间戳信息，显著地增大了时间同步的控制开销。

现有空中自组织网络的技术方案要求时间同步消息在单一时隙内往返，不但限制了时隙的最小时间长度，降低了时帧结构设计的灵活性，而且显著地增加了时间同步的控制开销，这种局限于往返计时的低延迟要求，导致了较高的时间同步开销，很难有效地应对空中自组织网络由于通信覆盖范围广、节点移动速度高等特征带来的无线信道不确定性、网络拓扑高动态变化等问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种动态拓扑变化快，具有更低的时间同步开销并具有良好可拓展性，能有效应对无线信道的不确定性和适应动态网络拓扑的空中自组织网络时间同步系统。

本发明的上述目的可以通过以下措施来得到，一种空中自组织网络时间同步系统，包括：网络拓扑覆盖范围大于600km，多个地位均等的网络节点，通过至少两个主控网络节点构建的，依据自组织网络协议与邻居节点周期性地进行时间基准消息交互的时间同步模块与无线传输模块，其特征在于：至少两路时间同步模块对应连接的无线传输模块，侦听无线信道并接收无线信号，检测时间基准消息的到达时间，并将时间基准消息的内容及其到达时间上报至时间同步模块，自适应地依据各个网络节点的时间同步状态及本地时钟信息完成时间基准消息交互，在空中自组织网络中构建多级时间同步结构；在时间基准消息交互过程中，时间同步模块根据接收到的邻居时间基准消息与数据包到达时间计算传播时延信息与时间同步信息，依据传播时延信息与时间同步信息进行时钟调整，同时周期地生成时隙中断并下发至无线传输模块，通过无线信道的无线信号进行广播发送；空中自组织网络AANET根据时间基准消息中父节点与子节点信息确定了两两网络节点之间的时间同步链接关系，任意网络节点动态选择父节点建立时间同步链接，自主地执行非时间基准源节点的时间同步状态转移规则，自适应地依据各个网络节点的时间同步状态及本地时钟信息完成时间基准消息交互，利用隙分配周期性，在粗同步状态下选择短帧数据包进行数据传输，并采用双倍的传播保护时间来避免时间同步误差的影响，在精同步状态或守时状态下选择长帧数据包进行数据传输并依靠较高的时间同步精度来缩短传播保护时间以提高传输效率。

从上述技术方案可以看出，本发明提出的空中自组织网络的时间同步系统，相比于现有技术，具有如下有益效果。

动态拓扑变化快。本发明采用网络拓扑覆盖范围大于600km，多个地位均等的网络节点，通过至少两个主控网络节点构建的，依据自组织网络协议与邻居节点周期性地进行时间基准消息交互的时间同步模块与无线传输模块，无线传输模块侦听无线信道并接收无线信号，检测时间基准消息的到达时间，并将时间基准消息的内容及其到达时间上报至时间同步模块；通过时间同步模块自适应地依据各个网络节点的时间同步状态及本地时钟信息完成时间基准消息交互，能较好地适应高动态拓扑变化。在空中自组织网络中构建多级时间同步结构，通过具备动态选择父节点建立时间同步链接能力，适应任意网络节点的动态拓扑变化。与现有技术相比，能够更有效地处理空中自组织网络的高动态拓扑变化问题。

具有更低的时间同步开销。本发明在时间基准消息交互过程中，时间同步模块根据接收到的邻居时间基准消息，计算传播时延信息与时间同步信息，依据数据包到达时间及传播时延信息进行时钟调整，同时周期地生成时隙中断并下发至无线传输模块，通过无线信道的无线信号进行广播发送；利用空中自组织网络的时隙分配周期性来进行时间基准消息交互，有效地减少了时间戳信息的携带次数，降低了时间同步开销。相比于现有技术具有更低的时间同步开销。

具有良好可拓展性。本发明基于时间同步协议的多级时间同步结构展开，根据时间基准消息中父节点与子节点信息确定了两两网络节点之间的时间同步链接关系，任意网络节点动态选择父节点建立时间同步链接，自主地执行非时间基准源节点的时间同步状态转移规则，自适应地依据各个网络节点的时间同步状态及本地时钟信息完成时间基准消息交互，由各个网络节点自主地执行时间同步状态转移规则，并有效地利用空中自组织网络的时隙分配的周期性进行时间基准消息交互，使得时间同步协议在空中自组织网络中以分布式的方式运行，具有很好的可拓展性。任意网络节点的入网或退网仅影响局部网络的时间同步链接关系。与现有技术相比具有更好的可拓展性。

能有效应对无线信道的不确定性。本发明在常规的长帧数据包基础上，为粗同步状态的网络节点设计了短帧数据包，允许此类网络节点具有较高的时间同步误差。利用AANET网络的时隙分配周期性，在粗同步状态下选择短帧数据包进行数据传输，并采用双倍的传播保护时间来避免时间同步误差的影响，在精同步状态或守时状态下选择长帧数据包进行数据传输并依靠较高的时间同步精度来缩短传播保护时间以提高传输效率。通过定义了未同步状态、粗同步状态、精同步状态和时钟守时状态，以及四种时间同步状态之间的状态转移规则，使得时间同步协议能够有效地处理无线信道导致的断链等问题。相比于现有技术能够更有效地应对空中自组织网络的无线信道不确定性。

附图说明

图1是本发明空中自组织网络时间同步系统示意图；

图2是本发明非时间基准源节点的时间同步状态转移规则流程图；

图3是本发明时间基准消息交互过程的实施例示意图。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的优选实施例中，一种空中自组织网络时间同步系统，包括：网络拓扑覆盖范围大于600km，多个地位均等的网络节点，通过至少两个主控网络节点构建的，依据自组织网络协议与邻居节点周期性地进行时间基准消息交互的时间同步模块与无线传输模块，其中：至少两路时间同步模块对应连接的无线传输模块，侦听无线信道并接收无线信号，检测时间基准消息的到达时间，并将时间基准消息的内容及其到达时间上报至时间同步模块，自适应地依据各个网络节点的时间同步状态及本地时钟信息完成时间基准消息交互，在空中自组织网络中构建多级时间同步结构；在时间基准消息交互过程中，时间同步模块根据接收到的邻居时间基准消息，计算传播时延信息与时间同步信息，依据数据包到达时间及传播时延信息进行时钟调整，同时周期地生成时隙中断并下发至无线传输模块，通过无线信道的无线信号进行广播发送；AANET网络根据时间基准消息中父节点与子节点信息确定了两两网络节点之间的时间同步链接关系，任意网络节点动态选择父节点建立时间同步链接，自主地执行非时间基准源节点的时间同步状态转移规则，自适应地依据各个网络节点的时间同步状态及本地时钟信息完成时间基准消息交互，利用AANET网络的时隙分配周期性，在粗同步状态下选择短帧数据包进行数据传输，并采用双倍的传播保护时间来避免时间同步误差的影响，在精同步状态或守时状态下选择长帧数据包进行数据传输并依靠较高的时间同步精度来缩短传播保护时间以提高传输效率。

在空中自组织网络AANET中，自组织网络包含网络拓扑覆盖范围大于600km的A、B、C、D、E、F等多个地位均等的网络节点，每个网络节点拥有时间同步模块和无线传输模块，依据自组织网络协议与邻居节点周期性地进行时间基准消息交互。

时间同步模块包括：邻居时间基准消息处理单元、本地时间基准消息生成单元和本地时钟动态调整单元，邻居时间基准消息处理单元处理接收到的邻居时间基准消息，完成邻居节点的时间基准消息处理后，计算传播时延信息与时间同步信息，将时间同步信息发送至本地时间基准消息生成单元，并将数据包到达时间及传播时延信息发送至本地时钟动态调整单元；本地时钟动态调整单元依据数据包到达时间及传播时延信息进行时钟调整，并将时间调整信息发送至本地时间基准消息生成单元，同时周期地生成时隙中断并下发至无线传输模块。

无线传输模块包括：无线接收单元和向无线信道发送无线信号的无线发送单元，无线接收单元接收无线信道无线信号，检测时间基准消息的到达时间，向邻居时间基准消息处理单元发送时间基准消息、到达时间信息；邻居时间基准消息处理单元完成邻居节点的时间基准消息处理后，计算传播时延信息与时间同步信息，将数据包到达时间及传播时延信息发送至本地时钟动态调整单元，并将时间同步信息发送至本地时间基准消息生成单元；本地时钟动态调整单元依据数据包到达时间及传播时延信息进行时钟调整，并将时间调整信息发送至本地时间基准消息生成单元，同时周期地生成时隙中断并下发至无线传输模块；本地时间基准消息生成单元依据时间同步信息与时间调整信息生成时间基准消息，并将时间基准消息下发至无线发送单元，将该时间基准消息通过无线信道的无线信号进行广播发送。

在时间同步链接关系中，任意网络节点依据本节点与动态选择的父节点之间的时间基准消息交互情况，按照时间同步状态转移规则自适应地决策本节点在时间同步运行过程中为未同步状态、粗同步状态、精同步状态或时钟守时状态。未同步状态的网络节点通过动态选择时间同步父节点，接收父节点时间基准消息，执行时间粗同步调整后达到粗同步状态；粗同步状态的网络节点通过与父节点至少完成一次时间基准消息交互，由父节点利用空中自组织网络的时隙周期性以及时间基准消息的到达时间等信息估算父节点与子节点之间的传播时延，随后该网络节点依据父节点提供的传播时延信息执行时间精同步调整后达到精同步状态；精同步状态的网络节点通过与父节点周期地交互时间基准消息来保持时间精同步精度并实时更新本节点的时间基准消息；同时，精同步状态的网络节点在短暂丢失父节点的情况下，转至时钟守时状态，依据其时间同步质量将逐渐下降的情况，重新与任意父节点建立时间同步链接。

在时间基准消息交互过程中，任意网络节点利用空中自组织网络的时隙分配周期性，在粗同步状态下选择短帧数据包进行数据传输，并采用双倍的传播保护时间来避免时间同步误差的影响，在精同步状态或守时状态下选择长帧数据包进行数据传输，依靠较高的时间同步精度来缩短传播保护时间以提高传输效率，同时构建在名称域包含时隙号、时间基准源、时间同步状态、时间质量等级、帧周期号、时隙号、父节点ID、本节点已校正误差、子节点个数L，以及从子节点1至子节点L的节点ID和传播时延的时间基准消息表。

时间基准消息中，时隙号的内容为本节点占用的时隙在帧周期内的帧周期索引号，时间基准源的内容为空中自组织网络的时间基准源节点ID，时间同步状态的内容为本节点的时间同步状态，时间同步状态包含未同步、粗同步、精同步和时钟守时四种状态，以及时间质量等级描述本节点在时间同步下的时间质量；帧周期索引号号和时隙号的内容分别为本节点发送此时间基准消息时的帧周期索引号和时隙索引号；父节点ID的内容为本节点依据时间同步方法选择的父节点ID，用于建立时间同步链接；本节点时钟调整偏差填写记录的本节点时钟调整偏差Ei，用于估算传播时延；子节点个数L的内容为已与本节建立时间同步链接的子节点个数，随后依次填写子节点1的节点ID及本节点计算的本节点与子节点1的传播时延，直至填写子节点L的节点ID及本节点计算的本节点与子节点L的传播时延。

表1时间基准消息构成

名称	内容
		时隙号	本节点占用的时隙在帧周期内的索引号
时间基准源	空中自组织网络的时间基准源节点ID
		时间同步状态	本节点的时间同步状态，包含未同步、粗同步、精同步和时钟守时四种状态
时间质量等级	描述本节点在时间同步下的时间质量
		帧周期号索引号	本节点发送此时间基准消息时的帧周期索引号
时隙号索引号	本节点发送此时间基准消息时的时隙索引号
		父节点ID	本节点依据时间同步方法选择的父节点ID，用于建立时间同步链接
本节点时钟调整偏差	填写记录的本节点时钟调整偏差Ei，用于估算传播时延
		子节点个数(L)	已与本节建立时间同步链接的子节点个数
子节点1的ID	子节点1的节点ID
		子节点1的传播时延	本节点计算的本节点与子节点1的传播时延
....
		子节点L的ID	子节点L的节点ID
子节点L的传播时延	本节点计算的本节点与子节点L的传播时延

。

参阅图2。为避免处于未同步状态的节点由于初始入网或者长期丢失父节点而处于时钟失步状态，在非时间基准源节点的时间同步状态转移规则中，非时间基准源节点开机完成初始化加载后转入未同步状态201，将网络节点初始为未同步状态，然后转入侦听网络202，利用网络节点持续侦听网络并获取邻居节点的时间基准消息，网络节点依据侦听网络202的无线信号，判断本节点是否获取到任意已精同步邻居节点的时间基准消息203，若暂未收到任何已精同步邻居节点的时间基准消息，则本节点持续侦听网络202并获取时间基准消息；若本节点获取到已精同步节点的时间基准消息，则将本节点转入粗同步状态204，使处于粗同步状态204的网络节点允许发送时间基准消息，周期地发送短帧消息205并侦听父节点的时间基准消息，转入分析信息交互结果，判断是否已与父节点完成时间基准信息交互206，若处于粗同步状态的网络节点暂未与父节点完成时间基准信息交互，则继续周期地发送短帧时间基准消息205并侦听父节点的时间基准消息，如果处于粗同步状态的网络节点已与父节点完成时间基准信息交互，转入精同步状态207；精同步状态的网络节点周期发送长帧时间基准消息208，以保持时间同步精度，并判断与父节点的时间同步链接是否发送断链情况209，若处于精同步状态的网络节点与父节点的时间同步链接保持稳定，则返回网络节点发送时间基准消息208，持续发送时间基准消息，如果网络节点与父节点的时间同步链接发生断链，则转入时钟守时状态210，使处于时钟守时状态的网络节点周期地发送时间基准消息来寻找新的父节点，然后发送时间基准消息，处于时钟守时状态的网络节点周期性地发送长帧消息211，并在指定时间滑窗内查找具有更高时间质量的父节点；转入判断与新父节点的建链结果212；若处于时钟守时状态的网络节点发现新父节点并建立时间同步链接，则返回精同步状态207，如果处于时钟守时状态的网络节点未发现新父节点，则转入判断时钟守时状态的时间滑窗213是否结束；若处于时钟守时状态的网络节点的时钟守时状态的滑窗时间未结束，则返回周期地发送长帧消息211发送时间基准消息，如果处于时钟守时状态的网络节点的时钟守时状态的滑窗时间已结束，则返回未同步状态201，直到完成粗同步、精同步和滑窗时间已结束。

参阅图3。在可选的实施例中，自组织网络中包含至少6个网络节点，每个网络节点在每个帧周期内固定地占用一个指定的时隙，每个帧周期内的第1～6个时隙依次为节点A、B、C、D、E、F的时隙。

在时间基准消息交互过程中，已精同步的节点D的无线发送单元，在第n#帧周期的D号时隙发送包含有时间基准消息、网络控制消息、数据业务消息的长帧数据包，长帧数据包留有传播保护时间t＝d/c，其中，d表示空中自组织网络的最大通信距离c，且c＝3×10⁸m/s，该长帧数据包经过P1us的传播时延后到达节点A，转入传播时延由节点A进行数据接收处理，节点A的无线接收单元收到节点D的长帧数据包后，进行数据包到达时间检测，上报邻居时间基准消息处理单元，选择已精同步的节点D作为时间同步的父节点，并由本地时钟动态调整单元执行时间粗同步调整，以节点D的长帧数据包到达时刻作为第n#帧周期的D号时隙的起始时刻，节点A从未同步状态转至粗同步状态，生成短帧数据包的时间基准消息。

节点A的本地时间基准消息生成单元依据时间同步信息与时间调整信息按照时间基准消息构成表1生成本节点的时间基准消息，并将时间基准消息下发至无线发送单元，在第n+1#帧周期的A号时隙内，以节点A的时钟对应的时隙起始时刻发送仅含有时间基准消息和网络控制消息，并留有2*t的传播保护时间的短帧数据包，该短帧数据包经过P2us的传播时延后到达节点D处，由节点D进行数据接收处理；节点D的无线接收单元收到节点A的短帧数据包后，进行数据包到达时间检测，上报邻居时间基准消息处理单元；邻居时间基准消息处理单元接纳节点A作为时间同步子节点，估算节点D与节点A之间的传播时延，并将时间同步信息上报至本地时间基准消息生成单元，生成时间基准消息。

已精同步的节点D的本地时间基准消息生成单元依据时间同步信息和时间调整信息生成时间基准消息，携带节点D估算的节点D与节点A之间的传播时延，并将时间基准消息下发至无线发送单元；无线发送单元在第n+1#帧周期的D号时隙发送长帧数据包，该长帧数据包经过P3us的传播时延后到达节点A处，由节点A进行数据接收处理。

节点A的无线接收单元收到节点D的长帧数据包后，进行数据包到达时间检测，上报邻居时间基准消息处理单元，从节点D的长帧数据包中提取节点D与节点A之间的传播时延信息，并将数据包到达时间及传播时延信息发送至本地时钟动态调整单元，执行时间精同步调整，节点A从粗同步状态转至精同步状态，生成时间基准消息；节点A的本地时间基准消息生成单元依据时间同步信息与时间调整信息按照时间基准消息构成表1生成本节点的时间基准消息，并将时间基准消息下发至无线发送单元；节点A的无线发送单元在第n+1#帧周期的A号时隙内以节点A的时钟对应的时隙起始时刻发送长帧数据包，该长帧数据包经过P4us的传播时延后到达节点D处，节点D进行数据接收处理；节点D的无线接收单元收到节点A的长帧数据包后，进行数据包到达时间检测，上报邻居时间基准消息处理单元；邻居时间基准消息处理单元检测到节点A为节点D的时间同步子节点，估算节点D与节点A之间的传播时延，并将时间同步信息上报至本地时间基准消息生成单元，生成时间基准消息。

已精同步的节点D的本地时间基准消息生成单元依据时间同步信息和时间调整信息生成时间基准消息，携带节点D估算的节点D与节点A之间的传播时延，并将时间基准消息下发至无线发送单元，在第n+2#帧周期的D号时隙发送长帧数据包，该长帧数据包经过P5us的传播时延后到达节点A处，转入由节点A进行数据接收处理。

节点A的无线接收单元收到节点D的长帧数据包后，进行数据包到达时间检测，上报邻居时间基准消息处理单元，从节点D的长帧数据包中提取节点D与节点A之间的传播时延信息，并将数据包到达时间及传播时延信息发送至本地时钟动态调整单元，执行时间精同步调整，完成第n+2#帧周期的精同步精度维护。

根据时间粗同步调整规则，邻居时间基准消息处理单元依据本地时钟记录节点D的长帧数据包的到达时间，从节点D的长帧数据包中提取节点D发送该数据包时的帧周期号和时隙号，以及网络时间基准源节点ID，并上报至本地时钟动态调整单元；本地时钟动态调整单元计算该帧周期号和时隙号唯一对应的时隙的起始时刻，并决策时钟粗同步调整偏差＝该时隙的起始时刻-节点D的长帧数据包的到达时刻。

本地时钟动态调整单元依据时钟粗同步调整偏差更新本地时钟：若时钟粗同步调整偏差为正值，则将时钟往前调整等于时钟粗同步调整偏差的时间，若时钟粗同步调整偏差为负值，则将时钟往后调整等于时钟粗同步调整偏差的绝对值的时间；若时钟粗同步调整偏差为零，本地时钟动态调整单元不进行时钟调整；本地时钟动态调整单元记录本节点的时钟调整偏差Ei等于零，记录本节点时间质量等级为最差时间质量等级，并将时间调整信息上报至本地时间基准消息生成单元。

根据时间精同步调整规则，邻居时间基准消息处理单元依据本地时钟记录节点D的长帧数据包的到达时间，从节点D的长帧数据包中提取节点D发送该数据包时的帧周期号和时隙号，以及节点D估算的节点D和节点A之间的传播时延，并上报至本地时钟动态调整单元，计算上述帧周期号和时隙号唯一对应的时隙的起始时刻，并决策时钟精同步调整偏差＝该时隙的起始时刻+节点D和节点A之间的传播时延-节点D的长帧数据包的到达时刻。

本地时钟动态调整单元依据时钟精同步调整偏差更新本地时钟，若时钟精同步调整偏差为正值，则将时钟往前调整等于时钟精同步调整偏差的时间，若时钟精同步调整偏差为负值，则将时钟往后调整等于时钟精同步调整偏差的绝对值的时间，若时钟精同步调整偏差为零，则不进行时钟调整。

以上所述为本发明较佳实施例，应该注意的是上述实施例对本发明进行说明，然而本发明并不局限于此，并且本领域技术人员在脱离所附权利要求的范围情况下可设计出替换实施例。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种空中自组织网络时间同步系统，包括：网络拓扑覆盖范围大于600km，多个地位均等的网络节点，通过至少两个主控网络节点构建的，依据自组织网络协议与邻居节点周期性地进行时间基准消息交互的时间同步模块与无线传输模块，其特征在于：

至少两路时间同步模块对应连接的无线传输模块，侦听无线信道并接收无线信号，检测时间基准消息的到达时间，并将时间基准消息的内容及其到达时间上报至时间同步模块；时间同步模块依据各个网络节点的时间同步状态及本地时钟信息，当收到已精同步节点的时间基准消息时选择该已精同步节点为父节点，向该父节点发送数据包并侦听父节点的时间基准消息，完成时间基准消息交互，在空中自组织网络中构建多级时间同步结构；

在时间基准消息交互过程中，时间同步模块根据接收到的邻居时间基准消息与数据包到达时间计算传播时延信息与时间同步信息，并依据传播时延信息与时间同步信息进行时钟调整，同时周期地生成时隙中断并下发至无线传输模块，通过无线信道的无线信号进行广播发送；空中自组织网络AANET根据时间基准消息中父节点与子节点信息确定了两两网络节点之间的时间同步链接关系，在AANET网络中形成多级时间同步的拓扑结构；在时间同步链接关系中，非时间基准源节点初始为未同步状态，侦听网络的无线信号直至获取到任意已精同步邻居节点的时间基准消息转入粗同步状态，选择该已精同步邻居节点作为父节点建立时间同步链接；粗同步状态的非时间基准源节点利用短帧数据包进行数据传输，并采用双倍的传播保护时间来避免时间同步误差的影响，与该父节点进行时间基准消息交互，根据该父节点的时间基准消息到达时刻及消息中携带的传播时延信息决策时钟精同步调整偏差等于该时隙的起始时刻加上传播时延并减去消息到达时刻，调整本地时钟并转入精同步状态；精同步状态下的非时间基准源节点利用长帧数据包进行数据传输，依靠较高的时间同步精度来缩短传播保护时间，在与父节点的时间同步链接稳定的情况下保持精同步状态；当精同步状态下的非时间基准源节点与父节点的时间同步链接发生断链时，转入时钟守时状态并设置时钟守时状态的时间滑窗，通过周期发送长帧数据包寻找新父节点，若在时间滑窗时间内发现新父节点并建立时间同步链接则返回精同步状态，否则返回未同步状态。

2.如权利要求1所述的空中自组织网络时间同步系统，其特征在于：在空中自组织网络AANET中，自组织网络包含网络拓扑覆盖范围大于600km的至少A、B、C、D、E、F的多个地位均等的网络节点，每个网络节点拥有时间同步模块和无线传输模块，时间同步模块与无线传输模块依据自组织网络协议与邻居节点周期性地进行时间基准消息交互。

3.如权利要求1或2所述的空中自组织网络时间同步系统，其特征在于：时间同步模块包括：邻居时间基准消息处理单元、本地时间基准消息生成单元和本地时钟动态调整单元，邻居时间基准消息处理单元处理接收到的邻居时间基准消息，完成邻居节点的时间基准消息处理后，计算传播时延信息与时间同步信息，将时间同步信息发送至本地时间基准消息生成单元，并将数据包到达时间及传播时延信息发送至本地时钟动态调整单元；本地时钟动态调整单元依据数据包到达时间及传播时延信息进行时钟调整，并将时间调整信息发送至本地时间基准消息生成单元，同时周期地生成时隙中断并下发至无线传输模块。

4.如权利要求2所述的空中自组织网络时间同步系统，其特征在于：无线传输模块包括：无线接收单元和向无线信道发送无线信号的无线发送单元，无线接收单元接收无线信道无线信号，检测时间基准消息的到达时间，向邻居时间基准消息处理单元发送时间基准消息、到达时间信息；邻居时间基准消息处理单元完成邻居节点的时间基准消息处理后，计算传播时延信息与时间同步信息，将数据包到达时间及传播时延信息发送至本地时钟动态调整单元，并将时间同步信息发送至本地时间基准消息生成单元；本地时钟动态调整单元依据数据包到达时间及传播时延信息进行时钟调整，并将时间调整信息发送至本地时间基准消息生成单元，同时周期地生成时隙中断并下发至无线传输模块；本地时间基准消息生成单元依据时间同步信息与时间调整信息生成时间基准消息，并将时间基准消息下发至无线发送单元，将该时间基准消息通过无线信道的无线信号进行广播发送。

5.如权利要求1所述的空中自组织网络时间同步系统，其特征在于：在时间同步链接关系中，任意网络节点依据本节点与动态选择的父节点之间的时间基准消息交互情况，按照时间同步状态转移规则自适应地决策本节点在时间同步运行过程中为未同步状态、粗同步状态、精同步状态或时钟守时状态；未同步状态的网络节点通过动态选择时间同步父节点，接收父节点时间基准消息，执行时间粗同步调整后达到粗同步状态；粗同步状态的网络节点通过与父节点至少完成一次时间基准消息交互，由父节点利用空中自组织网络的时隙周期性以及时间基准消息的到达时间等信息估算父节点与子节点之间的传播时延，随后该网络节点依据父节点提供的传播时延信息执行时间精同步调整后达到精同步状态。

6.如权利要求1所述的空中自组织网络时间同步系统，其特征在于：精同步状态的网络节点通过与父节点周期地交互时间基准消息来保持时间精同步精度并实时更新本节点的时间基准消息；同时，精同步状态的网络节点在短暂丢失父节点的情况下，转至时钟守时状态，依据其时间同步质量将逐渐下降的情况，重新与任意父节点建立时间同步链接。

7.如权利要求1所述的空中自组织网络时间同步系统，其特征在于：在时间基准消息交互过程中，任意网络节点利用空中自组织网络的时隙分配周期性，在粗同步状态下选择短帧数据包进行数据传输，并采用双倍的传播保护时间来避免时间同步误差的影响，在精同步状态或守时状态下选择长帧数据包进行数据传输，依靠较高的时间同步精度来缩短传播保护时间以提高传输效率，同时构建在名称域包含时隙号、时间基准源、时间同步状态、时间质量等级、帧周期号、时隙号、父节点ID、本节点已校正误差、子节点个数L，以及从子节点1至子节点L的节点ID和传播时延的时间基准消息表。

8.如权利要求1所述的空中自组织网络时间同步系统，其特征在于：在非时间基准源节点的时间同步状态转移规则中，非时间基准源节点开机完成初始化加载后转入未同步状态，将网络节点初始为未同步状态，然后转入侦听网络，利用网络节点持续侦听网络并获取邻居节点的时间基准消息，网络节点依据侦听网络的无线信号，判断本节点是否获取到任意已精同步邻居节点的时间基准消息，若暂未收到任何已精同步邻居节点的时间基准消息，则本节点持续侦听网络并获取时间基准消息；若本节点获取到已精同步节点的时间基准消息，则将本节点转入粗同步状态，使处于粗同步状态的网络节点允许发送时间基准消息，周期地发送短帧消息并侦听父节点的时间基准消息，转入分析信息交互结果，判断是否已与父节点完成时间基准信息交互，若处于粗同步状态的网络节点暂未与父节点完成时间基准信息交互，则继续周期地发送短帧时间基准消息并侦听父节点的时间基准消息，如果处于粗同步状态的网络节点已与父节点完成时间基准信息交互，转入精同步状态；精同步状态的网络节点周期发送长帧时间基准消息，以保持时间同步精度，并判断与父节点的时间同步链接是否发送断链情况，若处于精同步状态的网络节点与父节点的时间同步链接保持稳定，则返回网络节点发送时间基准消息，持续发送时间基准消息，如果网络节点与父节点的时间同步链接发生断链，则转入时钟守时状态，使处于时钟守时状态的网络节点周期地发送时间基准消息来寻找新的父节点，然后发送时间基准消息，处于时钟守时状态的网络节点周期性地发送长帧消息，并在指定时间滑窗内查找具有更高时间质量的父节点；转入判断与新父节点的建链结果；若处于时钟守时状态的网络节点发现新父节点并建立时间同步链接，则返回精同步状态，如果处于时钟守时状态的网络节点未发现新父节点，则转入判断时钟守时状态的时间滑窗，是否结束；若处于时钟守时状态的网络节点的时钟守时状态的滑窗时间未结束，则返回周期地发送长帧消息发送时间基准消息，如果处于时钟守时状态的网络节点的时钟守时状态的滑窗时间已结束，则返回未同步状态，直到完成粗同步、精同步和滑窗时间已结束。

9.如权利要求1所述的空中自组织网络时间同步系统，其特征在于：在时间基准消息交互过程中，已精同步的节点D的无线发送单元，在第n#帧周期的D号时隙发送包含有时间基准消息、网络控制消息、数据业务消息的长帧数据包，长帧数据包留有传播保护时间t=d/c，其中，d表示空中自组织网络的最大通信距离，且c=3×10⁸m/s，该长帧数据包经过P1us的传播时延后到达节点A，转入传播时延由节点A进行数据接收处理，节点A的无线接收单元收到节点D的长帧数据包后，进行数据包到达时间检测，上报邻居时间基准消息处理单元，选择已精同步的节点D作为时间同步的父节点，并由本地时钟动态调整单元执行时间粗同步调整，以节点D的长帧数据包到达时刻作为第n#帧周期的D号时隙的起始时刻，节点A从未同步状态转至粗同步状态，生成短帧数据包的时间基准消息。

10.如权利要求9所述的空中自组织网络时间同步系统，其特征在于：节点A的本地时间基准消息生成单元依据时间同步信息与时间调整信息按照时间基准消息构成表1生成本节点的时间基准消息，并将时间基准消息下发至无线发送单元，在第n+1#帧周期的A号时隙内，以节点A的时钟对应的时隙起始时刻发送仅含有时间基准消息和网络控制消息，并留有2*t的传播保护时间的短帧数据包，该短帧数据包经过P2us的传播时延后到达节点D处，由节点D进行数据接收处理；节点D的无线接收单元收到节点A的短帧数据包后，进行数据包到达时间检测，上报邻居时间基准消息处理单元；邻居时间基准消息处理单元接纳节点A作为时间同步子节点，估算节点D与节点A之间的传播时延，并将时间同步信息上报至本地时间基准消息生成单元，生成时间基准消息。

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