CN111934809A

CN111934809A - 分布式无线信息系统的节点时间质量检测方法及装置

Info

Publication number: CN111934809A
Application number: CN202010991953.4A
Authority: CN
Inventors: 王正海; 王玉皞; 杨鼎成; 周辉林
Original assignee: Nanchang University
Current assignee: Nanchang University
Priority date: 2020-09-21
Filing date: 2020-09-21
Publication date: 2020-11-13
Anticipated expiration: 2040-09-21
Also published as: CN111934809B

Abstract

一种分布式无线信息系统的节点时间质量检测方法及装置，该方法包括：从当前接收节点译码输出的比特序列中提取发射节点识别码；确定当前帧通信信号的发射节点位置；确定通信信号达到时间为当前帧通信信号到达所述当前接收节点的时间，得到通信信号达到时间；将所述发射节点识别码对应的发射节点和所述发射节点位置进行配对，计算所述发射节点的发射通信信号达到当前节点的理论时间；将发射节点和通信信号达到时间进行配对，并将配对成功的通信信号达到时间确定为发射节点的发射通信信号到达所述当前接收节点的实际时间；根据所有配对成功的理论时间和实际时间融合得出当前节点的时间误差参数，根据时间误差参数确定当前节点的节点时间质量。

Description

分布式无线信息系统的节点时间质量检测方法及装置

技术领域

本发明涉及分布式无线信息系统技术领域，特别是涉及一种分布式无线信息系统的节点时间质量检测方法及装置。

背景技术

在空天地一体化异构网络、战术信息网络、物联网、宽带无线通信网、卫星通信网、观测监视情报网、车联网等各类军民用分布式无线信息系统中，节点间的时间同步用于在异构系统的节点间建立起统一的时间基准，这是应用-管控-数据-资源-信号协同的核心基础，是各类分布式无线信息系统安全运行和发挥效能的关键因素。

在当前的分布式无线信息系统中，各个节点用高精度时钟源提供的本地参考时钟进行计。但站在整个分布式系统层级，各节点的参考时钟具有不同源和不同步的特征，比如，高精度恒温晶振是最常用的高精度时钟源，以频率准确度等于0.01ppm的高精度恒温晶振为例，在规定的温度范围内，该晶振的输出频率与晶振频标的差距是一亿分之一。对于常见的10MHz参考时钟输出，各个节点参考时钟的频率偏差为0.1Hz。除了频标的固定偏差外，还有温漂、相位抖动、振动等影响节点间同步计时的非理想因素，因此，需对节点不同的计时结果进行周期性的监督校正和维护，以维持网络节点间的时间同步。

无线通信系统时间传递信号的分发需要节点时间质量去触发，也就是节点需评价节点本地的时间质量，在时间质量恶化到一定的阈值后，向分布式无线信息系统中高时间质量的节点发起校时请求，高时间质量的节点响应校时请求，从而完成双向时间传递。

在此过程中，分布式无线信息系统中的节点需评价节点本地的时间质量，评价方法主要是对比晶振计时信号和卫星导航输出秒脉冲之间的误差，将该误差值作为时间质量。在复杂的电磁环境中，卫星导航易被干扰和攻击，导致秒脉冲性能恶化甚至是长时间丢失，这会导致分布式无线信息系统节点时间质量评价缺乏参考，导致时间质量评价机制失效，引起网络同步失败，致使无线信息系统瘫痪。

发明内容

鉴于上述状况，有必要针对现有技术中时间质量评价机制失效的问题，提供一种分布式无线信息系统的节点时间质量检测方法及装置。

一种分布式无线信息系统的节点时间质量检测方法，包括：

从当前接收节点译码输出的比特序列中，提取所述当前接收节点获取的当前帧消息中所含的发射节点识别码；

采用无线电定位算法对接收到的通信信号进行处理，得到当前帧通信信号的发射节点位置；

采用信号达到时间检测算法对接收到的通信信号进行处理，以确定通信信号达到时间为当前帧通信信号到达所述当前接收节点的时间，得到通信信号达到时间；

将所述发射节点识别码对应的发射节点和所述发射节点位置进行配对，以确定所述发射节点位置，并计算所述发射节点的发射通信信号达到当前节点的理论时间；

将所述发射节点和所述通信信号达到时间进行配对，并将配对成功的通信信号达到时间确定为所述发射节点的发射通信信号到达所述当前接收节点的实际时间；

对所述理论时间和所述实际时间进行融合计算，得出所述当前节点的时间误差参数，根据所述时间误差参数确定所述当前节点的节点时间质量。

进一步的，上述节点时间质量检测方法，其中，所述从当前接收节点译码输出的比特序列中，提取所述当前接收节点获取的当前帧消息中所含的发射节点识别码的步骤包括：

从当前接收节点译码输出的比特序列中，提取预定字段的比特序列，作为当前节点获取的当前帧消息中所含的发射节点识别码。

进一步的，上述节点时间质量检测方法，其中，所述计算所述发射节点的发射通信信号达到当前节点的理论时间的步骤包括：

将所述发射节点和所述当前帧通信信号的发射节点位置进行配对，并将配对成功的发射节点位置作为所述发射节点位置；

计算所述发射节点位置与所述当前节点的位置的距离，并将计算得到的距离除以光速，得到所述发射节点到所述当前节点的传播延迟；

将所述发射节点的发射时间减去所述传播延迟，得所述发射节点的发射通信信号达到当前节点的理论时间。

进一步的，上述节点时间质量检测方法，其中，所述将所述发射节点识别码对应的发射节点和所述发射节点位置进行配对的步骤包括：

当在预设时间范围内，只获得一个发射节点识别码和一个发射节点位置，则确定所述发射节点和所述发射节点位置配对成功；

当在预设时间范围内获得了多个发射节点识别码和多个发射节点位置时，将各个发射节点识别码的获取时间分别减去各个所述发射节点位置的获取时间，得到对应的时间偏差，并统计处在预设范围内的目标时间偏差；

当所述目标时间偏差的数量为1时，则确定得到所述目标时间偏差对应的所述发射节点和所述发射节点位置配对成功；

当所述目标时间偏差的数量大于1时，判断当前目标时间偏差所对应的两个原始接收信号的信号特征是否吻合，若吻合，则确定得到所述当前目标时间偏差所对应的所述发射节点和所述发射节点位置配对成功。

进一步的，上述节点时间质量检测方法，其中，所述将所述发射节点和所述通信信号达到时间进行配对的步骤包括：

当在预设时间范围内，只检测到一个发射节点识别码和一个通信信号达到时间，则所述发射节点和所述通信信号达到时间配对成功；

当在所述预设时间范围内获得多个发射节点识别码和多个通信信号达到时间时，用各个所述发射节点识别码的获取时间分别减去各个所述通信信号达到时间的获取时间，得到时间偏差，并统计处在预设范围内的目标时间偏差；

当所述目标时间偏差的数量为1时，则确定得到所述目标时间偏差所对应的所述发射节点和所述通信信号达到时间配对成功；

当所述目标时间偏差的数量大于1时，判断当前目标时间偏差所对应的两个原始接收信号的信号特征是否吻合，若吻合，则确定得到所述当前目标时间偏差所对应的所述发射节点与所述通信信号达到时间配对成功。

进一步的，上述节点时间质量检测方法，其中，所述对所述理论时间和所述实际时间进行融合计算，得出所述当前节点的时间误差参数的步骤包括：

计算所述理论时间和所述实际时间之间的节点时间误差的均值，计算公式如下：

并计算节点时间误差的方差，计算公式如下：

其中，

表示所有配对成功的节点数量，

和

分别表示配对成功的节点

发射通信信号到达本节点的理论时间和实际时间，

表示本接收节点时间误差的标准差。

进一步的，上述节点时间质量检测方法，其中，所述根据所述时间误差参数确定所述当前节点的节点时间质量的步骤包括：

判断所述标准差

所处的分段时间误差范围，若

，则

，

其中，

和

表示第

个预定义分段时间误差范围，

表示正整数，

表示节点时间质量指示。

本发明实施例还提供了一种分布式无线信息系统的节点时间质量检测装置，包括：

通信发射节点识别码提取模块，用于从当前接收节点译码输出的比特序列中，提取所述当前接收节点获取的当前帧消息中所含的发射节点识别码；

通信发射节点位置解算模块，用于采用无线电定位算法对接收到的通信信号进行处理，得到当前帧通信信号的发射节点位置；

通信帧达到时间解算模块，用于采用信号达到时间检测算法对接收到的通信信号进行处理，以确定通信信号达到时间为当前帧通信信号到达所述当前接收节点的时间，得到通信信号达到时间；

节点发射通信信号的理论到达时间解算模块，用于将所述发射节点识别码对应的发射节点和所述发射节点位置进行配对，以确定所述发射节点位置，并计算所述发射节点的发射通信信号达到当前节点的理论时间；

节点发射通信信号实际到达时间估计模块，用于将所述发射节点和所述通信信号达到时间进行配对，并将配对成功的通信信号达到时间确定为所述发射节点的发射通信信号到达所述当前接收节点的实际时间；

节点时间融合模块，用于对所述理论时间和所述实际时间进行融合计算，得出所述当前节点的时间误差参数；

节点时间质量检测模块，用于根据所述时间误差参数确定所述当前节点的节点时间质量。

本发明实施例可以在数据通信的过程中，利用系统内部分布式节点发射的无线通信信号即可完成节点时间质量分布式评价，显著降低分布式无线信息系统对卫导授时的依赖，可以提高分布式无线信息系统的稳定性和可靠性。

附图说明

图1为本发明第一实施例中的分布式无线信息系统的节点时间质量检测评价方法的流程图；

图2为无线通信帧结构的示意图；

图3为本发明第二实施例中的分布式无线信息系统的节点时间质量检测装置的结构框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

请参阅图1，为本发明第一实施例中的分布式无线信息系统的节点时间质量检测方法，包括步骤S11~S16。

步骤S11，从当前接收节点译码输出的比特序列中，提取所述当前接收节点获取的当前帧消息中所含的发射节点识别码。

如图2所述，为一种无线通信帧结构示例，其时隙长度等于10ms，包含同步段、控制段、源ID段、目的ID段、净载荷段和保护段。其中，控制段，由4比特组成；源ID段，由8比特组成；目的ID段，由8比特组成；净载荷段，由1024比特组成。

具体实施时，可从当前接收节点译码输出的比特序列中，提取第5-12比特，共8比特，作为本帧消息的发射节点识别码n，也就是消息的源节点ID号，该发射节点识别码作为识别发射节点的ID。

步骤S12，采用无线电定位算法对接收到的通信信号进行处理，得到当前帧通信信号的发射节点位置。

采用无线电定位算法，比如，交汇定位法，三角定位法，对接收到的通信信号进行定位处理，得到当前帧通信信号的发射节点位置。

步骤S13，采用信号达到时间检测算法对接收到的通信信号进行处理，以确定通信信号达到时间为当前帧通信信号到达所述当前接收节点的时间，得到通信信号达到时间。

采用信号达到时间检测算法，比如采用相关法，计算同步段的相关峰，将相关峰值与预设门限作比较，若大于门限，则记录相关峰值对应的节点时间，即为通信信号到达当前接收节点的时间。

步骤S14，将所述发射节点识别码对应的发射节点和所述发射节点位置进行配对，以确定所述发射节点位置，并计算所述发射节点的发射通信信号达到当前节点的理论时间。

首先，对当前帧消息中发射节点识别码n和本帧通信信号的发射节点位置进行配对，若配对成功，则得到发射节点n的位置；然后，将发射节点n的位置和当前节点位置带入点到点的距离公式，计算发射节点n到当前节点的距离；接着，将发射节点n到当前节点的距离除以光速，得到发射节点n到当前节点的传播延迟；最后，将该发射节点n的发射时间减去该传播延迟，得到发射节点n的通信信号达到当前节点的理论时间。

进一步的，上述步骤中，将所述发射节点与所述当前帧通信信号的发射节点位置进行配对的步骤包括：

S141，当在预设时间范围内，只获得一个发射节点识别码和一个发射节点位置，则确定所述发射节点和所述发射节点位置配对成功；

S142，当在预设时间范围内获得了多个发射节点识别码和多个发射节点位置时，将各个发射节点识别码的获取时间分别减去各个所述发射节点位置的获取时间，得到对应的时间偏差，并统计处在预设范围内的目标时间偏差；

S143，当所述目标时间偏差的数量为1时，则确定得到所述目标时间偏差对应的所述发射节点和所述发射节点位置配对成功；

S144，当所述目标时间偏差的数量大于1时，判断当前目标时间偏差所对应的两个原始接收信号的信号特征是否吻合，若吻合，则确定得到所述当前目标时间偏差所对应的所述发射节点和所述发射节点位置配对成功。

具体的，该预设时间范围例如为1s，当在1s内只获得了一个发射节点识别码n和一个发射节点位置，则发射节点n和发射节点位置自动配对成功，即可确定该发射节点n的位置。

若在1s内获得了多个发射节点识别码（如n1，n2和n3）和多个发射节点位置（D1，D2和D3）时，则需要在该多个发射节点位置中确定各个发射节点的位置。以其中一个发射节点n1的匹配为例，其需要进行如下操作：

用发射节点n1的发射节点识别码的获取时间分别减去三个发射节点位置D1，D2和D3的获取时间，得到对应的时间偏差分别为x1、x2和x3，并进一步统计处在预设范围内（比如：10毫秒）的时间偏差，如x2和x3在该预设范围内，则进一步比较所获时间偏差x2所对应的原始接收信号，并判断二者信号特征是否吻合（比如：归一化中心频率偏差低于1%），以及比较所获时间偏差x3所对应的原始接收信号，并判断二者信号特征是否吻合。若时间偏差x2所对应的原始接收信号的信号特征吻合，则说明发射节点n1与D2配对成功。

步骤S15，将所述发射节点和所述通信信号达到时间进行配对，并将配对成功的通信信号达到时间确定为所述发射节点的发射通信信号到达所述当前接收节点的实际时间。

其中，所述将所述发射节点和所述通信信号达到时间进行配对的步骤包括：

S151，当在预设时间范围内，只检测到一个发射节点识别码n和一个通信信号达到时间，则所述发射节点和所述通信信号达到时间配对成功；

S152，当在所述预设时间范围内获得多个发射节点识别码n和多个通信信号达到时间时，用各个所述发射节点识别码n的获取时间分别减去各个所述通信信号达到时间的获取时间，得到时间偏差，并统计处在预设范围内的目标时间偏差；

S153，当所述目标时间偏差的数量为1时，则确定得到所述目标时间偏差所对应的所述发射节点和所述通信信号达到时间配对成功；

S154，当所述目标时间偏差的数量大于1时，判断当前目标时间偏差所对应的两个原始接收信号的信号特征是否吻合，若吻合，则确定得到所述当前目标时间偏差所对应的所述发射节点与所述通信信号达到时间配对成功。

具体的，该预设时间例如可以设置为1s，当在1s内只检测到一个发射节点的发射节点识别码和一个通信信号达到时间时，则该发射节点和通信信号达到时间自动配对成功。

当在1s内若获得了多个发射节点识别码和多个通信信号达到时间时，用发射节点的发射节点识别码的获取时间减去通信信号达到时间的获取时间，得到时间偏差，若时间偏差处在预设范围（比如：10毫秒）内，进一步统计处在预设范围内的时间偏差数量，若数量为1个，则配对成功；若数量大于1个，则判断所获时间偏差所对应的原始接收信号的信号特征是否吻合，比如，判断信号的中心频率或达到方向是否吻合，若信号特征之间的偏差处于预定义范围内（比如：归一化中心频率偏差低于1%），则配对成功。

步骤S16，对所述理论时间和所述实际时间进行融合计算，得出所述当前节点的时间误差参数，并根据所述时间误差参数确定所述当前节点的节点时间质量。

具体的，首先计算节点时间误差的均值：

接着，计算节点时间误差的方差：

其中，

表示所有配对成功的节点数量，

和

分别表示配对成功的节点

发射通信信号到达本节点的理论时间和实际时间，

表示本接收节点时间误差的标准差。

该标准差

即为误差参数，根据该误差参数确定当前节点的节点时间质量。所述节点时间质量检测，采用预定义时间误差参数分段，对节点时间误差分布参数进行量化，得到节点时间质量指示。

比如，预定义8段时间误差范围，如下：

其中，

，

，

，

，

，

，

，

，

，

若

，则

其中，

和

表示第

个预定义分段时间误差范围，

表示正整数，

表示节点时间质量指示。

本实施例可以在数据通信的过程中，利用系统内部分布式节点发射的无线通信信号即可完成节点时间质量分布式评价，显著降低分布式无线信息系统对卫导授时的依赖，可以提高分布式无线信息系统的稳定性和可靠性。

请参阅图3，为本发明第二实施例中的分布式无线信息系统的节点时间质量检测装置，包括：

通信发射节点识别码提取模块10，用于从当前接收节点译码输出的比特序列中，提取所述当前接收节点获取的当前帧消息中所含的发射节点识别码；

通信发射节点位置解算模块20，用于采用无线电定位算法对接收到的通信信号进行处理，得到当前帧通信信号的发射节点位置；

通信帧达到时间解算模块30，用于采用信号达到时间检测算法对接收到的通信信号进行处理，以确定通信信号达到时间为当前帧通信信号到达所述当前接收节点的时间，得到通信信号达到时间；

理论到达时间解算模块40，用于将所述发射节点识别码对应的发射节点和所述发射节点位置进行配对，以确定所述发射节点位置，并计算所述发射节点的发射通信信号达到当前节点的理论时间；

实际到达时间估计模块50，用于将所述发射节点和所述通信信号达到时间进行配对，并将配对成功的通信信号达到时间确定为所述发射节点的发射通信信号到达所述当前接收节点的实际时间；

节点时间融合模块60，用于对所述理论时间和所述实际时间进行融合计算，得出所述当前节点的时间误差参数；

节点时间质量检测模块70，用于根据所述时间误差参数确定所述当前节点的节点时间质量。

其中，通信发射节点识别码提取模块10从通信接收端译码器输出的消息序列中，从预定义的字段中提取当前帧消息的发射节点识别码；同时，当前接收节点依据接收到的通信信号，通信发射节点位置解算模块20采用无线电定位算法解算得到本帧通信信号的发射位置；另外，当前接收节点依据接收到的通信信号，通信帧达到时间解算模块30通过信号达到时间检测算法，检测节点接收当前帧通信信号的到达时间；通过通信发射节点识别码与当前帧通信信号发射位置及当前帧通信信号到达时间的配对，理论到达时间解算模块40和实际到达时间估计模块50，分别获得节点的发射通信帧达到本接收节点的理论达到时间和实际达到时间；然后，在预定义时间段内，将本节点收到的所有无线信息系统分布式节点上述两个时间值，输入到节点时间融合模块60，融合得出节点当前的时间值，并输出更新的节点时间误差参数；最后，节点时间质量检测模块70对节点时间误差参数进行量化，输出节点时间质量指示。从而，在无线通信的过程中，基于无线信息系统分布式节点的发射通信帧，估计出本接收节点的时间误差，并完成节点时间质量的评价，最终达到降低分布式无线信息系统时间同步及时间质量评价对卫导授时依赖的目的。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。