CN112383379B - 无线信息系统的节点时间误差计算方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种无线信息系统的节点时间误差计算方法及装置，该方法包括：计算接收节点接收信号能量的时间，得到第一信号达到时间；获取通信帧结构中通信信号的粗同步段的时间长度，得到第一时间长度，根据第一时间长度计算信号分别达到时间检测模块和通信帧前沿之间的时间差；根据第一信号到达时间和时间差计算通信帧前沿达到接收节点的时间，得到第二信号到达时间；根据接收节点记录的帧计数计算发射节点的发射时间；依据发射节点和接收节点的运动状态，确定信号从发射节点到接收节点的传播时间；计算发射时间和所述传播时间之和，得到通信帧前沿到达接收节点的基准时间；根据第二信号到达时间和基准时间计算接收节点的时间误差。

Description

无线信息系统的节点时间误差计算方法及装置

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别是涉及一种无线信息系统的节点时间误差计算方法及装置。

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时。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。

现有的分布式无线信息系统中，主要卫星导航授时提供的秒脉冲信号监督和校正各个节点的时间误差。卫星导航授时提供的秒脉冲信号是分布式无线信息系统的外部信号，该信号以秒脉冲的形式提供世界协调时间，该信号1秒钟出现一次。从而使得节点以世界协调时为基准，计算本地的计时误差，从而在卫导秒脉冲的监督下1秒钟产生一次节点时间误差信号。

然而，在复杂的电磁环境中，卫导易被干扰和攻击，导致秒脉冲性能恶化甚至是长时间丢失，因而，引起分布式无线信息系统的节点间失去同步，造成网络性能降级甚至瘫痪，危及网络安全。如何降低分布式无线信息系统时间同步对卫导授时的依赖，以确保复杂环境中的无线网络安全运行，一直是亟需解决的难题。

发明内容

鉴于上述状况，有必要提供一种无线信息系统的节点时间误差计算方法及装置，以解决现有分布式无线信息系统节点时间同步依赖于卫星导航授时的问题。

一种无线信息系统的节点时间误差计算方法，包括：

计算接收节点接收信号能量的时间，得到第一信号达到时间；

计算信号能量的检测时间点和通信帧前沿之间的时间差；

根据所述第一信号到达时间和所述时间差计算通信帧前沿达到接收节点的时间，得到第二信号到达时间；

根据接收节点记录的帧计数计算发射节点的发射时间；

依据发射节点和接收节点的运动状态，确定信号从发射节点到接收节点的传播时间；

计算所述发射时间和所述传播时间之和，得到通信帧前沿到达接收节点的基准时间；

根据所述第二信号到达时间和所述基准时间计算接收节点的时间误差。

进一步的，上述节点时间误差计算方法，其中，所述计算检测到所述信号能量的时间，得到第一信号达到时间的步骤包括：

计算通信帧结构中精同步段的最后一组码元的信号能量的达到时间，得到第一信号达到时间。

进一步的，上述节点时间误差计算方法，其中，所述计算通信帧结构中精同步段的最后一组码元的信号能量的达到时间的步骤包括：

利用精同步段最后一组码元对应的接收信号，计算相关谱y(n)；

获取相关谱y(n)对应的峰值y(n_p)，当y(n_p)≥y_th时，基于相关谱y(n)，计算精同步段的最后一组码元的信号能量的达到时间，其中，n_p表示相关峰值对应的采样序号，y_th表示预置门限。

进一步的，上述节点时间误差计算方法，其中，所述相关谱y(n)的计算公式为，y(n)＝abs[ifft(fft(rx_sync(n)).*conj(fft(ref_sync(n))))]，

上式中，n＝0,1,…,1023，表示接收节点的信号采样序号，接收节点的采样间隔为Δt＝10ns，rx_sync(n)表示接收节点对精同步段最后一组码元的采样序列，ref_sync(n)表示接收节点本地存储的精同步段最后一组码元对应的参考同步序列，conj表示共轭运算，.*表示点乘运算，fft表示傅里叶变换，ifft表示逆傅里叶变换，abs表示绝对值运算。

进一步的，上述节点时间误差计算方法，其中，所述精同步段的最后一组码元的信号能量的达到时间计算公式如下：

上式中，T₀表示信号相关谱峰值y(n_p)≥y_th时接收节点的本地时间，const₀是修正用的预设常数。

进一步的，上述节点时间误差计算方法，其中，所述根据接收节点记录的帧计数计算发射节点的发射时间t₃的公式为：

t₃＝(k-1)×t_s，其中，k为帧计数，t_s为一帧信号的总时间长度为。

进一步的，上述节点时间误差计算方法，其中，所述信号从发射节点到接收节点的传播时间t₄的计算公式为：

其中，(x_t,y_t,z_t)表示发射节点的位置，(x_r,y_r,z_r)表示接收节点的位置；

或：

其中，l表示发射节点和接收节点之间的距离；

或：

其中，c表示光速，v表示接收节点和发射节点的相对运动速度。

进一步的，上述节点时间误差计算方法，其中，所述根据所述第二信号到达时间和所述基准时间计算接收节点的时间误差t₆的公式为：

t₆＝t₂-t₅+const₂，其中，const₂＝t_d，t_d表示与处理延迟有关的常数，t₂为所述第二信号到达时间，t₅为所述基准时间。

本发明实施例还提供了一种无线信息系统的节点时间误差计算装置，包括：

信号达到时间检测模块，用于计算接收节点接收信号能量的时间，得到第一信号达到时间，以及计算信号能量的检测时间点和通信帧前沿之间的时间差；

通信帧前沿达到时间估计模块，用于根据所述第一信号到达时间和所述时间差计算通信帧前沿达到接收节点的时间，得到第二信号到达时间；

发射时间推算模块，用于根据接收节点记录的帧计数计算发射节点的发射时间；

信号飞越时间估计模块，用于依据发射节点和接收节点的运动状态，确定信号从发射节点到接收节点的传播时间；

通信帧前沿基准达到时间推算模块，用于计算所述发射时间和所述传播时间之和，得到通信帧前沿到达接收节点的基准时间；

节点时间误差估计模块，用于根据所述第二信号到达时间和所述基准时间计算接收节点的时间误差。

本发明可以在数据通信的过程中隐蔽地估计接收节点相对于发射节点的时间误差，从而高频次地监督接收节点计时漂移，维持节点间的时间同步，显著降低分布式无线信息系统对卫导授时的依赖。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的无线信息系统的节点时间误差计算方法的流程图；

图2为通信帧结构示意图；

图3为本发明第二实施例提供的无线信息系统的节点时间误差计算装置的结构框图。

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无线信息系统的节点时间误差计算方法，包括步骤S11～S17。

步骤S11，计算接收节点接收信号能量的时间，得到第一信号达到时间。

该信号达到时间检测模块用于检测达到接收节点的信号能量，并进行信号能量的到时时间的记录。具体实施时，当信号达到时间检测模块检测到达到接收节点的信号能力时，计算通信帧结构中精同步段的信号能量的达到时间，得到第一信号达到时间t₀。

如图2所示，该通信帧结构包含粗同步段、精同步段、控制段、净载荷段和保护段，其中，粗同步段包含256个码元，精同步段包含4组每组256个码元，控制段包含128组每组32个码元，净载荷段包含1024组每组32个码元，保护段包含11856个码元，每个码元的时间长度40ns，因此，粗同步段、精同步段、控制段、净载荷段和保护段的时间长度分别为t’₁＝10.24us、t’₂＝40.96us、t’₃＝163.84us、t’₄＝1310.72us、t’₅＝474.24us，一帧信号的总时间长度为t_s＝2000us。

进一步的，在本发明的一实施例中，精同步段每一组码元的信号能量到达时间计算方法基本相同以精同步段最后一组码元的信号能量的达到时间为例，所述计算通信帧结构中精同步段的信号能量的达到时间的具体计算方法为：

首先，利用精同步段最后256个码元对应的接收信号，计算相关谱y(n)：

y(n)＝abs[ifft(fft(rx_sync(n)).*conj(fft(ref_sync(n))))]

上式中，n＝0,1,…,1023，表示接收节点的信号采样序号，接收节点的采样间隔为Δt＝10ns，rx_sync(n)表示接收节点对精同步段最后一组码元的采样序列，ref_sync(n)表示接收节点本地存储的精同步段最后一组码元对应的参考同步序列，conj表示共轭运算，.*表示点乘运算，fft表示傅里叶变换，ifft表示逆傅里叶变换，abs表示绝对值运算；

接着，获取相关谱y(n)对应的峰值y(n_p)，若y(n_p)≥y_th，则进一步执行，否则，报告节点时间误差估计失败，其中，n_p表示相关峰值对应的采样序号，y_th表示预置门限，例如：y_th＝3×n₀，n₀表示接收节点接收信号的平均噪声强度值；

然后，基于相关谱y(n)，计算接收信号能量的到达时间t₀：

上式中，T₀表示信号相关谱峰值y(n_p)≥y_th时接收节点的本地时间，const₀是修正用的预设常数，比如：const₀＝1.0。

步骤S12，计算信号能量的检测时间点和通信帧前沿之间的时间差。

其中，通信帧前沿为一帧通信信号的开始时刻，计算信号达到时间检测模块的能量检测时间点和通信帧前沿之间的时间差t₁的计算公式为：

t₁＝t‘₁+const₁，

其中，const₁＝30.72ns，t’₁为粗同步段的时间长度。

步骤S13，根据所述第一信号到达时间和所述时间差计算通信帧前沿达到接收节点的时间，得到第二信号到达时间；

具体实施时，通过通信帧前沿达到时间估计模块估算通信帧前沿达到接收节点的时间，即第二信号到达时间t₂。

其中，该第二信号到达时间t₂计算公式为：t₂＝t₀-t₁，其中t₀为第一信号到达时间，t₁为该时间差。

步骤S14，根据接收节点记录的帧计数计算发射节点的发射时间。

具体的，发射时间推算模块基于接收节点记录的帧计数k，推算通信帧前沿的发射时间t₃，具体的t₃＝(k-1)×t_s，其中t_s＝2000us。

步骤S15，依据发射节点和接收节点的运动状态，确定信号从发射节点到接收节点的传播时间。

该传播时间通过信号飞越时间估计模块计算，通过该信号飞越时间估计模块计算确定信号从发射节点到接收节点的时间。

具体的，所述信号从发射节点到接收节点的传播时间t₄的计算公式为：

其中，(x_t,y_t,z_t)表示发射节点的位置，(x_r,y_r,z_r)表示接收节点的位置；

或：

其中，l表示发射节点和接收节点之间的距离；

或：

其中，c表示光速，v表示接收节点和发射节点的相对运动速度。

步骤S16，计算所述发射时间和所述传播时间之和，得到通信帧前沿到达接收节点的基准时间。

通过通信帧前沿基准达到时间推算模块来确定通信帧前沿到达接收节点的基准时间t₅。具体的，该通信帧前沿到达接收节点的基准时间计算公式为：t₅＝t₃+t₄。

步骤S17，根据所述第二信号到达时间和所述基准时间计算接收节点的时间误差。

时间误差t₆可通过节点时间误差估计模块计算得到，具体的，所述根据所述第二信号到达时间和所述基准时间计算接收节点的时间误差t₆的公式为：

t₆＝t₂-t₅+const₂，其中，const₂＝t_d，t_d表示与处理延迟有关的常数，比如，t_d＝120ns，t₂为所述第二信号到达时间，t₅为所述基准时间。

本实施例可以在数据通信的过程中隐蔽地估计接收节点相对于发射节点的时间误差，从而高频次地监督接收节点计时漂移，维持节点间的时间同步，显著降低分布式无线信息系统对卫导授时的依赖。

请参阅图3，为本发明第二实施例中的无线信息系统的节点时间误差计算装置，包括：

信号达到时间检测模块10，用于计算接收节点接收信号能量的时间，得到第一信号达到时间，以及计算信号能量的检测时间点和通信帧前沿之间的时间差；

通信帧前沿达到时间估计模块20，用于根据所述第一信号到达时间和所述时间差计算通信帧前沿达到接收节点的时间，得到第二信号到达时间；

发射时间推算模块30，用于根据接收节点记录的帧计数计算发射节点的发射时间；

信号飞越时间估计模块40，用于依据发射节点和接收节点的运动状态，确定信号从发射节点到接收节点的传播时间；

通信帧前沿基准达到时间推算模块50，用于计算所述发射时间和所述传播时间之和，得到通信帧前沿到达接收节点的基准时间；

节点时间误差估计模块60，用于根据所述第二信号到达时间和所述基准时间计算接收节点的时间误差。

本实施例中，通过信号达到时间检测模块10检测节点接收信号能量的到达时间，得到第一信号达到时间，依据通信帧结构设定的信号结构，并计算信号达到时间检测模块的接收信号能量检测沿与通信帧前沿之间的时间差，将上述时间差和第一信号达到时间输入到通信帧前沿达到时间估计模块20，估计出通信帧前沿达到接收节点的时间，得到第二信号到达时间；然后，发射时间推算模块30确定可能的通信帧前沿的发射时间，信号飞越时间估计模块40计算信号从发射端到接收端的传播时间，将上述发射时间和传播时间输入到通信帧前沿基准达到时间推算模块50，确定通信帧前沿达到接收节点的基准时间；最后，将上述第二信号到达时间和通信帧前沿达到接收节点的基准时间输入到节点时间误差估计模块60，从而估计出接收节点相对于发射节点的时间误差，最终达到降低分布式无线信息系统时间同步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。

Claims (6)

1.一种无线信息系统的节点时间误差计算方法，其特征在于，包括：

计算接收节点接收信号能量的时间，得到第一信号到达时间；

计算信号能量的检测时间点和通信帧前沿之间的时间差，所述时间差根据粗同步段的时间长度计算；

根据所述第一信号到达时间和所述时间差计算通信帧前沿到达接收节点的时间，得到第二信号到达时间；

根据接收节点记录的帧计数计算发射节点的发射时间；

依据发射节点和接收节点的运动状态，确定信号从发射节点到接收节点的传播时间；

计算所述发射时间和所述传播时间之和，得到通信帧前沿到达接收节点的基准时间；

根据所述第二信号到达时间和所述基准时间计算接收节点的时间误差；

其中，所述计算检测到所述信号能量的时间，得到第一信号到达时间的步骤包括：

计算通信帧结构中精同步段的最后一组码元的信号能量的到达时间，得到第一信号到达时间；

所述计算通信帧结构中精同步段的最后一组码元的信号能量的到达时间的步骤包括：

利用精同步段最后一组码元对应的接收信号，计算相关谱y(n)；

获取相关谱y(n)对应的峰值y(n_p)，当y(n_p)≥y_th时，基于相关谱y(n)，计算精同步段的最后一组码元的信号能量的到达时间，其中，n_p表示相关峰值对应的采样序号，y_th表示预置门限；

所述根据所述第二信号到达时间和所述基准时间计算接收节点的时间误差t₆的公式为：

t₆＝t₂-t₅+const₂，其中，const₂＝t_d，t_d表示与处理延迟有关的常数，t₂为所述第二信号到达时间，t₅为所述基准时间。

2.如权利要求1所述的节点时间误差计算方法，其特征在于，所述相关谱y(n)的计算公式为，y(n)＝abs[ifft(fft(rx_sync(n)).*conj(fft(ref_sync(n))))]，

上式中，n＝0,1,…,1023，表示接收节点的信号采样序号，接收节点的采样间隔为Δt＝10ns，rx_sync(n)表示接收节点对精同步段最后一组码元的采样序列，ref_sync(n)表示接收节点本地存储的精同步段最后一组码元对应的参考同步序列，conj表示共轭运算，.*表示点乘运算，fft表示傅里叶变换，ifft表示逆傅里叶变换，abs表示绝对值运算。

3.如权利要求1所述的节点时间误差计算方法，其特征在于，所述精同步段的最后一组码元的信号能量的到达时间计算公式如下：

上式中，T₀表示信号相关谱峰值y(n_p)≥y_th时接收节点的本地时间，const₀是修正用的预设常数。

4.如权利要求1所述的节点时间误差计算方法，其特征在于，所述根据接收节点记录的帧计数计算发射节点的发射时间t₃的公式为：

t₃＝(k-1)×t_s，其中，k为帧计数，t_s为一帧信号的总时间长度为。

5.如权利要求1所述的节点时间误差计算方法，其特征在于，所述信号从发射节点到接收节点的传播时间t₄的计算公式为：

其中，(x_t,y_t,z_t)表示发射节点的位置，(x_r,y_r,z_r)表示接收节点的位置；

或：

其中，l表示发射节点和接收节点之间的距离；

或：

其中，c表示光速，v表示接收节点和发射节点的相对运动速度。

6.一种无线信息系统的节点时间误差计算装置，其特征在于，包括：

信号到达时间检测模块，用于计算接收节点接收信号能量的时间，得到第一信号到达时间，以及计算信号能量的检测时间点和通信帧前沿之间的时间差，所述时间差根据粗同步段的时间长度计算；

通信帧前沿到达时间估计模块，用于根据所述第一信号到达时间和所述时间差计算通信帧前沿到达接收节点的时间，得到第二信号到达时间；

发射时间推算模块，用于根据接收节点记录的帧计数计算发射节点的发射时间；

信号飞越时间估计模块，用于依据发射节点和接收节点的运动状态，确定信号从发射节点到接收节点的传播时间；

通信帧前沿基准到达时间推算模块，用于计算所述发射时间和所述传播时间之和，得到通信帧前沿到达接收节点的基准时间；

节点时间误差估计模块，用于根据所述第二信号到达时间和所述基准时间计算接收节点的时间误差；

其中，所述计算检测到所述信号能量的时间，得到第一信号到达时间的步骤包括：

计算通信帧结构中精同步段的最后一组码元的信号能量的到达时间，得到第一信号到达时间；

所述计算通信帧结构中精同步段的最后一组码元的信号能量的到达时间的步骤包括：

利用精同步段最后一组码元对应的接收信号，计算相关谱y(n)；

获取相关谱y(n)对应的峰值y(n_p)，当y(n_p)≥y_th时，基于相关谱y(n)，计算精同步段的最后一组码元的信号能量的到达时间，其中，n_p表示相关峰值对应的采样序号，y_th表示预置门限；

所述根据所述第二信号到达时间和所述基准时间计算接收节点的时间误差t₆的公式为：

t₆＝t₂-t₅+const₂，其中，const₂＝t_d，t_d表示与处理延迟有关的常数，t₂为所述第二信号到达时间，t₅为所述基准时间。

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