CN112566237B - 一种基于多节点组网的时间同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于多节点组网的时间同步方法，主要包括节点数确定、节点层级确定、相对时延校准、相位初同步和时钟源精细控制五大部分。本发明通过节点和层级关系的确定，利用无线时间同步终端，双向时间比对原理来建立分级式时间同步网络，实现各无线时间同步终端之间的自适应组网，自动完成与上级节点之间的时间比对，快速实现全网时间信号的相位初同步，结合时钟源频率的精细控制，从而实现全网时钟源之间的同频同相，且支持动态场景的应用。

Description

一种基于多节点组网的时间同步方法

技术领域

本发明涉及一种用于无线时间同步领域的多节点组网方法。

背景技术

随着无线传感器网络、联合编队等联合观测技术的发展，需要实现多个终端之间的协同工作，实现工作任务的无缝切换，或者步调一致地实施某一工作指令，等等，这些都以多个任务节点之间的高精度时间同步作为技术前提。因此，有必要建立一套便利的时间同步组网方法，自适应地增减时间比对网络内的工作节点数目，同时不影响其他节点的正常工作。

Internet网络授时技术和无线网络接入技术相结合可以实现多节点的时间同步，也可摆脱传统有线网络授时在动态环境上的应用限制，但是精度较低，只有百微秒量级，不能满足纳秒量级高精度应用的需求。

现阶段常用的纳秒级及以上的时间同步方法包括导航卫星共视时间同步方法、卫星双向时间同步方法和光纤时间同步方法等。前两种方法需要提前建设数据交换通路，最后一种方法需要提前铺建光纤链路，这些方法便利性欠佳，多适用于少量节点之间的时间同步。尤其对于动态环境下的多节点时间同步，上述方法的适用性会更加受限。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供的多节点组网时间同步方法利用无线时间同步终端，双向时间比对原理来建立分级式时间同步网络，可以自适应进行各级节点增减，实现级联节点之间的纳秒量级时间同步，且支持动态场景的应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

1)在无线网络中选定一个节点作为时间同步的基准节点，基准节点选择具有原子钟的设备或系统处；

2)对无线网络中的各个节点划分节点层级，节点层级包括主站节点、N级从站节点和自由站节点，N为自然数；主站是一级从站的上级节点，N级从站是N+1级从站的上级节点，自由站的上级节点是主站节点和N级从站节点中的任何一种；主站节点选在基准节点处，以主站时间基准作为参考，其他节点时间信号分别与其上级节点同步；

3)校准各级从站与主站之间的相对时延；

4)设置主站和各级从站终端的ID号和相对时延校准数据；

5)在各级时间同步节点处安装相应的无线时间同步终端；

6)开启各节点的无线时间同步终端设备，依据步骤4)各级节点的ID号和步骤2)的层级划分情况建立时间同步网络，每级无线时间同步终端设备仅接收其上级和下级节点的无线信号；

7)各节点无线时间同步终端解调各个接收通道的无线信号，分别产生各通道的伪距测量值，并把伪距测量值和相应的ID号写入无线通信电文字段，发送给其上、下级节点；

8)各节点无线时间同步终端通过接收其上级节点发送的伪距值和自身产生的伪距值，结合步骤3)的相对时延校准数据，利用双向时间比对原理计算本节点与上级节点之间的钟差，利用该钟差数据控制本地时钟源，使其产生与上级节点的初同步时间信号；

9)各级节点积累本节点与其上级节点之间的钟差数据，对其进行建模，获得本地时钟源与上级时钟源之间的相对频率偏差和老化系数，并对本地时钟源进行精细控制，实现本地时钟源与上级时钟源的同频同相；经过数据收敛，实现全网纳秒量级的时钟同步。

所述的无线网络中，有时间同步需求的独立设备，且该设备和其他设备间没有公用的参考时间信号，则在该设备处设立一个时间节点；如果多个设备公用参考时间信号，则在其中任意一个设备处设立基准节点。

所述的无线网络中，两个节点间的无线信号传输距离大于1.5公里时，在两个节点间增加中间节点进行过度；两个节点之间有信号遮挡时，绕过障碍物增加一级节点作为中继。

所述的步骤3)中，校准各级从站与主站间相对时延的具体过程为：在主站节点所在地安装时间同步主站终端；安装一个从站节点时间同步终端，并把该终端初步设置为一级从站，和主站开展近零基线无线时间比对，利用时差测量设备测量主站终端与该从站终端之间的时差，该时差与无线时间比对结果的偏差作为相对时延校准值；重复本步骤，校准其他从站与主站之间的相对时延。

所述的步骤8)中，一级从站节点综合前一时段与主站节点之间的钟差数据，对本节点的1PPS信号进行相位调整，使其与主站节点1PPS信号之间的偏差在设定范围以内；一级从站与主站初同步建立以后，在通过数据电文向下级站发送其初同步完成标志，下级站收到该初同步完成标志之后，开始积累一个时段与其上级节点之间的钟差数据，然后基于该钟差数据对本节点的1PPS信号进行相位调整，使其与上级节点之间的偏差在设定范围以内，并发送初同步完成标志；以此类推，直至自由站完成初同步。

本发明的有益效果是：

优势一，本发明可以自适应地完成无线时间同步各节点组网，新增或删减节点不影响其他节点的正常工作；

优势二，可以通过增加中间节点的方法来拓展无线时间同步的作用距离和缓解遮挡带来的影响，在5公里范围内，可以实现纳秒量级的时间同步精度，性能远优于Internet网络多节点时间同步方法；

优势三，本发明可以和导航卫星共视时间同步、卫星双向时间同步等方法搭配使用，把通过这些方法得到高精度时间信号用无线网络分发出去，解决高精度时间传递中的“最后一公里”问题；

优势四，本发明可用于动态环境下，尤其是自由站节点的设置，增加时间同步节点的机动性和灵活性。

附图说明

图1是1T3R无线时间同步组网层级关系图；

图2是1T3R无线时间同步网络拓扑图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

1)根据无线时间同步实际应用场景规划节点数目，选定时间同步基准节点，基准节点一般选在具有原子钟的设备或系统处，以保证能实现纳秒量级的时间同步；

无线时间同步节点确定策略为：

有时间同步需求的独立设备，且该设备和其他设备间没有公用的参考时间信号，则在该类型的设备处可以设立一个时间同步的节点。如果多个设备公用参考时间信号，则可以合并设立一个时间同步的节点。一般来说，为了得到纳秒量级较高的时间同步精度，两个节点间的无线信号传输距离小于1.5公里为佳。对于大于1.5公里的时间同步应用，在中间可以增加中间节点进行过度。此外，对于两个节点之间有遮挡的情况，也可以在障碍物周围增加一级节点作为中继。

2)进行无线时间同步节点间层级划分，具体的划分策略为：

综合时间同步节点数目和无线时间同步终端的通道数来划分节点层级。节点层级包含但不限于以下几级：主站节点、一级从站节点、二级从站节点和自由站节点。主站是一级从站的上级节点，一级从站是二级从站的上级节点，自由站的上级节点可以是上述三类节点中的任何一种。主站节点选在基准节点处，以主站时间基准作为参考，其他节点时间信号分别与其上级节点同步，从而实现整个网络内所有节点均向主站靠拢，实现全网时间同步。最简单的情况，对于一个发射通道2个接收通道的无线时间同步终端(1T2R)，最多可以支持1个主站节点、2个一级从站节点、2个二级从站节点和2个自由站节点之间的时间同步。对于一个发射通道3个接收通道的无线时间同步终端(1T3R)，最多可以支持1个主站节点、3个一级从站节点、6个二级从站节点和12个自由站节点之间的时间同步。对于一个发射通道4个接收通道的无线时间同步终端(1T4R)，最多可以支持1个主站节点、4个一级从站节点、12个二级从站节点和36个自由站节点之间的时间同步。等等，依次类推。

3)校准各级从站终端与主站终端之间的相对时延。具体过程为：在时间同步主站节点所在地安装时间同步主站终端，同时安装一个从站节点时间同步终端，并把该终端初步设置为一级从站，和主站开展近零基线无线时间比对(一般以5米的无线距离为佳)。利用时差测量设备测量主站终端与该从站终端之间的时差，该时差与无线时间比对结果的偏差作为相对时延校准值。重复利用上述方法校准其他从站终端与主站之间的相对时延；

4)通过软件接口向各级终端设置ID号和相对时延校准数据。每个终端都分配一个唯一表征其身份的ID号，ID号即可表明该终端在无线时间同步网络中的层级，每个ID号也对应唯一的一组伪随机码，用作在无线时间同步信号收发过程中标识其身份。每个时间比对终端的节点身份确定了，其上、下级节点也随之确定；

5)在各级时间同步节点处安装相应的无线时间同步终端；

6)开启各节点无线时间同步终端设备，依据步骤4)各级节点的ID号和步骤2)的层级划分情况自动建立时间同步网络，每级无线时间同步终端设备仅接收其上级和下级节点的无线信号；

7)各节点无线时间同步终端解调各个接收通道的无线信号，分别产生各通道的伪距测量值，并把伪距测量值和相应的ID号写入无线通信电文字段，发送给其上、下级节点；

8)各节点无线时间同步终端通过接收其上级节点发送的伪距值和自身产生的伪距值，结合步骤3)的相对时延校准数据，利用双向时间比对原理计算本节点与上级节点之间的钟差，利用该钟差数据控制本地时钟源，使其产生与上级节点的初同步时间信号。全网时间信号初同步策略如下：

首先，一级从站节点综合前一分钟的与主站节点之间的钟差数据，对本节点的1PPS信号进行相位调整，使其与主站节点1PPS信号之间的偏差在30ns以内。一级从站与主站初同步建立以后，在通过数据电文向下级站发送其初同步完成标志。一级从站的下级站(二级从站)收到该初同步完成标志之后，开始积累一分钟与其上级节点之间的钟差数据，然后基于该钟差数据对本节点的1PPS信号进行相位调整，使其与上级节点之间的偏差在30ns以内，并发送初同步完成标志。二级从站节点初同步完成以后，其下级节点(三级从站或自由站)也采取同样的方式调整本节点的1PPS信号，从而实现网络内各节点时间信号的初始同步。

9)各级节点积累本节点与其上级节点之间的钟差数据，对其进行建模，获得本地时钟源与上级时钟源之间的相对频率偏差、老化系数，并对本地时钟源进行精细控制，实现本地时钟源与上级时钟源的同频同相。经过一段时间的数据收敛，实现全网纳秒量级的时钟同步。

下面以一个发射通道，3个接收通道(1T3R)的无线时间同步终端为例进行说明。

步骤1.选定时间同步基准节点，一般选择在时间同步区域内时钟信号性能最优的地方，例如有高性能原子钟的地方；

步骤2.确定无线时间同步网络节点数目和层级关系。由于时间时间同步终端有3个接收通道，可以配置成图1所示的四种层级关系，第一种层级关系包含的时间同步节点数目最多，达到22个节点，可以用于网络节点需求较多的场合。后面三种层级关系包含的时间同步节点数目要少些，因为自由站节点没有挂在末级从站(图中为二级从站)之后，自由站没有下级从站。一般，依据实际应用中具有时间同步需求的节点数目、是否有动态同步需求、时间同步精度(组网级联会损失一定的时间同步精度)等综合选择层级关系、确定网络节点。如果动态时间同步的精度要求较高，则选择自由站与主站隶属关系最近的组网方式。如果节点数目较多，则一般选择自由站隶属最低一级从站的组网方式。在本实施例中选择第一种层级关系，共支持22个时间同步节点，节点拓扑关系如图2所示；

步骤3.在时间同步基准点位置处安装无线时间同步主站终端，该终端设备接入时间基准信号。在同一位置附近分别安装各个从站终端，与主站收发天线相距5米左右，逐一标定各个从站终端与主站终端之间的相对时延；

步骤4.通过软件接口向各级终端设置ID号和相对时延校准数据，将根据各节点终端的ID号自动组网，ID与层级组网关系见表1；

表1 ID与层级组网关系

站名	ID	层级关系
			主站	000000	时间同步基准站
一级从站1	010001	上级站为主站
			一级从站2	010010	上级站为主站
一级从站3	010011	上级站为主站
			二级从站1	100001	上级站为一级从站1
二级从站2	100010	上级站为一级从站1
			二级从站3	100011	上级站为一级从站2
二级从站4	100100	上级站为一级从站2
			二级从站5	100101	上级站为一级从站3
二级从站6	100110	上级站为一级从站3
			自由站1	110001	上级站为二级从站1
自由站2	110010	上级站为二级从站1
			自由站3	110011	上级站为二级从站2
自由站4	110100	上级站为二级从站2
			自由站5	110101	上级站为二级从站3
自由站6	110110	上级站为二级从站3
			自由站7	110111	上级站为二级从站4
自由站8	111000	上级站为二级从站4
			自由站9	111001	上级站为二级从站5
自由站10	111010	上级站为二级从站5
			自由站11	111011	上级站为二级从站6
自由站12	111100	上级站为二级从站6

步骤5.各节点无线时间同步终端产生各个接收通道的伪距测量值，并把伪距测量值和相应的ID号写入无线发射信号中的通信电文，发送给其上、下级节点；

步骤6.各节点无线时间同步终端接收通道解析电文中的上级节点(对于主站是下级节点)发送的伪距数据，并找到同时刻自身产生的伪距数据，利用双向时间比对原理计算本节点与上级节点(或下级节点)之间的钟差；

步骤7.各从站节点依据双向计算得到的与上级节点之间的钟差数据，依据站点级别的高低依次调节本地1PPS信号，实现全网时间信号的初同步；

步骤8.各从站节点积累一定的钟差数据并建模，获得钟控制参数，对本地时钟源的频率进行驾驭，实现本地时钟源与上级时钟源的同频同相，最终实现全网时钟纳秒量级同步精度。

从上述实施步骤可知，本发明所提的无线时间组网方法的实施过程主要包括节点数确定、节点层级确定、相对时延校准、相位初同步和时钟源精细控制五大部分。本发明的主要特点是通过节点和层级关系的确定，可以实现各无线时间同步终端之间的自适应组网，自动完成与上级节点之间的时间比对，快速实现全网时间信号的相位初同步，结合时钟源频率的精细控制，从而实现全网时钟源之间的同频同相。

Claims (5)

1.一种基于多节点组网的时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在无线网络中选定一个节点作为时间同步的基准节点，基准节点选择具有原子钟的设备处；

2)对无线网络中的各个节点划分节点层级，节点层级包括主站节点、N级从站节点和自由站节点，N为自然数；主站是一级从站的上级节点，N级从站是N+1级从站的上级节点，自由站的上级节点是主站节点和N级从站节点中的任何一种；主站节点选在基准节点处，以主站时间基准作为参考，其他节点时间信号分别与其上级节点同步；

3)校准各级从站与主站之间的相对时延；

4)设置主站和各级从站节点的ID号和相对时延校准数据；

5)在各级时间同步节点处安装相应的无线时间同步终端；

6)开启各节点的无线时间同步终端设备，依据步骤4)各级节点的ID号和步骤2)的层级划分情况建立时间同步网络，每级无线时间同步终端设备仅接收其上级和下级节点的无线信号；

7)各节点无线时间同步终端解调各个接收通道的无线信号，分别产生各通道的伪距测量值，并把伪距测量值和节点的ID号写入无线通信电文字段，发送给其上、下级节点；

8)各节点无线时间同步终端通过接收其上级节点发送的伪距值和自身产生的伪距值，结合步骤3)的相对时延校准数据，利用双向时间比对原理计算本节点与上级节点之间的钟差，利用该钟差控制本地时钟源，使其产生与上级节点的初同步时间信号；

9)各级节点积累本节点与其上级节点之间的钟差数据，对其进行建模，获得本地时钟源与上级时钟源之间的相对频率偏差和老化系数，并对本地时钟源进行精细控制，实现本地时钟源与上级时钟源的同频同相；经过数据收敛，实现全网纳秒量级的时钟同步。

2.根据权利要求1所述的基于多节点组网的时间同步方法，其特征在于，所述的无线网络中，有时间同步需求的独立设备，且该设备和其他设备间没有公用的参考时间信号，则在该设备处设立一个时间节点；如果多个设备公用参考时间信号，则在其中任意一个设备处设立基准节点。

3.根据权利要求1所述的基于多节点组网的时间同步方法，其特征在于，所述的无线网络中，两个节点间的无线信号传输距离大于1.5公里时，在两个节点间增加中间节点进行过度；两个节点之间有信号遮挡时，绕过障碍物增加一级节点作为中继。

4.根据权利要求1所述的基于多节点组网的时间同步方法，其特征在于，所述的步骤3)中，校准各级从站与主站间相对时延的具体过程为：在主站节点所在地安装时间同步主站无线时间同步终端；安装一个从站无线时间同步终端，并把该无线时间同步终端初步设置为一级从站，和主站开展近零基线无线时间比对，利用时差测量设备测量主站无线时间同步终端与该从站无线时间同步终端之间的时差，该时差与无线时间比对结果的偏差作为相对时延校准值；重复本步骤，校准其他从站与主站之间的相对时延。

5.根据权利要求1所述的基于多节点组网的时间同步方法，其特征在于，所述的步骤8)中，一级从站节点综合前一时段与主站节点之间的钟差数据，对本节点的1PPS信号进行相位调整，使其与主站节点1PPS信号之间的偏差在设定范围以内；一级从站与主站初同步建立以后，在通过数据电文向下级站发送其初同步完成标志，下级站收到该初同步完成标志之后，开始积累一个时段与其上级节点之间的钟差数据，然后基于该钟差数据对本节点的1PPS信号进行相位调整，使其与上级节点之间的偏差在设定范围以内，并发送初同步完成标志；以此类推，直至自由站完成初同步。

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