CN113099526B

CN113099526B - 一种权重柔性递减调整的时间同步方法

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Publication number: CN113099526B
Application number: CN202110343529.3A
Authority: CN
Inventors: 董银锋; 吴金明; 刘文兵; 李登峰
Original assignee: Shenzhen Friendcom Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Friendcom Technology Co Ltd
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2021-03-30
Publication date: 2022-06-28
Anticipated expiration: 2041-03-30
Also published as: CN113099526A

Abstract

本发明提供了一种权重柔性递减调整的时间同步方法，涉及网络通信技术领域，解决了目前采用绝对差值调整网络同步时差而导致的网络运行稳定性差的技术问题。包括异层调整系数、同层调整系数、比较误差及实际误差，引入所述层调整系数、同层调整系数的构建规则，以及实际误差与所述异层调整系数、同层调整系数、比较误差之间的数学关系。本发明充分兼顾了快速时间同步和平滑稳定同步运行，有效提升了网络中每一个节点的稳定同步性能，保证了整个网络的稳定同步运行。

Description

一种权重柔性递减调整的时间同步方法

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域，尤其涉及一种权重柔性递减调整的时间同步方法。

背景技术

在MESH通信系统中，往往由一个中心节点和若干个子节点组成，采用无线和载波两种传输介质。根据到中心节点的传输关系，子节点分布在中心节点周边的若干层次中。

在这个典型的MESH通信系统中。中心节点发送周期性的中心信标，第 1层子节点根据接收到的中心信标实现时间同步并适时转发信标，其它各层节点根据接收到的中心信标或转发信标实现时间同步并继续转发信标，直至网络最外一层实现时间同步。在一个较长的同步周期内，节点只同步一次，其运行稳定性是较难保证的，事实上，对于基于时间同步的MESH通信系统，网内任何节点，在一个同步周期内，可以收到不同层次的多个节点的转发信标帧，也可能收到同一层次的多个节点的转发信标帧。参考这些信标帧，节点可以在同步周期的不同时刻，多次调整本地同步计时器，改善节点自身的同步性能。

但是，因为元器件离散性、电源供电差异性等影响，每个节点的时间计数器在运行中相对中心节点会存在不同程度的时间误差，各子节点转发的信标比较中心信标也就会存在不同的时间误差，时间有前有后，差值有大有小。节点接收到这些不同的信标，普遍采用的是每一次都是按照绝对差值计算调整。

然而，采用通用的绝对差值调整方法会导致时间计数器对比中心节点会在时间上忽前忽后、偏移量忽大忽小，产生很大的时间抖动。因此，这种简单的即时绝对误差调整方法，通信网络的时间抖动就会比较大，无助于有效改善通信网络的稳定运行。

发明内容

本发明为了充分利用一个同步周期内的不同信标作为时间参考，兼顾节点快速同步和稳定运行两个方面的实际需求，有效提高MESH网络的稳定同步和可靠运行工作性能，提供了一种权重柔性递减调整的时间同步方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种权重柔性递减调整的时间同步方法，包括异层调整系数、同层调整系数、比较误差及实际误差。时间同步方法包括如下步骤：

S100、构建所述异层调整系数A，其构建规则为：第一层各节点的所述异层调整系数均设置为1，网络层级每增加一层其各节点的所述异层调整系数均减去0.2；当所述异层调整系数减少至0时，保持0值不变；

S200、构建所述同层调整系数B，其构建规则为：第k层网络中的第一节点收到第m层发送或转发的第一个信标时，所述同层调整系数设置为1，此后，每收到一个第m层发送或转发的信标，所述同层调整系数减去0.2；当所述同层调整系数减少至0时，保持0值不变；

S300、通过所述网络各节点的计数器本地时间T1、信标接收时隙T2计算所述比较误差C；

S400、获取所述第一节点的即时同步时间，并确定所述异层调整系数A、同层调整系数B、比较误差记C的值，与所述即时同步时间一起存入记录器，并计算所述第一节点的实际误差D；

S500、根据所述实际误差D调整所述第一节点的即时同步时间，进行实时间同步。

进一步地，步骤S100具体为：将网络的第一层各节点的所述异层调整系数均设置为1，网络层级每增加一层该层各节点的所述异层调整系数均减去 0.2；当所述异层调整系数减少至0时，保持0值不变；所述第一层的网络层级编号为1，并由与中心节点直接通信连接的节点构成。

进一步地，步骤S200具体为：当第k层网络中的第一节点收到第m层发送或转发的第一个信标时，将所述同层调整系数设置为1，此后，每收到一个所述第m层发送或转发的信标其所述同层调整系数均减去0.2；当所述同层调整系数减少至0时，保持0值不变；所述第k层、第m层的网络层级编号分别为k、m，且k、m均不小于1；

进一步地，若步骤S100、S200中的所述第一节点为父节点，所述异层调整系数、同层调整系数均增加0.2，且增加后的所述异层调整系数、同层调整系数均不大于1。

进一步地，所述比较误差记C的计算公式为：

C＝T1-T2 (1)；

所述第一节点的实际误差为：

D＝A*B*C (2)。

进一步地，步骤S500中，所述第一节点的即时同步时间确定方法如下：

S510、所述第一节点等待接受信标；

S520、所述信标若为中心信标，根据所述中心信标时隙确定所述第一节点的即时同步时间T3；

S530、所述信标若为转发信标，根据所述转发信标时隙确定所述第一节点的即时同步时间T3。

进一步地，所述第一节点的即时同步时间为所述信标开始时刻、信标帧时间以及所述第一节点对所述信标帧的处理时间之和；

若所述信标为所述中心信标，所述信标开始时刻为所述0时隙号；

若所述信标为所述转发信标，所述信标开始时刻为转发所述信标的时隙号。

进一步地，所述转发信标包括所述第一节点的网络层次编号及转发时隙号。

进一步地，所述异层调整系数A、同层调整系数B具体公式为：

根据所述第一节点的网络层级，计算所述异层调整系数A：

其中，i为网络层次编号；

按时间先后排列所述第一节点的收到所述第m层的发送或转发的所有信标，计算所述同层调整系数B：

其中，j为顺序编号；

若所述第一节点为所述父节点，则

i为网络层次编号，j为顺序编号。

进一步地，调整后的所述第一节点的即时同步时间T4为：

T4＝T3+D (7)。

实施本发明上述技术方案中的一个技术方案，具有如下优点或有益效果：

本发明通过设置异层调整系数、同层调整系数，以此为权重周期性调整网络同步时间，充分兼顾了快速时间同步和平滑稳定同步运行，有效提升了网络中每一个节点的稳定同步性能，保证了整个网络的稳定同步运行，避免了通信网络的时间抖动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，附图中：

图1是本发明实施例的异层调整系数、同层调整系数规则流程图；

图2是本发明实施例的时间同步方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下文将要描述的各种示例性实施例将要参考相应的附图，这些附图构成了示例性实施例的一部分，其中描述了实现本发明可能采用的各种示例性实施例，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。应明白，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明公开的一些方面相一致的装置和方法的例子，还可使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发明的范围和实质。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定的“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。

术语“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以下实施例仅是一个特例，并不表明本发明就这样一种实现方式。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

如图1所示，一种权重柔性递减调整的时间同步方法，包括异层调整系数、同层调整系数、比较误差及实际误差，其中，时间同步方法包括如下步骤：

S100、构建所述异层调整系数A；其构建规则为：第一层各节点的异层调整系数均设置为1，网络层级每增加一层其各节点的异层调整系数均减去 0.2；当异层调整系数减少至0时，保持0值不变。

S200、构建所述同层调整系数B；其构建规则为：第k层网络中的第一节点收到第m层发送或转发的第一个信标时，其同层调整系数设置为1，此后，每收到一个第m层发送或转发的信标其同层调整系数减去0.2；当同层调整系数减少至0时，保持0值不变。上述两个步骤中，若第一节点为父节点，异层调整系数、同层调整系数均增加0.2，且增加后的异层调整系数、同层调整系数均不大于1。需说明的是，第一层的网络层级编号为1，并由与中心节点直接通信连接的节点构成；第k层、第m层的网络层级编号分别为k、 m，且k、m均不小于1。相对而言，靠近中心节点层次的内层节点，因为累积误差小，有较好的时间精度，而外层节点经过多层转发才完成时间同步，其累积误差相对较大一些，时间精度也差一些。因此，层级间的权重分配方法，内层调整比例大一些，外层调整比例小一些。同理，相同层次的节点，前面发送的相对靠前，因为累积误差小，有较好的时间精度，而相同层次后面发送的相对靠后，其累积误差相对较大一些，时间精度也差一些。因此，层及内的权重分配方法，靠前发送的调整比例大一些，靠后发送的调整比例小一些。父节点是网络节点跟中心节点通信的必经之路，是完成数据传输的关键节点，一般情况下，需要优先参考父节点发送的信标进行重点调整，父节点的权重分配方法，较同层内节点调整比例大一些。

S300、通过网络各节点的计数器本地时间T1、信标接收时隙T2计算比较误HHGGGFDSSA差C；比较误差记为C是网络各节点的计数器本地时间记为T1、信标接收时隙记为T2之间的差值，即：

C＝T1-T2 (1)

需说明的是，比较误差有正负之别，如果误差为负值称为信标超前，即信标较本地时间提前到达接收信道；如果误差为正值称为信标滞后，即信标本较地时间滞后到达接收信道。

S400、获取第一节点的即时同步时间，并确定异层调整系数A、同层调整系数B、比较误差记C的值，与即时同步时间一起存入记录器，并计算第一节点的实际误差D。具体地，第一节点的实际误差D的计算公式为：

D＝C×A×B (2)

S500、根据所述实际误差D调整第一节点的即时同步时间，进行实时间同步。

需说明的是，本网络为多个层级，且每个层级由多个节点组成的MESH通信网络，存在无线和载波两种传输介质。MESH网络即”无线网格网络”，是“多跳(multi-hop)”网络，由ad hoc网络发展而来，MESH可以与其它网络协同通信，是一个动态的可以不断扩展的网络架构，任意的两个设备均可以保持无线互联。进一步地，信标为同步信标，包括包括中心信标及转发信标；其中，中心信标由中心节点在0时隙号发送；转发信标由中心节点之外的网络节点在各自的转发时隙转发。中心节点为微蜂窝接入中心，中心节点能够在网络中周期性发起同步信标，并且通过父节点与网络各节点进行通信。

如图2所示，根据异层调整系数、同层调整系数构建规则的时间同步骤包括以下步骤：

S510、第一节点等待接受信标；

S520、信标若为中心信标，根据中心信标时隙确定第一节点的即时同步时间，设为T3；

S530、信标若为转发信标，根据转发信标时隙确定第一节点的即时同步时间，设为T3；

S540、根据异层调整系数、同层调整系数构建规则及公式(1)，确定A、 B、C的值，并将T3、A、B、C的值分别存入记录器；

S550、根据A、B、C的值，带入公式(2)，计算实际误差D，并根据实际误差调整第一节点的即时同步时间；

S560、其余节点依次按照步骤S510-S550完成时间同步。

需说明的是，第一节点的即时同步时间为信标开始时刻、信标帧时间以及第一节点对信标帧的处理时间之和；若信标为中心信标，信标开始时刻为 0时隙号；若信标为转发信标，信标开始时刻为转发信标的时隙号，转发信标包括第一节点的网络层次编号及转发时隙号。

进一步地，：步骤S540的异层调整系数、同层调整系数计算方法如下：

根据第一节点的网络层级，计算异层调整系数A：

其中，i为网络层次编号；

按时间先后排列第一节点的收到所有信标，计算同层调整系数B：

其中，j为顺序编号；

若第一节点为父节点，则

其中，i为网络层次编号，j为顺序编号。

进一步地，根据上述步骤调整后的第一节点的即时同步时间设为T4，则：

T4＝T3+D (7)。

如表1，一种具体实施方案为：例如网络中节点18属于第3层，在一个同步周期内分别接收到不同层次的7个节点的转发信标，转发节点所在层次和即时比较误差分析转发信标节点的层次情况如下：

节点5在接收信标中已处于网络的第1层，A＝1，它是1层网络接收到的第1个信标，B＝1，比较误差C＝+40，进行+40完全调整，即，实际误差 D＝+40；

节点8在接收信标中已处于网络的第2层，A＝0.8，它是2层网络接收到的第1个信标，B＝1.0，比较误差C＝-20，进行-16调整，即，实际误差D＝-16；

节点9是在第2层接收到的第2个信标，A＝0.8，B＝0.8，比较误差C＝+10，节点9又是父节点，计算实际调整值时分别在两个调整系数上再加0.2，因此进行+10完全调整，即，实际误差D＝+10；

其它节点按以上调整方法处理。

从表中可见，整个的时间同步调整过程，是递减趋于稳定平滑的，没有出现大的明显的大幅度抖动现象。

表1具体实施方案结果表

注：每个时间单位为10us

综上所述，这种节点自调整递减型权重的柔性时间同步方法，充分兼顾了快速时间同步和平滑稳定同步运行，而每一个节点的稳定同步性能的有效提升，又保证了整个网络的稳定同步运行。

在阅读完本文描述的内容之后，本领域的技术人员应当明白，本文描述的各种特征可通过方法、数据处理系统或计算机程序产品来实现。因此，这些特征可不采用硬件的方式、全部采用软件的方式或者采用硬件和软件结合的方式来表现。此外，上述特征也可采用存储在一种或多种计算机可读存储介质上的计算机程序产品的形式来表现，该计算机可读存储介质中包含计算机可读程序代码段或者指令，其存储在存储介质中。可读存储介质被配置为存储各种类型的数据以支持在装置的操作。可读存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现。如静硬态盘、随机存取存储器(SRAM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、可编程只读存储器(PROM)、只读存储器(ROM)、光存储设备、磁存储设备、快闪存储器、磁盘或光盘和/或上述设备的组合。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种权重柔性递减调整的时间同步方法，其特征在于，包括异层调整系数、同层调整系数、比较误差及实际误差；

时间同步方法包括如下步骤：

S300、通过网络各节点的计数器本地时间T1、信标接收时隙T2计算所述比较误差C；

S400、获取第一节点的即时同步时间，并确定所述异层调整系数A、同层调整系数B、比较误差记C的值，与所述即时同步时间一起存入记录器，并计算所述第一节点的实际误差D；

2.根据权利要求1所述的权重柔性递减调整的时间同步方法，其特征在于，步骤S100具体如下：

将网络的第一层各节点的所述异层调整系数均设置为1，网络层级每增加一层该层各节点的所述异层调整系数均减去0.2；当所述异层调整系数减少至0时，保持0值不变；所述第一层的网络层级编号为1，并由与中心节点直接通信连接的节点构成；

若所述第一节点为父节点，所述异层调整系数增加0.2，且增加后的所述异层调整系数不大于1。

3.根据权利要求2所述的权重柔性递减调整的时间同步方法，其特征在于，步骤S200具体如下：

当第k层网络中的第一节点收到第m层发送或转发的第一个信标时，将所述同层调整系数设置为1，此后，每收到一个所述第m层发送或转发的信标其所述同层调整系数均减去0.2；

当所述同层调整系数减少至0时，保持0值不变；所述第k层、第m层的网络层级编号分别为k、m，且k、m均不小于1；

若所述第一节点为父节点，所述同层调整系数增加0.2，且增加后的所述同层调整系数不大于1。

4.根据权利要求3所述的权重柔性递减调整的时间同步方法，其特征在于，所述比较误差记C的计算公式为：

C＝T1-T2 (1)；

所述第一节点的实际误差为：

D＝A*B*C (2)。

5.根据权利要求4所述的权重柔性递减调整的时间同步方法，其特征在于，步骤S500中，所述第一节点的即时同步时间确定方法如下：

S510、所述第一节点等待接受信标；

S 530、所述信标若为转发信标，根据所述转发信标时隙确定所述第一节点的即时同步时间T3。

6.根据权利要求5所述的权重柔性递减调整的时间同步方法，其特征在于，所述第一节点的即时同步时间为所述信标开始时刻、信标帧时间以及所述第一节点对所述信标帧的处理时间之和；

7.根据权利要求5所述的权重柔性递减调整的时间同步方法，其特征在于，所述转发信标包括所述第一节点的网络层次编号及转发时隙号。

8.根据权利要求5所述的权重柔性递减调整的时间同步方法，其特征在于，所述异层调整系数、同层调整系数具体公式为：

根据所述第一节点的网络层级，计算所述异层调整系数A：

其中，i为网络层次编号；

其中，j为顺序编号；

若所述第一节点为所述父节点，则

其中，i为网络层次编号，j为顺序编号。

9.根据权利要求5所述的一种权重柔性递减调整的时间同步方法，其特征在于，调整后的所述第一节点的即时同步时间T4为：

T4＝T3+D (7)。