CN113645686A - 一种带运动补偿的无线自组织网络时间同步方法 - Google Patents

一种带运动补偿的无线自组织网络时间同步方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带运动补偿的无线自组织网络时间同步方法，该方法包括：主节点向从节点发出同步报文，记录同步报文离开主节点时主时钟的第一发送时间；主节点将第一发送时间封装至跟随报文中并发送至从节点；从节点接收到同步报文时记录从时钟的第一达到时间；从节点向主节点发送延时请求报文，记录离开从节点时从时钟的第二发送时间；主节点接收到延时请求报文时记录主时钟的第二到达时间；主节点向从节点发送携带第二到达时间的延时请求响应报文；从节点获取主节点和从节点之间的相对运动速度；计算主时钟和从时钟之间的时钟间偏差并修正从时钟。由此，可以确保运动中的节点能够时间同步，从而让无线自组织网络能够准确地执行各种任务。

Description

一种带运动补偿的无线自组织网络时间同步方法
技术领域
本发明涉及网络管理技术领域，尤其涉及一种带运动补偿的无线自组织网络时间同 步方法。
背景技术
由多个小型化无人节点组成的无人集群，由于其具有降低系统成本、扩展性强、生存性高和缩短任务完成时间等优点，受到了产业界和学术界的广泛关注。无人集群的优 点来源于节点间的协同，而支撑节点协同的基础是保证无机集群网络的有效连通。无人 集群任务的开展前提是无线信息交互，无人集群网络具有一定的连通度才能支持无人集 群正常工作，由于测控弧段有限，无人节点之间的信息网络应具备在无人干预情况下自 主发现、自主组网、自主愈合的能力，从而为集群运行提供可靠的信息链路支持。可以 理解，无人集群是一个有机的整体，整个集群需要进行严密的协同控制。其中，无人集 群的控制过程对时间有严格的要求，如果信息或控制指令传递不及时会造成严重的后果， 因此节点之间需要精确的时间同步。
现有技术中，为了保证无人节点之间的时间同步，其解决方法通常包括：(1)使用卫星导航系统授时(GPS、北斗等)；(2)使用网络授时。其中，当使用卫星导航系统授 时时，无人节点上需要配置额外的用于通信的设备，增加了制造成本，并且只能在室外 无遮挡区域进行使用，限制了使用场景。当使用网络授时时，工业中通常借助以太网采 用IEEE1588协议进行实时的时间同步，IEEE1588协议通过测量双向的传输时延来计算 钟差，尽管其可以达到亚微秒级别时间同步精度，但是其不能给出运动下的节点的时间 补偿，故只能用于节点位置相对固定的有线网络。也就是说，现有技术中的网络时间同 步方法，都只能面向节点位置固定、链路对称的有线网络，无法对节点之间存在相对运 动的无线自组织网络提供高精度的时间同步。
发明内容
为至少部分地解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种带运动补偿的 无线自组织网络时间同步方法。
本发明的技术方案如下：
一种带运动补偿的无线自组织网络时间同步方法，其特征在于，所述方法用于无线自组 织网络，所述无线自组织网络中包括N个节点，N为大于或等于2的正整数，所述N个节点 中的任意两个节点之间的的射频信号可以直达，所述N个节点中包括1个主节点和N-1个从 节点，其中，所述主节点具有主时钟，所述从节点具有从时钟，
所述方法包括：
S100：所述主节点向所述从节点发出同步报文Sync，并记录所述同步报文Sync离开所 述主节点时所述主时钟的第一发送时间t1；
S200：所述主节点将所述第一发送时间t1封装至跟随报文Follow_up中，并将所述跟随 报文Follow_up发送至所述从节点；
S300：所述从节点接收到所述同步报文Sync时记录所述从时钟的第一达到时间t2；
S400：所述从节点向所述主节点发送延时请求报文Delay_req，并记录所述延时请求报 文Delay_req离开所述从节点时所述从时钟的第二发送时间t3；
S500：所述主节点接收到所述延时请求报文Delay_req时记录所述主时钟的第二到达时 间t4；
S600：所述主节点向所述从节点发送携带所述第二到达时间t4的延时请求响应报文 Delay_resp；
S700：所述从节点获取所述主节点和所述从节点之间的相对运动速度v；
S800：所述主时钟和所述从时钟之间的时钟间偏差为offset，则
Figure BDA0003209131330000021
根据所述时钟间偏差offset修正所述从时钟，以使得所 述主时钟和所述从时钟时间同步。
可选地，在所述S100中还包括：所述主节点周期性的向所述从节点发送时间同步数据 包，周期为T1，所述时间同步数据包包括同步报文Sync。
可选地，在所述S700中，所述相对运动速度v的获取方式包括：
在第i次测量中，获取主节点向从节点发送第一同步报文的主时钟的第一发送时间戳 t1[i]，获取从节点收到第一同步报文时的从时钟的第一接收时间戳t2[i]，则
t2[i]＝t1[i]+offset+delay[i]，其中，offset为时钟间偏差，delay[i]为第i次测量时的运动 传播延时；
经过时间间隔T之后，进行第i+1测量；
在第i+1次测量中，获取主节点向从节点发送第二同步报文的主时钟的第二发送时间戳 t1[i+1]，获取从节点收到第二同步报文时的从时钟的第二接收时间戳t2[i+1]，则
t2[i+1]＝t1[i+1]+offset+delay[i+1]，其中，offset为时钟间偏差，delay[i+1]为第i+1 次测量时的运动传播延时；
计算得到相对运动速度v＝[(t2[i+1]-t1[i+1])-(t2[i]-t1[i])]×c/T。
可选地，第i次测量时，i为大于或等于2的正整数，主节点向从节点发送同步报文时 主时钟的时间戳、从节点接收到同步报文时从时钟的时间戳、从节点向主节点发送延时请求 报文时从时钟的时间戳以及主节点接收到延时请求报文时主节点的时间戳分别为t1[i]、t2[i]、 t3[i]、t4[i]，则第i次测量时的时钟间偏差为：
Figure BDA0003209131330000031
本发明技术方案的主要优点如下：
本发明提供的带运动补偿的无线自组织网络时间同步方法，可用于具有多个节点的 无线自组织网络，当该自组织网络中的节点之间发生相对运动时，借助该方法可以确保运动中的节点能够时间同步，从而保证无线自组织网络能够准确且有效地执行各种任务。与现有技术相比，该方法能够适用于多种无线自组织网络，即使网络中的节点有相互移动，也能够有效地保证时间同步，可以为集群运行提供可靠的信息链路支持。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分， 本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附 图中：
图1为根据本发明的一个实施方式中的带运动补偿的无线自组织网络时间同步方法 的简要流程示意图；
图2为本实施方式中的时间同步数据包的发送时间分配示意图；
图3为本实施方式中的主节点和从节点之间的时间同步协议流程简图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相 应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在 没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种带运动补偿的无线自组织网络时间同步方法，其用于无线自组织 网络，当无线自组织网络中的节点之间产生相对运动时，通过该方法能够使得所有节点具有高精度的时间同步。以下，将结合附图，详细说明根据本发明的实施方式中的技术 方案。
在根据本发明的一个实施方式中，提供了一种无线自组织网络，该无线自组织网络 中包括N个节点，N为大于或等于2的正整数，该N个节点中的任意两个节点之间的射 频信号可以直达，无需借助其他中间设备转发。
在该N个节点中包括1个主节点和N-1个从节点，其中，主节点可以是该N个节点 中通过自主协商选举所得，主节点能够在主模式下工作，以负责协调整个网络中的所有 节点的运行，从节点则能够在从模式下工作。
主节点和从节点均各自设置有本地时钟，在本实施方式中，主节点上的本地时钟为 主时钟，从节点上的本地时钟为从时钟。为了保证自组织网络能够稳定且准确地执行任务，主时钟和从时钟上的时间需要同步。
进一步地，主节点能够周期性的向从节点发送时间同步数据包，周期为T1，也就是说，主节点能够持续多次向从节点发送时间同步数据包，并且相邻两次发送之间的时间 间隔为T1。
此外，如图2所示，以时间同步数据包发送时刻为起点，持续T2时间段，称为一 个时间帧。优选地，T1＝T2＝T。在本实施方式中，在同一个时间帧内，自组织网络内的 节点可以采用时分多址的方式进行通信。作为一种实现方式，在一个时间帧内可以划分 为多个时隙，各个节点能够在分配给自己的时隙内发送数据，而且可以在其他时隙内接 收数据。
在本实施方式中，还提供了一种时间同步方法，该方法可以通过主节点、从节点之间的双向消息交互和收发时刻测量来计算收发两端的节点之间的时钟差。
具体地，如图1所示，该方法包括：
S100：主节点向从节点发出同步报文Sync，并记录同步报文Sync离开主节点时主时钟的第一发送时间t1；
S200：主节点将第一发送时间t1封装至跟随报文Follow_up中，并将跟随报文Follow_up 发送至从节点；
S300：从节点接收到同步报文Sync时记录从时钟的第一到达时间t2；
S400：从节点向主节点发送延时请求报文Delay_req，并记录延时请求报文Delay_req 离开从节点时从时钟的第二发送时间t3；
S500：主节点接收到延时请求报文Delay_req时记录主时钟的第二到达时间t4；
S600：主节点向从节点发送携带第二到达时间t4的延时请求响应报文Delay_resp；
具体地，在本实施方式中，当自组织网络中的主节点需要与其中一个从节点将时间 同步时，可以先由主节点向从节点发出同步报文Sync，主节点同时还需要记录当其发出同步报文Sync时主时钟所显示的时间，该时间即为第一发送时间t1。之后，主节点再将 封装有第一发送时间t1的跟随报文Follow_up发送至从节点。从节点依次接收到同步报文Sync 和跟随报文Follow_up，其中，当从节点接收到同步报文Sync时，随即记录从时钟显示的时 间，该时间即为第一到达时间t2。然后，从节点再向主节点发送延时请求报文Delay_req，同 时记录当其发出延时请求报文Delay_req时从时钟所显示的时间，该时间即为第二发送时间 t3。当主节点接收到延时请求报文Delay_req后，随即记录主时钟所显示的时间，该时间即为 第二到达时间t4。最后，主节点向从节点发送携带有第二到达时间t4的延时请求响应报文 Delay_resp。
可以理解的是，时间同步数据包包括同步报文Sync，主节点能够周期性的向从节点发出 同步报文Sync。
当从节点依次获取第一发送时间t1、第一到达时间t2、第二发送时间t3和第二到达时间 t4之后，还需要获取主节点和从节点之间的速度，才能够准确地获知主时钟和从时钟之间的 时钟偏差。
对此，时间同步方法还包括：
S700：从节点获取主节点和从节点之间的相对运动速度v；
S800：主时钟和从时钟之间的偏差为offset，则
Figure BDA0003209131330000051
根据时钟间偏差offset修正从时钟，以使得主时钟和 从时钟时间同步。
具体地，在本实施方式中，主节点和从节点之间具有相对运动，假设主节点和从节点之 间沿该两个节点连线方向的相对运动为匀速直线运动，则从节点获取该两个节点之间的相对 运动速度v。此时，从节点上已经获取第一发送时间t1、第一到达时间t2、第二发送时间t3、 第二到达时间t4和相对运动速度v，主时钟和从时钟之间的偏差为offset，则
Figure BDA0003209131330000052
之后，根据计算所得的时钟间偏差offset修正从时钟，从而使得主时钟和从时钟的时 间同步。
在现有技术中，如图3所示，当主节点和从节点之间的距离不变，则时钟间偏差offset 和传输延时delay恒定不变，此时，计算可知：
t2＝t1+offset+delay； (1)
t4＝t3-offset+delay； (2)
由上式可得：
Figure BDA0003209131330000061
Figure BDA0003209131330000062
其中，主节点和从节点上各自的本地时钟的稳定取决于时钟晶振的稳定性，目前，时钟晶振的稳定度很高，而时间同步的周期通常为秒级，在这个时间段内，时钟间偏差offset可近似认为恒定。而且，如果节点之间的相对位置保持不变，则传播延时delay也 可以认为是恒定的。也就是说，如果主节点和从节点之间的相对位置保持不变，则传播 延时可视为恒定值。但是，如果主节点和从节点之间存在相对运动，两者之间的距离发 生了变化，则传播延时delay必然会发生相应的变化，此时，上述公式(1)和(2)中的 delay将不再相等，通过公式(3)和(4)计算得到的offset和delay会带来误差，误差的 大小与节点之间相对运动的速度大小有关，两者之间的相对运动速度越大，则误差越大。
在本实施方式中，无线自组织网络中的主节点和从节点之间存在相对运动，且两者 之间的相对运动速度为v。当延时请求报文Delay_req消息发出时，由于节点之间存在相对运动，节点之间的距离较同步报文Sync发出时已经发生变化，因此传播时延delay也 发生相应变化，以运动传播延时delay’表示。此时，
t2＝t1+offset+delay； (5)
t4＝t3-offset+delay’； (6)
其中，运动传播延时delay’等于同步报文Sync的传播延时delay加上这段时间内节 点之间距离变化导致的传播时间变化量，即
delay’＝delay+(t3-t1’)×v/c； (7)
其中，上式(7)中的t1’是从节点中同步报文Sync在从时钟下对应的发送时间，此时，
t1’＝t1+offset； (8)
t4＝t3-offset+delay+(t3-t1-offset)×v/c； (9)
由上述可得：
Figure BDA0003209131330000063
由此，从节点可以通过计算得到时钟间偏差offset，并由此修正从时钟，从而使得主 节点上的主时钟与从节点上的从时钟时间同步。
优选地，在实际应用中，当v＜＜c时，可以将上式进行简化，例如，offset可以简化为：
Figure BDA0003209131330000071
优选地，在本实施方式中，由于时间同步过程在每个时间帧内都会进行，因此可以通过多次测量计算相对运动速度v。
可以理解的是，在本实施方式中，主节点能够以固定的间隔周期T向从节点发送同步报文Sync，之后，关于跟随报文Follow_up、延时请求报文Delay_req以及延时请求响 应报文Delay_resp的发送时间则相对于同步报文Sync没有过高的要求，只要保证这些信 息能够在同一时间帧内发送完成即可。
作为一种实现方式，本实施方式中可以选取主节点向从节点发送同步报文Sync的过程来计算主节点和从节点之间的相对运动速度v。示例性地，在第i次测量中，主节点 向从节点发送同步报文时主时钟的时间戳、从节点接收到同步报文时从时钟的时间戳、 从节点向主节点发送延时请求报文时从时钟的时间戳、以及主节点接收到延时请求报文 时主节点的时间戳分别为t1[i]、t2[i]、t3[i]、t4[i]。
在本实施方式中，相对运动速度v的获取方式包括：
在第i次测量中，获取主节点向从节点发送第一同步报文的主时钟的第一发送时间戳 t1[i]，获取从节点收到第一同步报文时的从时钟的第一接收时间戳t2[i]，则
t2[i]＝t1[i]+offset+delay[i]， (12)
其中，offset为时钟间偏差，delay[i]为第i次测量时的运动传播延时；
经过时间间隔T之后，进行第i+1测量；
在第i+1次测量中，获取主节点向从节点发送第二同步报文的主时钟的第二发送时间戳 t1[i+1]，获取从节点收到第二同步报文时的从时钟的第二接收时间戳t2[i+1]，则
t2[i+1]＝t1[i+1]+offset+delay[i+1]， (13)
其中，offset为时钟间偏差，delay[i+1]为第i+1次测量时的运动传播延时；
传播延时delay的变化是用于主节点和从节点之间的距离的变化引起的，由于两次同 步报文Sync的测量之间的时间间隔为T，则主节点向从节点两次发送同步报文时其之间 的距离变化为v×T，将上述两个公式相减可得：
delay[i+1]-delay[i]＝(t2[i+1]-t1[i+1])-(t2[i]-t1[i])＝v×T/c； (14)
计算得到相对运动速度：
v＝[(t2[i+1]-t1[i+1])-(t2[i]-t1[i])]×c/T。 (15)
进一步地，结合公式(10)计算可得：
Figure BDA0003209131330000081
将上式(16)写为差分形式为：
Figure BDA0003209131330000082
也就是说，当无线自组织网络中的主节点和从节点之间存在相对运动时，可以借助 其之间发送和接收报文的时间戳，以及发送报文的周期来计算主节点的主时钟和从节点 的从时钟之间的时钟间偏差，在本实施方式中，可以得到第i次测量时的时钟间偏差为：
Figure BDA0003209131330000083
由此，本发明提供的带运动补偿的无线自组织网络时间同步方法，可用于具有多个 节点的无线自组织网络，当该自组织网络中的节点之间发生相对运动时，借助该方法可以确保运动中的节点能够时间同步，从而保证无线自组织网络能够准确且有效地执行各种任务。与现有技术相比，该方法能够适用于多种无线自组织网络，即使网络中的节点 有相互移动，也能够有效地保证时间同步，可以为集群运行提供可靠的信息链路支持。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将 一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操 作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何 其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者 设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过 程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、 “下”均以附图中表示的放置状态为参照。
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然 可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替 换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的 精神和范围。

Claims (4)

1.一种带运动补偿的无线自组织网络时间同步方法，其特征在于，所述方法用于无线自组织网络，所述无线自组织网络中包括N个节点，N为大于或等于2的正整数，所述N个节点中的任意两个节点之间的的射频信号可以直达，所述N个节点中包括1个主节点和N-1个从节点，其中，所述主节点具有主时钟，所述从节点具有从时钟，
所述方法包括：
S100：所述主节点向所述从节点发出同步报文Sync，并记录所述同步报文Sync离开所述主节点时所述主时钟的第一发送时间t1；
S200：所述主节点将所述第一发送时间t1封装至跟随报文Follow_up中，并将所述跟随报文Follow_up发送至所述从节点；
S300：所述从节点接收到所述同步报文Sync时记录所述从时钟的第一达到时间t2；
S400：所述从节点向所述主节点发送延时请求报文Delay_req，并记录所述延时请求报文Delay_req离开所述从节点时所述从时钟的第二发送时间t3；
S500：所述主节点接收到所述延时请求报文Delay_req时记录所述主时钟的第二到达时间t4；
S600：所述主节点向所述从节点发送携带所述第二到达时间t4的延时请求响应报文Delay_resp；
S700：所述从节点获取所述主节点和所述从节点之间的相对运动速度v；
S800：所述主时钟和所述从时钟之间的时钟间偏差为offset，则
Figure FDA0003209131320000011
根据所述时钟间偏差offset修正所述从时钟，以使得所述主时钟和所述从时钟时间同步。
2.根据权利要求1中所述的带运动补偿的无线自组织网络时间同步方法，其特征在于，在所述S100中还包括：所述主节点周期性的向所述从节点发送时间同步数据包，周期为T1，所述时间同步数据包包括同步报文Sync。
3.根据权利要求2中所述的带运动补偿的无线自组织网络时间同步方法，其特征在于，在所述S700中，所述相对运动速度v的获取方式包括：
在第i次测量中，获取主节点向从节点发送第一同步报文的主时钟的第一发送时间戳t1[i]，获取从节点收到第一同步报文时的从时钟的第一接收时间戳t2[i]，则
t2[i]＝t1[i]+offset+delay[i]，其中，offset为时钟间偏差，delay[i]为第i次测量时的运动传播延时；
经过时间间隔T之后，进行第i+1测量；
在第i+1次测量中，获取主节点向从节点发送第二同步报文的主时钟的第二发送时间戳t1[i+1]，获取从节点收到第二同步报文时的从时钟的第二接收时间戳t2[i+1]，则
t2[i+1]＝t1[i+1]+offset+delay[i+1]，其中，offset为时钟间偏差，delay[i+1]为第i+1次测量时的运动传播延时；
计算得到相对运动速度v＝[(t2[i+1]-t1[i+1])-(t2[i]-t1[i])]×c/T。
4.根据权利要求2中所述的带运动补偿的无线自组织网络时间同步方法，其特征在于，第i次测量时，i为大于或等于2的正整数，主节点向从节点发送同步报文时主时钟的时间戳、从节点接收到同步报文时从时钟的时间戳、从节点向主节点发送延时请求报文时从时钟的时间戳以及主节点接收到延时请求报文时主节点的时间戳分别为t1[i]、t2[i]、t3[i]、t4[i]，则第i次测量时的时钟间偏差为：
Figure FDA0003209131320000021
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