CN114364011A - 超宽带基站的无线同步方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超宽带基站的无线同步方法及装置，其中，该方法包括：第一基站广播第一基站的第一消息，并接收每一第二基站广播的第二基站的第一消息；第一基站基于各第一消息，确定第一基站的身份；在第一基站的身份为根节点的情况下，第一基站周期性广播时间同步消息，以使得每一第二基站返回时间同步消息对应的时间同步响应消息，并基于上一周期的时间同步消息、本周期的时间同步消息、每一第二基站接收上一周期的时间同步消息的第二时间和发送上一周期的时间同步响应消息的第三时间，与第一基站进行时间同步。本发明提供的超宽带基站的无线同步方法及装置，能极大地减少产品和运维成本。

Description

超宽带基站的无线同步方法及装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种超宽带基站的无线同步方法及装置。

背景技术

超宽带(Ultra Wide Band，UWB)基站定位系统中，超宽带定位基站利用UWB脉冲信号具有的高时间分辨率性质来进行定位，使得UWB定位基站(可以简称为“超宽带基站”或“UWB基站”)的时钟晶振稳定性或UWB定位基站间的时钟同步性能对系统提供高精度定位能力具有至关重要的影响。

目前，超宽带基站之间的同步方法主要包括两种：第一种以有线的方式，实现基站和时间服务器之间的同步；第二种有一个专门的同步基站，其他非同步基站与该同步基站实现同步。但上述两种现有方法不但研发成本高，产品的生产成本、部署成本和维护成本等都会随着升高。

发明内容

本发明提供一种超宽带基站的无线同步方法及装置，用以解决现有技术中的成本高的缺陷，实现简单、低成本的超宽带基站的无线同步。

本发明提供一种超宽带基站的无线同步方法，包括：

第一基站广播所述第一基站的第一消息，并接收每一第二基站广播的所述第二基站的第一消息；

所述第一基站基于各所述第一消息，确定所述第一基站的身份；第一基站的身份为根节点、转发节点或叶子节点；

在所述第一基站的身份为根节点的情况下，所述第一基站周期性广播时间同步消息，以使得所述每一第二基站返回所述时间同步消息对应的时间同步响应消息，并基于上一周期的所述时间同步消息、本周期的所述时间同步消息、所述每一第二基站接收上一周期的所述时间同步消息的第二时间和发送上一周期的所述时间同步响应消息的第三时间，与所述第一基站进行时间同步；

其中，所述第一基站的第一消息携带有所述第一基站的一跳邻节点和两跳邻节点的信息；所述第二基站的第一消息携带有所述第二基站的一跳邻节点和两跳邻节点的信息；本周期的所述时间同步消息携带有所述第一基站广播本周期的所述时间同步消息的第一时间和接收各第二基站上一周期的时间同步响应消息的第四时间。

根据本发明提供的一种超宽带基站的无线同步方法，所述第一基站基于各所述第一消息，确定所述第一基站的身份之后，还包括：

在所述第一基站的身份为叶子节点的情况下，所述第一基站接收所述根节点广播的各周期的所述时间同步消息；

所述第一基站返回所述时间同步消息对应的时间同步响应消息，并基于上一周期的所述时间同步消息、本周期的所述时间同步消息、所述第一基站接收上一周期的所述时间同步消息的第二时间和发送上一周期的时间同步响应消息的第三时间，与所述根节点进行时间同步。

根据本发明提供的一种超宽带基站的无线同步方法，所述第一基站基于各所述第一消息，确定所述第一基站的身份之后，还包括：

在所述第一基站的身份为转发节点的情况下，所述第一基站接收并转发所述根节点广播的各周期的所述时间同步消息；

所述第一基站返回所述时间同步消息对应的时间同步响应消息，并基于上一周期的所述时间同步消息、本周期的所述时间同步消息、所述第一基站接收上一周期的所述时间同步消息的第二时间和发送上一周期的时间同步响应消息的第三时间，与所述根节点进行时间同步。

根据本发明提供的一种超宽带基站的无线同步方法，所述每一第二基站基于上一周期的所述时间同步消息、本周期的所述时间同步消息、所述每一第二基站接收上一周期的所述时间同步消息的第二时间和发送上一周期的所述时间同步响应消息的第三时间，与所述第一基站进行时间同步，具体包括：

基于上一周期的所述时间同步消息中所述第一基站广播所述上一周期的所述时间同步消息的第一时间、所述本周期的所述时间同步消息中所述第一基站接收所述每一第二基站上一周期的时间同步响应消息的第四时间、所述每一第二基站接收上一周期的所述时间同步消息的第二时间和发送上一周期的所述时间同步响应消息的第三时间，获取所述第一基站与所述每一第二基站之间的时间偏差；

所述每一第二基站基于所述第一基站与所述每一第二基站之间的时间偏差调整所述每一第二基站的时钟。

根据本发明提供的一种超宽带基站的无线同步方法，所述基于上一周期的所述时间同步消息中所述第一基站广播所述上一周期的所述时间同步消息的第一时间、所述本周期的所述时间同步消息中所述第一基站接收所述每一第二基站上一周期的时间同步响应消息的第四时间、所述每一第二基站接收上一周期的所述时间同步消息的第二时间和发送上一周期的所述时间同步响应消息的第三时间，获取所述第一基站与所述每一第二基站之间的时间偏差的计算公式为：

T_offset＝((T4+T1)-(T3+T2))/2

其中，T_offset表示所述第一基站与所述每一第二基站之间的时间偏差；T1表示所述第一基站广播所述上一周期的所述时间同步消息的第一时间；T2表示所述每一第二基站接收上一周期的所述时间同步消息的第二时间；T3表示所述每一第二基站发送上一周期的所述时间同步响应消息的第三时间；T4表示所述第一基站接收所述每一第二基站上一周期的时间同步响应消息的第四时间。

根据本发明提供的一种超宽带基站的无线同步方法，所述第一时间、所述第二时间、所述第三时间和所述第四时间的形式为硬时间戳。

本发明还提供一种超宽带基站的无线同步装置，包括：

第一通信模块，用于广播第一基站的第一消息，并接收每一第二基站广播的所述第二基站的第一消息；

身份确定模块，用于基于各所述第一消息，确定所述第一基站的身份；第一基站的身份为根节点、转发节点或叶子节点；

第二通信模块，用于在所述第一基站的身份为根节点的情况下，周期性广播时间同步消息，以使得所述每一第二基站返回所述时间同步消息对应的时间同步响应消息，并基于上一周期的所述时间同步消息、本周期的所述时间同步消息、所述每一第二基站接收上一周期的所述时间同步消息的第二时间和发送上一周期的所述时间同步响应消息的第三时间，与所述第一基站进行时间同步；

其中，所述第一基站的第一消息携带有所述第一基站的一跳邻节点和两跳邻节点的信息；所述第二基站的第一消息携带有所述第二基站的一跳邻节点和两跳邻节点的信息；本周期的所述时间同步消息携带有所述第一基站广播本周期的所述时间同步消息的第一时间和接收各第二基站上一周期的时间同步响应消息的第四时间。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述超宽带基站的无线同步方法的步骤。

本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述超宽带基站的无线同步方法的步骤。

本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述超宽带基站的无线同步方法的步骤。

本发明提供的超宽带基站的无线同步方法及装置，通过选取UWB基站群中的某个基站为主时钟基站，其他主时钟基站与主时钟基站通过交互时间同步消息和时间同步响应消息，实现全网基站的时间同步，不使用时间服务器和有线的同步方式，也不采用专门的同步基站，能极大地减少产品和运维成本。并且，减少了基站间的交互次数，只需要一次交互即可实现无线同步化，对降低无线同步对整个UWB基站群的影响，不影响正常的定位功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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。

图1是本发明提供的超宽带基站的无线同步方法的流程示意图；

图2是本发明提供的超宽带基站群的结构示意图；

图3是本发明提供的超宽带基站的无线同步方法的原理示意图；

图4是本发明提供的超宽带基站的无线同步装置的结构示意图；

图5是本发明提供的电子设备的结构示意图。

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，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

在本发明实施例的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，且不涉及顺序。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

下面结合图1至图5描述本发明提供的超宽带基站的无线同步方法及装置。

图1是本申请提供的超宽带基站的无线同步方法的流程示意图。下面结合图1描述本申请实施例的超宽带基站的无线同步方法。如图1所示，该方法包括：步骤101、步骤102和步骤103。

具体地，本发明实施例提供的超宽带基站的无线同步方法的执行主体为超宽带基站的无线同步装置。本发明实施例提供的超宽带基站的无线同步方法，用于超宽带基站群包括的各超宽带基站(以下简称“基站”)进行基于无线方式的时间同步。该无线同步装置可以为超宽带基站群中的任一基站。

步骤101、第一基站广播第一基站的第一消息，并接收每一第二基站广播的第二基站的第一消息。

其中，第一基站的第一消息携带有第一基站的一跳邻节点和两跳邻节点的信息；第二基站的第一消息携带有第二基站的一跳邻节点和两跳邻节点的信息。

具体地，对于由N个节点(即N个基站，N为正整数)组成的UWB基站群(N个节点的节点编号分别为N1、N2、N3、N4、……)，在预设的收敛周期T_C内，各节点初始上电之后，以固定的第一周期，发送特定的广播包，即广播各自的第一消息。对于任一节点，该节点的第一消息可以携带有该节点的一跳邻节点和二跳邻节点的信息。

可以理解的是，一个基站的初始状态没有一跳邻节点和两跳邻节点。

需要说明的是，各节点需错开发送第一消息的时间，避免邻节点间的无线干扰。该UWB基站群中的任一节点，至少与一个其他节点通信连接。

可以理解的是，收敛周期T_C的时长大于第一周期的时长，收敛周期T的时长可以为第一周期的时长的多倍。

经过收敛周期T_C之后，对于任一节点(该节点为第一基站，UWB基站群中的其他节点为第二基站)，该节点可以基于每一第二基站的第一消息，获取该第二基站的一跳邻节点和二跳邻节点的信息，从而得到UWB基站群中各节点的一跳邻节点和二跳邻节点的信息。

步骤102、第一基站基于各第一消息，确定第一基站的身份；第一基站的身份为根节点、转发节点或叶子节点。

具体地，该节点可以基于UWB基站群中各节点的一跳邻节点和二跳邻节点的信息，获取该UWB基站群的拓扑结构。

该节点基于该UWB基站群的拓扑结构和各节点的一跳邻节点和二跳邻节点的信息，确定各节点的身份，即选出各节点中的根节点、转发节点和叶子节点。该UWB基站群中，根节点有且仅有一个。根节点作为主时钟基站(可以简称“主基站”)，转发节点和叶子节点均作为从时钟基站(可以简称“从基站”)。

可选地，根节点满足可通过转发节点到达全网其他所有节点，并且到达其他节点的路径总和最短。

步骤103、在第一基站的身份为根节点的情况下，第一基站周期性广播时间同步消息，以使得每一第二基站返回时间同步消息对应的时间同步响应消息，并基于上一周期的时间同步消息、本周期的时间同步消息、每一第二基站接收上一周期的时间同步消息的第二时间和发送上一周期的时间同步响应消息的第三时间，与第一基站进行时间同步。

其中，本周期的时间同步消息携带有第一基站广播本周期的时间同步消息的第一时间和接收各第二基站上一周期的时间同步响应消息的第四时间。

具体地，根节点基于第二周期，周期性地广播以自身的时钟为时间标准的时间同步消息。转发节点可以接收时间同步消息，处理该时间同步消息进行转发，返回相应的时间同步响应消息。叶子节点可以接收时间同步消息并进行处理，返回相应的时间同步响应消息。

可选地，每个周期的时间同步消息还可以携带有流水号，不同周期的时间同步消息携带的流水号不同；该周期的时间同步响应消息也携带有该流水号，还携带有发送该时间同步响应消息的节点的节点号。通过时间同步响应消息携带的流水号，根节点可以确定该时间同步响应消息与哪个周期的时间同步消息相对应。

对于每个周期的时间同步消息，可以携带有根节点广播该周期的时间同步消息的第一时间和根节点接收各其他节点返回上一周期的时间同步响应消息的第四时间。

对于非根节点的每一其他节点，该其他节点接收每个周期的时间同步消息之后，记录自身接收周期的时间同步消息的第二时间，并向根节点返回该时间同步消息对应的时间同步响应消息(即该周期的时间同步响应消息)，记录自身发送该周期的时间同步响应消息的第三时间，为计算与根节点之间的时间偏差做准备。

由于两个节点间的距离是一定的，且电磁波在大气中传送的速度是恒定的，该其他节点可以基于上一周期的时间同步消息、本周期的时间同步消息、自身接收上一周期的时间同步消息的第二时间和自身发送上一周期的时间同步响应消息的第三时间，获取自身的时钟与根节点的时钟之间的偏差；根据该偏差调整自身的时钟，以消除自身的时钟与根节点的时钟之间的偏差，实现无线同步，满足UWB基站一维定位和二维定位的需求。

可以理解的是，对于非根节点的各其他节点，可以通过与根节点之间不断交互时间同步消息和时间同步响应消息，实现全网基站的时间同步。

本发明实施例通过选取UWB基站群中的某个基站为主时钟基站，其他主时钟基站与主时钟基站通过交互时间同步消息和时间同步响应消息，实现全网基站的时间同步，不使用时间服务器和有线的同步方式，也不采用专门的同步基站，能极大地减少产品和运维成本。并且，减少了基站间的交互次数，只需要一次交互即可实现无线同步化，对降低无线同步对整个UWB基站群的影响，不影响正常的定位功能。

基于上述任一实施例的内容，第一基站基于各第一消息，确定第一基站的身份之后，还包括：在第一基站的身份为叶子节点的情况下，第一基站接收根节点广播的各周期的时间同步消息。

具体地，对于任一叶子节点，该节点可以接收经转发节点转发的根节点广播的各周期的时间同步消息。

第一基站返回时间同步消息对应的时间同步响应消息，并基于上一周期的时间同步消息、本周期的时间同步消息、第一基站接收上一周期的时间同步消息的第二时间和发送上一周期的时间同步响应消息的第三时间，与根节点进行时间同步。

具体地，该叶子节点可以接收时间同步消息并进行处理，返回相应的时间同步响应消息。时间同步响应消息可以经转发节点转发，最终由根节点接收。

由于两个节点间的距离是一定的，且电磁波在大气中传送的速度是恒定的，该叶子节点可以基于上一周期的时间同步消息、本周期的时间同步消息、自身接收上一周期的时间同步消息的第二时间和自身发送上一周期的时间同步响应消息的第三时间，获取自身的时钟与根节点的时钟之间的偏差；根据该偏差调整自身的时钟，以消除自身的时钟与根节点的时钟之间的偏差，实现无线同步。

本发明实施例通过选取UWB基站群中的某个基站为主时钟基站，其他主时钟基站与主时钟基站通过交互时间同步消息和时间同步响应消息，实现全网基站的时间同步，不使用时间服务器和有线的同步方式，也不采用专门的同步基站，能极大地减少产品和运维成本。并且，减少了基站间的交互次数，只需要一次交互即可实现无线同步化，对降低无线同步对整个UWB基站群的影响，不影响正常的定位功能。

基于上述任一实施例的内容，第一基站基于各第一消息，确定第一基站的身份之后，还包括：在第一基站的身份为转发节点的情况下，第一基站接收并转发根节点广播的各周期的时间同步消息。

具体地，对于任一转发节点，该节点可以接收经其他转发节点转发的根节点广播的各周期的时间同步消息，或者直接接收根节点广播的各周期的时间同步消息。

该转发节点接收每一周期的时间同步消息之后，可以将该周期的时间同步消息向叶子节点和/或其他转发节点转发。

第一基站返回时间同步消息对应的时间同步响应消息，并基于上一周期的时间同步消息、本周期的时间同步消息、第一基站接收上一周期的时间同步消息的第二时间和发送上一周期的时间同步响应消息的第三时间，与根节点进行时间同步。

具体地，由于两个节点间的距离是一定的，且电磁波在大气中传送的速度是恒定的，该转发节点可以基于上一周期的时间同步消息、本周期的时间同步消息、自身接收上一周期的时间同步消息的第二时间和自身发送上一周期的时间同步响应消息的第三时间，获取自身的时钟与根节点的时钟之间的偏差；根据该偏差调整自身的时钟，以消除自身的时钟与根节点的时钟之间的偏差，实现无线同步。

本发明实施例通过选取UWB基站群中的某个基站为主时钟基站，其他主时钟基站与主时钟基站通过交互时间同步消息和时间同步响应消息，实现全网基站的时间同步，不使用时间服务器和有线的同步方式，也不采用专门的同步基站，能极大地减少产品和运维成本。并且，减少了基站间的交互次数，只需要一次交互即可实现无线同步化，对降低无线同步对整个UWB基站群的影响，不影响正常的定位功能。

基于上述任一实施例的内容，每一第二基站基于上一周期的时间同步消息、本周期的时间同步消息、每一第二基站接收上一周期的时间同步消息的第二时间和发送上一周期的时间同步响应消息的第三时间，与第一基站进行时间同步，具体包括：基于上一周期的时间同步消息中第一基站广播上一周期的时间同步消息的第一时间、本周期的时间同步消息中第一基站接收每一第二基站上一周期的时间同步响应消息的第四时间、每一第二基站接收上一周期的时间同步消息的第二时间和发送上一周期的时间同步响应消息的第三时间，获取第一基站与每一第二基站之间的时间偏差。

具体地，对于每一从基站，该从基站接收每个周期的时间同步消息之后，可以获取该周期的时间同步消息中的根节点广播该周期的时间同步消息的第一时间，记录自身接收周期的时间同步消息的第二时间，并向根节点返回该时间同步消息对应的时间同步响应消息(即该周期的时间同步响应消息)，记录自身发送该周期的时间同步响应消息的第三时间。

该从基站接收下一周期的时间同步消息之后，可以获取该周期的时间同步消息中的根节点接收该从基站上一周期的时间同步响应消息的第四时间。

该从基站可以基于根节点广播上一周期的时间同步消息的第一时间、该从基站接收上一周期的时间同步消息的第二时间、该从基站发送自身上一周期的时间同步响应消息的第三时间、根节点接收该从基站上一周期的时间同步响应消息的第四时间，根据从基站与根节点之间的距离是一定的以及电磁波在同一种介质中的传播速度是一定的，获取自身的时钟与根节点的时钟之间的偏差(即该从基站与根节点之间的时间偏差)。

每一第二基站基于第一基站与每一第二基站之间的时间偏差调整每一第二基站的时钟。

具体地，该从基站根据自身与根节点之间的时间偏差，调整自身的时钟，以消除自身的时钟与根节点的时钟之间的偏差，实现无线同步。

本发明实施例通过从基站与根节点交互时间同步消息和时间同步响应消息，获取根节点广播上一周期的时间同步消息的第一时间、该从基站接收上一周期的时间同步消息的第二时间、该从基站发送自身上一周期的时间同步响应消息的第三时间、根节点接收该从基站上一周期的时间同步响应消息的第四时间，基于上述第一时间、第二时间、第三时间和第四时间，与根节点进行时间同步，能极大地减少产品和运维成本。并且，减少了基站间的交互次数，只需要一次交互即可实现无线同步化，对降低无线同步对整个UWB基站群的影响，不影响正常的定位功能。

基于上述任一实施例的内容，基于上一周期的时间同步消息中第一基站广播上一周期的时间同步消息的第一时间、本周期的时间同步消息中第一基站接收每一第二基站上一周期的时间同步响应消息的第四时间、每一第二基站接收上一周期的时间同步消息的第二时间和发送上一周期的时间同步响应消息的第三时间，获取第一基站与每一第二基站之间的时间偏差的计算公式为：

T_offset＝((T4+T1)-(T3+T2))/2

其中，T_offset表示第一基站与每一第二基站之间的时间偏差；T1表示第一基站广播上一周期的时间同步消息的第一时间；T2表示每一第二基站接收上一周期的时间同步消息的第二时间；T3表示每一第二基站发送上一周期的时间同步响应消息的第三时间；T4表示第一基站接收每一第二基站上一周期的时间同步响应消息的第四时间。

具体地，在第一基站的身份为根节点的情况下，对于任一第二基站，该第二基站与第一基站之间的距离是一定的并且电磁波在大气中传送的速度是一定的(一般为光速)，该第二基站与第一基站之间的时间偏差为T_offset，光速为C，则有如下关系：

(T2+T_offset–T1)*C＝(T4–(T3+T_offset)*C

则T_offset＝((T4+T1)-(T3+T2))/2

基于上述任一实施例的内容，第一时间、第二时间、第三时间和第四时间的形式为硬时间戳。

具体地，第一时间、第二时间、第三时间和第四时间均可以采用硬时间戳。

硬时间戳，即硬件时间戳，指由硬件产生的时间戳。可选地，上述硬时间戳可以为节点的UWB无线芯片产生的时间戳。

示例性地，对于本周期的时间同步消息，发送该周期的时间同步消息的第一时间，可以为该消息离开根节点的UWB无线芯片的时间戳；从基站接收该周期的时间同步消息的第二时间，可以为该消息到达该从基站的UWB无线芯片的时间戳。对于该周期的时间同步响应消息，发送该周期的时间同步响应消息的第三时间，可以为该消息离开该从基站的UWB无线芯片的时间戳；根节点接收该从基站该周期的时间同步响应消息的第四时间，可以为该消息到达根节点的UWB无线芯片的时间戳。

本发明实施例通过采用硬时间戳，能更精确地进行时间同步。

为了便于对本发明上述各实施例的理解，下面通过一个实例对UWB基站的无线同步过程进行描述。

基于Dw1000的UWB基站链式组网，如图2所示，该UWB基站群包括7个基站，分别为节点1至节点7。

Dw1000芯片内部有64位的高精度时钟，能在物理层帧头记录接收无线帧的准确时间，并且有延迟发送功能，能精确获知无线帧离开芯片的时间。

步骤一：收敛周期为T_C，在收敛周期T_C内选出根节点为节点4；节点2、节点3、节点5和节点6为转发节点；节点1和节点7为叶子节点。根节点发送时间同步消息的周期为1S；除根节点外其他节点在1S的周期内(以根节点发出的序号为准)，只处理第一次收到的时间同步消息；所有节点除对时间同步消息及时间同步响应消息为发送状态，其它时间都为接收状态。

步骤二：节点1和节点7的设置模式为收到时间同步消息自动回应ACK消息(即时间同步响应消息)，这是Dw1000芯片所具备的功能。

步骤三：对于第S个周期，节点4获取当前时间戳t，并设置延迟发送时间T_delay为5ms(5ms仅为举例，T_delay可以为其他值)，将t+5作为第S个周期的第一时间T1(S)填充到时间同步消息中，该时间同步消息包含序号S以及上个周期记录的第四时间T4(S-1)。第S个周期的时间同步消息的格式如表1所示。

表一 时间同步消息的格式表

第S个周期的时间同步消息可以携带有流水号、节点4广播该消息的时间T1(S)、从节点数以及节点4接收各从节点第(S-1)个周期的时间同步响应消息的时间T4(S-1)-1、T4(S-1)-2、T4(S-1)-3、T4(S-1)-5、T4(S-1)-6、T4(S-1)-7。

可以理解的是，T4(S-1)-1表示节点4接收节点1第(S-1)个周期的时间同步响应消息的时间，T4(S-1)-2、T4(S-1)-3、T4(S-1)-5、T4(S-1)-6、T4(S-1)-7的含义依此类推。

其中，流水号一直递增。T1(S)即为通过步骤三所得到的第一时间。从节点数，指除根节点外其他节点的个数，如本实例中总共有7个节点，则从节点数为6。对于第1个周期时间同步消息，T4(S-1)-1及之后没有对应的数据，可以填充为0。各从节点第(S-1)个周期的时间同步响应消息的时间，可以以节点号的顺序进行排列。

步骤四：节点2收到第S个周期的时间同步消息，回应第S个周期的时间同步响应消息，记录第S个周期时间同步消息中的T1(S)，分别记录接收第S个周期的时间同步消息的第二时间T2(S)，记录子集发送同步响应消息的第四时间T3(S)；同时转发第S个周期的时间同步消息到其他节点。

节点3、节点5和节点6的处理过程与节点2相同，此处不再赘述。

步骤五：节点1收到第S个周期的时间同步消息，回应第S个周期的时间同步响应消息，记录第S个周期时间同步消息中的T1(S)，分别记录接收第S个周期的时间同步消息的第二时间T2(S)，记录子集发送同步响应消息的第四时间T3(S)。

节点7的处理过程与节点1相同，此处不再赘述。

时间同步响应消息的格式如表2所示。

表二 时间同步响应消息的格式表

流水号

节点号

时间同步响应消息可以只携带有流水号和节点号。第S个周期的时间同步响应消息中的流水号，与第S个周期的时间同步消息中的流水号相同。示例性地，节点2第S个周期的时间同步响应消息中的节点号为2，表示该消息最初由节点2发送。

步骤六：根节点4收到各从节点第S个周期的时间同步响应消息，从Dw1000芯片的寄存器中读取无线帧到达芯片的时间并记录第四时间T4和对应的节点号，得到T4(S)-1、T4(S)-2、T4(S)-3、T4(S)-5、T4(S)-6、T4(S)-7。

步骤七：第(S+1)个周期时间同步消息，填充消息的格式与步骤相同。

步骤八：从节点收到第(S+1)个周期时间同步消息，重复以上步骤的处理，记录T1(S+1)和T2(S+1)等，同时基于前述实施例中的公式计算自身与根节点的时间偏差，调整偏差。通过不断的处理时间同步消息及交互，计算时间偏差，调整与根节点的时间偏差度，达到全网其他节点与根节点同步的状态。

前述实施例中的公式可以是基于如图3所示的原理得到的。其中，L表示根节点Root与节点N(从节点)之间的距离。

上述实例，在节点具有高精度的时钟芯片的情况下，同时根据时钟芯片的规范和设计，实现一套方法，能使节点间达到精确同步。

可以理解的是，其他形态的节点组网方式，选取根节点、转发节点和叶子节点的算法略有不同，但都可以适用本发明上述任一实施例提供的无线同步方法，从而能达到全网在无外部同步时钟的情况下，节点间保证同步。

本发明实例提供了一种在UWB无线通信网络中，UWB基站间无线同步的方法。UWB基站基于一种能自动记录发送帧时间戳(支持延时发送机制)和接收时间戳的芯片实现时间同步。UWB基站间通过协商，选举出主时钟基站；主基站以固定周期发送同步包(即时间同步消息)，该同步包中包含本周期起始帧的发送时间T1，还包含收到上一周期响应帧的时间T4(第一个同步中T4为0)。发送同步包后，主基站自动切换到接收状态；其它非主基站一直处在收状态，当收到主基站的同步包后，记录收到起始帧的精确时间T2，自动回应响应包，响应包中包含响应帧发送的确切时间T3。主基站接收到响应帧，并记录精确地接收时间T4，下一个周期到来再发送同步包时，既包含发送时间T1，也包含上个周期交互的T4。被同步基站基于上一周期的T1、T2、T3、T4就能精确计算出和主基站间的时间差，达到时间同步的目的。

下面对本发明提供的超宽带基站的无线同步装置进行描述，下文描述的超宽带基站的无线同步装置与上文描述的超宽带基站的无线同步方法可相互对应参照。

图4是本发明提供的超宽带基站的无线同步装置的结构示意图。基于上述任一实施例的内容，如图4所示，该装置包括第一通信模块401、身份确定模块402和第二通信模块403，其中：

第一通信模块401，用于广播第一基站的第一消息，并接收每一第二基站广播的第二基站的第一消息；

身份确定模块402，用于基于各第一消息，确定第一基站的身份；第一基站的身份为根节点、转发节点或叶子节点；

第二通信模块403，用于在第一基站的身份为根节点的情况下，周期性广播时间同步消息，以使得每一第二基站返回时间同步消息对应的时间同步响应消息，并基于上一周期的时间同步消息、本周期的时间同步消息、每一第二基站接收上一周期的时间同步消息的第二时间和发送上一周期的时间同步响应消息的第三时间，与第一基站进行时间同步；

其中，第一基站的第一消息携带有第一基站的一跳邻节点和两跳邻节点的信息；第二基站的第一消息携带有第二基站的一跳邻节点和两跳邻节点的信息；本周期的时间同步消息携带有第一基站广播本周期的时间同步消息的第一时间和接收各第二基站上一周期的时间同步响应消息的第四时间。

具体地，本发明实施例提供的超宽带基站的无线同步装置可以为UWB基站群中的任一基站。

第一通信模块401、身份确定模块402和第二通信模块403顺次电连接。

第一通信模块401以固定的第一周期，发送特定的广播包，即广播自身的第一消息。对于任一节点，该节点的第一消息可以携带有该节点的一跳邻节点和二跳邻节点的信息。

身份确定模块402可以基于UWB基站群中各节点的一跳邻节点和二跳邻节点的信息，获取该UWB基站群的拓扑结构；基于该UWB基站群的拓扑结构和各节点的一跳邻节点和二跳邻节点的信息，确定各节点的身份，即选出各节点中的根节点、转发节点和叶子节点。

第二通信模块403基于第二周期，周期性地广播以自身的时钟为时间标准的时间同步消息。转发节点可以接收时间同步消息，处理该时间同步消息进行转发，返回相应的时间同步响应消息。叶子节点可以接收时间同步消息并进行处理，返回相应的时间同步响应消息。

对于非根节点的每一其他节点，该其他节点接收每个周期的时间同步消息之后，记录自身接收周期的时间同步消息的第二时间，并向根节点返回该时间同步消息对应的时间同步响应消息(即该周期的时间同步响应消息)，记录自身发送该周期的时间同步响应消息的第三时间。

由于两个节点间的距离是一定的，且电磁波在大气中传送的速度是恒定的，该其他节点可以基于上一周期的时间同步消息、本周期的时间同步消息、自身接收上一周期的时间同步消息的第二时间和自身发送上一周期的时间同步响应消息的第三时间，获取自身的时钟与根节点的时钟之间的偏差；根据该偏差调整自身的时钟，以消除自身的时钟与根节点的时钟之间的偏差，实现无线同步。

可选地，第二通信模块403可以还用于在第一基站的身份为叶子节点的情况下，接收根节点广播的各周期的时间同步消息；返回时间同步消息对应的时间同步响应消息；

该装置还可以包括：时间同步模块，用于基于上一周期的时间同步消息、本周期的时间同步消息、第一基站接收上一周期的时间同步消息的第二时间和发送上一周期的时间同步响应消息的第三时间，与根节点进行时间同步。

可选地，第二通信模块403可以还用于在第一基站的身份为转发节点的情况下，接收并转发根节点广播的各周期的时间同步消息；返回时间同步消息对应的时间同步响应消息；

该装置还可以包括：时间同步模块，用于基于上一周期的时间同步消息、本周期的时间同步消息、第一基站接收上一周期的时间同步消息的第二时间和发送上一周期的时间同步响应消息的第三时间，与根节点进行时间同步。

可选地，时间同步模块，可以具体用于基于上一周期的时间同步消息中第一基站广播上一周期的时间同步消息的第一时间、本周期的时间同步消息中第一基站接收每一第二基站上一周期的时间同步响应消息的第四时间、每一第二基站接收上一周期的时间同步消息的第二时间和发送上一周期的时间同步响应消息的第三时间，获取第一基站与每一第二基站之间的时间偏差；基于第一基站与每一第二基站之间的时间偏差调整每一第二基站的时钟。

可选地，基于上一周期的时间同步消息中第一基站广播上一周期的时间同步消息的第一时间、本周期的时间同步消息中第一基站接收每一第二基站上一周期的时间同步响应消息的第四时间、每一第二基站接收上一周期的时间同步消息的第二时间和发送上一周期的时间同步响应消息的第三时间，获取第一基站与每一第二基站之间的时间偏差的计算公式为：

T_offset＝((T4+T1)-(T3+T2))/2

其中，T_offset表示第一基站与每一第二基站之间的时间偏差；T1表示第一基站广播上一周期的时间同步消息的第一时间；T2表示每一第二基站接收上一周期的时间同步消息的第二时间；T3表示每一第二基站发送上一周期的时间同步响应消息的第三时间；T4表示第一基站接收每一第二基站上一周期的时间同步响应消息的第四时间。

可选地，第一时间、第二时间、第三时间和第四时间的形式为硬时间戳。

本发明实施例提供的超宽带基站的无线同步装置，用于执行本发明上述超宽带基站的无线同步方法，其实施方式与本发明提供的超宽带基站的无线同步方法的实施方式一致，且可以达到相同的有益效果，此处不再赘述。

该超宽带基站的无线同步装置用于前述各实施例的超宽带基站的无线同步方法。因此，在前述各实施例中的超宽带基站的无线同步方法中的描述和定义，可以用于本发明实施例中各执行模块的理解。

本发明实施例通过选取UWB基站群中的某个基站为主时钟基站，其他主时钟基站与主时钟基站通过交互时间同步消息和时间同步响应消息，实现全网基站的时间同步，不使用时间服务器和有线的同步方式，也不采用专门的同步基站，能极大地减少产品和运维成本。并且，减少了基站间的交互次数，只需要一次交互即可实现无线同步化，对降低无线同步对整个UWB基站群的影响，不影响正常的定位功能。

图5示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图5所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)510、通信接口(Communications Interface)520、存储器(memory)530和通信总线540，其中，处理器510，通信接口520，存储器530通过通信总线540完成相互间的通信。处理器510可以调用存储器530中的逻辑指令，以执行超宽带基站的无线同步方法，该方法包括：广播第一基站的第一消息，并接收每一第二基站广播的第二基站的第一消息；基于各第一消息，确定第一基站的身份；第一基站的身份为根节点、转发节点或叶子节点；在第一基站的身份为根节点的情况下，周期性广播时间同步消息，以使得每一第二基站返回时间同步消息对应的时间同步响应消息，并基于上一周期的时间同步消息、本周期的时间同步消息、每一第二基站接收上一周期的时间同步消息的第二时间和发送上一周期的时间同步响应消息的第三时间，与第一基站进行时间同步；其中，第一基站的第一消息携带有第一基站的一跳邻节点和两跳邻节点的信息；第二基站的第一消息携带有第二基站的一跳邻节点和两跳邻节点的信息；本周期的时间同步消息携带有第一基站广播本周期的时间同步消息的第一时间和接收各第二基站上一周期的时间同步响应消息的第四时间。

此外，上述的存储器530中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本申请实施例提供的电子设备中的处理器510可以调用存储器530中的逻辑指令，其实施方式与本申请提供的超宽带基站的无线同步方法的实施方式一致，且可以达到相同的有益效果，此处不再赘述。

另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的超宽带基站的无线同步方法，该方法包括：广播第一基站的第一消息，并接收每一第二基站广播的第二基站的第一消息；基于各第一消息，确定第一基站的身份；第一基站的身份为根节点、转发节点或叶子节点；在第一基站的身份为根节点的情况下，周期性广播时间同步消息，以使得每一第二基站返回时间同步消息对应的时间同步响应消息，并基于上一周期的时间同步消息、本周期的时间同步消息、每一第二基站接收上一周期的时间同步消息的第二时间和发送上一周期的时间同步响应消息的第三时间，与第一基站进行时间同步；其中，第一基站的第一消息携带有第一基站的一跳邻节点和两跳邻节点的信息；第二基站的第一消息携带有第二基站的一跳邻节点和两跳邻节点的信息；本周期的时间同步消息携带有第一基站广播本周期的时间同步消息的第一时间和接收各第二基站上一周期的时间同步响应消息的第四时间。

本申请实施例提供的计算机程序产品被执行时，实现上述超宽带基站的无线同步方法，其具体的实施方式与前述方法的实施例中记载的实施方式一致，且可以达到相同的有益效果，此处不再赘述。

又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各提供的超宽带基站的无线同步方法，该方法包括：广播第一基站的第一消息，并接收每一第二基站广播的第二基站的第一消息；基于各第一消息，确定第一基站的身份；第一基站的身份为根节点、转发节点或叶子节点；在第一基站的身份为根节点的情况下，周期性广播时间同步消息，以使得每一第二基站返回时间同步消息对应的时间同步响应消息，并基于上一周期的时间同步消息、本周期的时间同步消息、每一第二基站接收上一周期的时间同步消息的第二时间和发送上一周期的时间同步响应消息的第三时间，与第一基站进行时间同步；其中，第一基站的第一消息携带有第一基站的一跳邻节点和两跳邻节点的信息；第二基站的第一消息携带有第二基站的一跳邻节点和两跳邻节点的信息；本周期的时间同步消息携带有第一基站广播本周期的时间同步消息的第一时间和接收各第二基站上一周期的时间同步响应消息的第四时间。

本申请实施例提供的非暂态计算机可读存储介质上存储的计算机程序被执行时，实现上述超宽带基站的无线同步方法，其具体的实施方式与前述方法的实施例中记载的实施方式一致，且可以达到相同的有益效果，此处不再赘述。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以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 (10)

1.一种超宽带基站的无线同步方法，其特征在于，包括：

第一基站广播所述第一基站的第一消息，并接收每一第二基站广播的所述第二基站的第一消息；

所述第一基站基于各所述第一消息，确定所述第一基站的身份；第一基站的身份为根节点、转发节点或叶子节点；

在所述第一基站的身份为根节点的情况下，所述第一基站周期性广播时间同步消息，以使得所述每一第二基站返回所述时间同步消息对应的时间同步响应消息，并基于上一周期的所述时间同步消息、本周期的所述时间同步消息、所述每一第二基站接收上一周期的所述时间同步消息的第二时间和发送上一周期的所述时间同步响应消息的第三时间，与所述第一基站进行时间同步；

其中，所述第一基站的第一消息携带有所述第一基站的一跳邻节点和两跳邻节点的信息；所述第二基站的第一消息携带有所述第二基站的一跳邻节点和两跳邻节点的信息；本周期的所述时间同步消息携带有所述第一基站广播本周期的所述时间同步消息的第一时间和接收各第二基站上一周期的时间同步响应消息的第四时间。

2.根据权利要求1所述的超宽带基站的无线同步方法，其特征在于，所述第一基站基于各所述第一消息，确定所述第一基站的身份之后，还包括：

在所述第一基站的身份为叶子节点的情况下，所述第一基站接收所述根节点广播的各周期的所述时间同步消息；

所述第一基站返回所述时间同步消息对应的时间同步响应消息，并基于上一周期的所述时间同步消息、本周期的所述时间同步消息、所述第一基站接收上一周期的所述时间同步消息的第二时间和发送上一周期的时间同步响应消息的第三时间，与所述根节点进行时间同步。

3.根据权利要求1所述的超宽带基站的无线同步方法，其特征在于，所述第一基站基于各所述第一消息，确定所述第一基站的身份之后，还包括：

在所述第一基站的身份为转发节点的情况下，所述第一基站接收并转发所述根节点广播的各周期的所述时间同步消息；

所述第一基站返回所述时间同步消息对应的时间同步响应消息，并基于上一周期的所述时间同步消息、本周期的所述时间同步消息、所述第一基站接收上一周期的所述时间同步消息的第二时间和发送上一周期的时间同步响应消息的第三时间，与所述根节点进行时间同步。

4.根据权利要求1所述的超宽带基站的无线同步方法，其特征在于，所述每一第二基站基于上一周期的所述时间同步消息、本周期的所述时间同步消息、所述每一第二基站接收上一周期的所述时间同步消息的第二时间和发送上一周期的所述时间同步响应消息的第三时间，与所述第一基站进行时间同步，具体包括：

基于上一周期的所述时间同步消息中所述第一基站广播所述上一周期的所述时间同步消息的第一时间、所述本周期的所述时间同步消息中所述第一基站接收所述每一第二基站上一周期的时间同步响应消息的第四时间、所述每一第二基站接收上一周期的所述时间同步消息的第二时间和发送上一周期的所述时间同步响应消息的第三时间，获取所述第一基站与所述每一第二基站之间的时间偏差；

所述每一第二基站基于所述第一基站与所述每一第二基站之间的时间偏差调整所述每一第二基站的时钟。

5.根据权利要求4所述的超宽带基站的无线同步方法，其特征在于，所述基于上一周期的所述时间同步消息中所述第一基站广播所述上一周期的所述时间同步消息的第一时间、所述本周期的所述时间同步消息中所述第一基站接收所述每一第二基站上一周期的时间同步响应消息的第四时间、所述每一第二基站接收上一周期的所述时间同步消息的第二时间和发送上一周期的所述时间同步响应消息的第三时间，获取所述第一基站与所述每一第二基站之间的时间偏差的计算公式为：

T_offset＝((T4+T1)-(T3+T2))/2

其中，T_offset表示所述第一基站与所述每一第二基站之间的时间偏差；T1表示所述第一基站广播所述上一周期的所述时间同步消息的第一时间；T2表示所述每一第二基站接收上一周期的所述时间同步消息的第二时间；T3表示所述每一第二基站发送上一周期的所述时间同步响应消息的第三时间；T4表示所述第一基站接收所述每一第二基站上一周期的时间同步响应消息的第四时间。

6.根据权利要求1至5任一所述的超宽带基站的无线同步方法，其特征在于，所述第一时间、所述第二时间、所述第三时间和所述第四时间的形式为硬时间戳。

7.一种超宽带基站的无线同步装置，其特征在于，包括：

第一通信模块，用于广播第一基站的第一消息，并接收每一第二基站广播的所述第二基站的第一消息；

身份确定模块，用于基于各所述第一消息，确定所述第一基站的身份；第一基站的身份为根节点、转发节点或叶子节点；

第二通信模块，用于在所述第一基站的身份为根节点的情况下，周期性广播时间同步消息，以使得所述每一第二基站返回所述时间同步消息对应的时间同步响应消息，并基于上一周期的所述时间同步消息、本周期的所述时间同步消息、所述每一第二基站接收上一周期的所述时间同步消息的第二时间和发送上一周期的所述时间同步响应消息的第三时间，与所述第一基站进行时间同步；

其中，所述第一基站的第一消息携带有所述第一基站的一跳邻节点和两跳邻节点的信息；所述第二基站的第一消息携带有所述第二基站的一跳邻节点和两跳邻节点的信息；本周期的所述时间同步消息携带有所述第一基站广播本周期的所述时间同步消息的第一时间和接收各第二基站上一周期的时间同步响应消息的第四时间。

8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至6任一项所述超宽带基站的无线同步方法的步骤。

9.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述超宽带基站的无线同步方法的步骤。

10.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至/6任一项所述超宽带基站的无线同步方法的步骤。

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