CN114845377B - 一种基于uwb的高精度无线时钟同步方法与系统 - Google Patents

一种基于uwb的高精度无线时钟同步方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于UWB的高精度无线时钟同步方法，通过获取晶体振荡器的期望频率来形成时钟模型的软件和硬件部分，来建立网络节点的时钟函数模型并舍去时钟函数模型中的高阶项简化得到线性时钟函数模型，通过将线性时钟函数模型进行变换得到逻辑时钟读数；建立网络节点间的通信连接，通过分布式时钟同步算法使得网络节点之间以固定周期互发时间戳信息来实现网络节点间时钟同步，并计算网络节点间的时钟偏移和链路延迟；通过修正网络节点的初始时钟速率、相位偏差和设置每个网络节点的同步周期来设计在有通信时延存在的情况下实现高精度时钟同步的时钟同步算法，以及包含上述同步方法的系统，实现了高精度无线时钟同步。

Description

一种基于UWB的高精度无线时钟同步方法与系统
技术领域
本发明涉及无线通信和控制领域，特别涉及一种基于UWB的高精 度无线时钟同步方法与系统。
背景技术
无线分布式协同系统主要包括了电信网络、无人机群、分布式卫 星系统(DSS)、无线传感器网络(WSN)等。无线时钟同步技术是无 线网络完成目标定位和数据聚合任务的支撑技术。时钟同步的精度直 接决定了无线分布式协同系统的性能。然而，成熟的高精度无线时钟 同步方案通常是基于全球导航卫星系统(GNSS)或其他辅助源来完成 同步过程，不能应用于GNSS信号弱或者拒绝访问的环境。并且随着 网络部署范围的扩大和任务的复杂化，对无线网络时钟同步性能的要 求越来越高。此外，随着网络网络节点之间的通信速度呈指数增长， 还需要更高的时钟精度来维持网络中事件的相对顺序。因此，迫切需 要一种高精度的无线时钟同步系统。
研究人员对无线网络中的时钟同步问题进行了一系列研究，大致 可以分为两类：结构式时钟同步算法和分布式时钟同步算法。在结构 式协议中，同步依赖于建立预先指定的网络结构。2002年J.Elson与 K.Romer等人就提出了的RBS算法采用接收端-接收端(RRS)同步机 制，簇内网络节点通过侦听网络节点对信息交换的时间差来同步。时 隔一年Ganeriwal.S等人又提出传感器网络时间同步协议 (Timing-Sync Protocol forSensorNetwork,TPSN)，该协议在不同层 间采用发送端-接收端(SRS)同步机制实现了全网同步。基于特定结 构的时钟同步协议依赖于网络特定的拓扑结构，一旦发生网络节点故障和数据包的丢失等突发情况，这些协议就难以实现同步的目标。
为了提升时钟同步协议的可扩展性和鲁棒性，很多学者开始研究 分布式时钟同步算法。分布式时钟算法不依赖于特定的网络节点，不 依赖于特定的网络结构，仅需要网络节点之间进行通信就能实现整个 网络的时钟同步。近年来,基于一致性的时钟同步协议由于其完全分 布式且可以同时补偿时钟速率与偏移，受到了越来越多的关注。2009 年Sommer等人提出基于梯度下降的时钟同步协议(Gradient ClockSynchronizationProtocol，GTSP)。经试验验证，GTSP在初始化阶段 完成后，邻居之间的平均同步误差为4.0μs(t>5000s)。2011年Schenato 等人提出了ATS算法(Average TimeSynchronization)，ATS是典型的 基于协同控制理论的分布式时钟同步协议，实验验证每两个网络节点 之间的同步误差达到了300μs以内。但Tian和Zong理论上证明了在 随机有界通信时延的环境下，即使两个网络节点进行任意信息交换， ATS算法都是发散的，通过仿真和实验也验证了通信时延存在的情况 下，ATS算法无法实现同步。
发明内容
本发明提供一种基于UWB的高精度无线时钟同步方法与系统，其 目的是为了解决没有辅助源的无线系统的高精度时钟同步问题，在超 宽带时间戳的基础上，实现无线网络中无需GNSS辅助的高精度多网 络节点时钟同步。
为达到上述目的，本发明提供了一种基于UWB的高精度无线时钟 同步方法，包括：
步骤1，获取晶体振荡器的期望频率来形成时钟模型，建立网络 节点的时钟函数模型并舍去时钟函数模型中的高阶项简化得到线性 时钟函数模型，通过将线性时钟函数模型进行变换得到逻辑时钟读数。
步骤2，建立网络节点间的通信连接，通过分布式时钟同步算法 使得网络节点之间以固定周期互发时间戳信息来实现网络节点间时 钟同步，并计算网络节点间的时钟偏移和链路延迟。
步骤3，通过修正网络节点的初始时钟速率、相位偏差和设置每 个网络节点的同步周期来设计在有通信时延存在的情况下实现高精 度时钟同步的时钟同步算法，用于解决在通信时延存在的情况下收敛 精度差和发散。
其中，步骤1具体包括：
根据晶体振荡器的期望频率确定网络节点i的本地时钟函数为
其中，f0表示晶体振荡器的标准频率，fi(t)表示网络节点i的晶体 振荡器在t时刻的实际频率，τi(t0)表示网络节点i在t0时刻的时钟时间；
将确定的网络节点i的本地时钟函数进行泰勒级数展开得到本地 时钟函数多项式为
去除本地时钟函数多项式中的高次项，简化形成只含一次项和常 数项的线性时钟函数模型为τi(t)＝αi(t-t0)+βi，其中τi(t)为本地时钟 读数，αi＝fi(t0)/f0为本地时钟漂移量，其决定了时钟的速度，βi＝ τi(t0)为本地时钟偏差；
通过比较网络节点i和无线节点j获取其他时钟参数，替换不可获 取的时钟参数，再对网络节点i的时钟读数进行线性变换得到逻辑时 钟读数为
其中，是网络节点i逻辑时钟速率，/>是网络节点i逻辑时钟初始 偏差，α'i是t时刻网络节点i时钟速率修正系数，β'i是t时刻网络节点i 时钟初始偏差修正量。
其中，步骤2中网络节点间的通信连接具体过程包括：网络节点 i根据同步周期发送报文并记录发送时刻，当网络节点j接收到报文时 记录接收时刻，接着网络节点j发送携带接收时间的报文时记录发送 时间，网络节点i接收携带接收时间的报文并记录接收时间。
其中，步骤3中的时钟同步算法通过修正初始时钟速率和时钟初 始偏差，以实现每个网络节点逻辑时钟速率和读数的渐近收敛到同一 个虚拟参考时钟。
其中，所述时钟同步算法具体包括：
给出网络节点i的初始时钟速率和相位，并为每个网络节点设置 公共的同步周期，根据网络节点分布构建网络拓扑结构；
通过连接关系将网络节点与相邻网络节点进行信息交换；
在接收到信息的时刻记录网络节点本地时钟读数并根据其自身 的时钟读数和接收的信息内容进行延时补偿和测量值校正；
基于网络节点间的通信获取网络节点间测量的时间戳，即相对时 钟速率；
最后计算出网络节点读数的同步误差，通过判断误差是否超过阈 值决定是否结束循环。
其中，时钟同步算法包括：
由于相对时钟速率的估计值在网络节点接收下一个数据包之前 保持不变，即：
αij(t)＝αij(k+1),t∈(τi(ti(k+1)),τi(ti(k+2))]
在t＝t(k+1)时刻，按下式更新ωi(k+1)
在t∈(t(k+1),t(k+2)]区间，保持ωi(k+1)的值不变。
ωi(t)＝ωi(t+)
在t＝t(k+1)时刻，按下式更新
在t∈[t(k+1),t(k+2))区间，按下式更新
本发明的另一个目的是提供一种基于UWB的高精度无线时钟同 步系统，应用上述的基于UWB的高精度无线时钟同步方法，包括UWB 射频模块、时钟模块、数据处理模块和电源模块，所述UWB射频模块 与数据处理模块连接，所述时钟模块连接UWB射频模块，所述数据处 理模块与电源模块连接。
所述UWB射频模块包括UWB天线和型号为DW1000的射频芯片， 所述射频芯片用于超宽带通信；所述数据处理模块选用型号为 STM32F103C8T6的芯片；所述时钟模块选用型号为RSX-10的晶振， 用于提供高精度的时间戳数据，完成网络节点间信息交换。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
本发明的基于UWB的高精度无线时钟同步方法与系统，可以在有 通信时延存在的情况下实现高精度时钟同步，解决了现有算法在时延 存在情况下收敛精度差甚至发散的情况；利用UWB技术实现了在没有 辅助源情况下的无线系统的高精度时钟同步。
本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细 说明。
附图说明
图1为基于UWB的高精度无线时钟同步方法的流程图；
图2为网络节点间的通信连接过程图；
图3为时钟同步算法流程图；
图4为基于UWB的高精度无线时钟同步系统模块连接图；
图5为网络节点间的线型拓扑结构图和星型拓扑结构图；
图6为图5中星型拓扑结构的网络节点时序图；
图7为线型拓扑结构的逻辑时钟读数误差的迭代过程图；
图8为星型拓扑结构的逻辑时钟读数误差的迭代过程图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面 将结合附图及具体实施例进行详细描述。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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、 “左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关 系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简 化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、 以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外， 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。
在本发明的描述中，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，可以是锁定连 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中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只 要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
如图1所示，本发明实施例提供一种基于UWB的高精度无线时钟 同步方法，步骤如下：
步骤1，获取晶体振荡器的期望频率来形成时钟模型，建立网络 节点的时钟函数模型并舍去时钟函数模型中的高阶项简化得到线性 时钟函数模型，通过将线性时钟函数模型进行变换得到逻辑时钟读数。
具体地来说，无线网络网络节点的本地时钟都由硬件和软件两部 分组成，时钟的软件和硬件部分能够根据晶体振荡器的期望频率进行 配置，使得第i个网络节点的时钟函数模型为τi(t)＝t，其中t表示参 考时间。然而，由于温度、振动和压力等物理变化的影响，造成晶体 振荡器的角频率无法确定，网络节点i的时钟函数模型，由下式给出：
其中，f0表示晶体振荡器的标准频率，fi(t)表示网络节点i的晶 体振荡器在t时刻的实际频率，τi(t0)表示网络节点i在t0时刻的时钟时 间。
将式(1)进行泰勒级数展开得到网络节点i的时钟读数表达式 为：
在时钟模型函数多项式(2)中，由于项数较多，时钟函数模型 构成十分复杂，无法直接运用于时间同步的算法中，必须对这个多项 式进行合理的简化，舍去一些高次项。通常的做法是去掉多项式中一 次项以上的项，这样处理之后，原本的多项式将简化为只含一次项和 常数项的线性表达式，时钟模型变为线性时钟模型。此时，网络节点 i的时钟函数的表达式为：
τi(t)＝αi(t-t0)+βi (3)
其中τi(t)为本地时钟读数，αi＝fi(t0)/f0为本地时钟漂移量，其 决定了时钟的速度，βi＝τi(t0)为本地时钟偏差。
由于在实际应用中网络节点老化等因素，αi和βi是随时间发生变 化的，但是更新周期远远小于网络节点老化的周期，所以在同步周期 内αi和βi可以看成是不变的。又因为绝对参考时间t对于网络节点来说 是不可获取的，时钟参数αi和βi就不能够直接计算出来，但是可以通 过比较网络节点i和网络节点j来获取关于时钟参数的其他信息，网络 节点中的绝对参考时间为：
将网络节点j中不可获取的绝对参考时间用公式替换掉，得到：
对每个网络节点i的时钟读数进行线性变换，得到逻辑时钟读数
其中，是网络节点i逻辑时钟速率，/>是网络节点i逻辑时钟初 始偏差，α'i是t时刻网络节点i时钟速率修正系数，β'i是t时刻网络节点 i时钟初始偏差修正量。
步骤2，建立网络节点间的通信连接，通过分布式时钟同步算法 使得网络节点之间以固定周期互发时间戳信息来实现网络节点间时 钟同步，并计算网络节点间的时钟偏移和链路延迟。
要实现网络节点间时钟同步，首先要建立网络节点间的通信连接。 具体以两个网络节点为例，如图2所示是网络节点间的通信连接过程 图。在常见的分布式时钟同步算法中，网络节点i与j之间按照固定周 期T互发时间戳信息。通过时间戳T1、T2、T5、T6，网络节点j可以 估计出网络节点i与自身的时钟速率比值；同理，通过时间戳T3、T4、 T7、T8，网络节点i可以估计出网络节点j与自身的时钟速率比值。
本发明通过现有技术中的结构式算法IEEE1588v2协议的时钟同 步机制来估计和补偿传输延时。IEEE1588协议通过使用系统中网络 节点之间交换的数据包来同步时钟。基于同步原理，网络节点j计算 来自网络节点i的时钟偏移和链路延迟，以更新本地时钟。IEEE1588v2 提供了两种计算链路延迟的机制，即延迟请求响应测量机制和结束延 迟测量机制。
从图2可看出网络节点i根据同步周期发送POLL报文，并系统记 录发送时刻T1；当网络节点j接收到POLL报文时记录接收时刻T2。然 后网络节点j发送携带接收时间T2的RESP报文并记录发送时间T3；当 网络节点i接收RESP报文并记录接收时间T4。
在本实施例中假设一个同步周期内两个时钟的时钟频率一致，定 义T1时刻网络节点i和网络节点j之间的时钟偏差为offset。
具体来说定义节点i到节点j的传输延时为delay_ij，节点j到节点i 的传输延时为delay_ji，则有：
t2-t1＝delay_ij+offset (7)
t4-t3＝delay_ji-offset (8)
通过IEEE1588协议假设节点i与节点j之间的链路往返时间是相 等的，即delay_ij＝delay_ji，所以能得到：
delay＝(1/2)(T2-T1+T4-T3) (9)
步骤3，通过修正网络节点的初始时钟速率、相位偏差和设置每 个网络节点的同步周期来设计在有通信时延存在的情况下实现高精 度时钟同步的时钟同步算法，用于解决在通信时延存在的情况下收敛 精度差和发散。
具体地来说，时钟同步算法是将所有网络节点的物理时钟通过某 种方式校正，同步到一个虚拟参考时钟
其中，是参考时钟速率，/>是参考时钟初始偏差。
由上式(10)可知无线网络时钟同步需要设计一种算法使得
本发明的时钟同步算法就是通过修正初始时钟速率和时钟初始 相位偏差，以实现每个网络节点逻辑时钟速率和读数的渐近收敛到同 一个虚拟参考时钟。
从如图3所示的算法流程图可看出具体步骤如下：
给出网络节点i的初始时钟速率和相位，并为每个网络节点设置 公共的同步周期T，根据网络节点分布构建网络拓扑结构；
当网络节点i的本地时钟到达τi(t)＝kT,k∈N+时，网络节点i 通过连接关系与相邻网络节点j进行信息交换；
如果在时刻t处第k次网络节点i从相邻网络节点j接收到信息，那 么网络节点i在绝对参考时间ti(k)处记录本地时钟读数为τi(ti(k))， 并根据其自身的时钟读数和接收的数据包的内容进行延时补偿和测 量值校正；
基于网络节点间的通信，根据式(5)获取相邻网络节点间测量 的时间戳，即相对时钟速率
最后计算出网络节点读数的同步误差，通过判断误差是否超过阈 值决定是否结束循环。
具体的时钟同步算法如下：
由于相对时钟速率的估计值在网络节点接收下一个数据包之前 保持不变，即：
αij(t)＝αij(k+1),t∈(τi(ti(k+1)),τi(ti(k+2))]
在t＝t(k+1)时刻，按下式更新ωi(k+1)
在t∈(t(k+1),t(k+2)]区间，保持ωi(k+1)的值不变。
在t＝t(k+1)时刻，按下式更新
在t∈[t(k+1),t(k+2))区间，按下式更新
本发明还提供了一种基于UWB的高精度无线时钟同步系统，应用 了上述实施例中说明的基于UWB的高精度无线时钟同步方法。如图4 所示包括UWB射频模块、时钟模块、数据处理模块和电源模块，UWB 射频模块与数据处理模块连接，时钟模块连接UWB射频模块，数据处 理模块与电源模块连接。
UWB射频模块包括UWB天线和型号为DW1000的射频芯片，射频 芯片用于超宽带通信，系统内部通过UWB信号进行通信；数据处理模 块选用型号为STM32F103C8T6的芯片控制射频芯片进行外部通信，外 部通信通过USB串口和TTL串口；时钟模块选用型号为RSX-10的晶 振，用于提供高精度的时间戳数据；可以提供高精度的时间戳，完成 无线节点之间的信息交换，估计节点之间的距离，计算节点之间的传 输延迟，提高时钟同步算法的同步精度。
本实施例还构建并结合两种拓扑结构来验证时钟同步算法的可 行性，分别是两个网络节点的线型拓扑结构和四个网络节点的星型拓 扑结构，如图5所示；星型拓扑结构的网络节点时序图如图6所示
本实施例中时钟同步算法的参数设置为：T＝0.05,Ki＝ 0.3/T,Kp＝1/T,γ＝0.1T。
通过系统运行算法得到两种拓扑结构的逻辑时钟读数误差的迭 代过程如图7和图8所示。由图可以看出虽然存在较大的起始偏差， 时钟同步算法在大约经过100次的迭代就实现了高精度时钟同步。这 说明本发明提出的基于UWB的精确感知节点间距离的高精度时钟同 步系统的有效性，能够实现优于1ns的时间同步精度。
经试验验证本发明所提出的基于UWB的高精度无线时钟同步方 法与系统，可以在有通信时延存在的情况下实现高精度时钟同步，解 决了现有算法在时延存在情况下收敛精度差甚至发散的情况；利用 UWB技术实现了在没有辅助源情况下的无线系统的高精度时钟同步。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于UWB的高精度无线时钟同步方法，其特征在于，包括：
步骤1，获取晶体振荡器的期望频率来形成时钟模型，建立网络节点的时钟函数模型并舍去时钟函数模型中的高阶项简化得到线性时钟函数模型，通过将线性时钟函数模型进行变换得到逻辑时钟读数；
根据晶体振荡器的期望频率确定网络节点i的本地时钟函数为
其中，f0表示晶体振荡器的标准频率，fi(t)表示网络节点i的晶体振荡器在t时刻的实际频率，τi(t0)表示网络节点i在t0时刻的时钟时间；
将确定的网络节点i的本地时钟函数进行泰勒级数展开得到本地时钟函数多项式为
去除本地时钟函数多项式中的高次项，简化形成只含一次项和常数项的线性时钟函数模型为τi(t)＝αi(t-t0)+βi，其中τi(t)为本地时钟读数，αi＝fi(t0)/f0为本地时钟漂移量，用于决定时钟的速度，βi＝τi(t0)为本地时钟偏差；
通过比较网络节点i和无线节点j获取其他时钟参数，替换不可获取的时钟参数，再对网络节点i的时钟读数进行线性变换得到逻辑时钟读数为
其中，是网络节点i逻辑时钟速率，/>是网络节点i逻辑时钟初始偏差，α′i是t时刻网络节点i时钟速率修正系数，β′i是t时刻网络节点i时钟初始偏差修正量；
步骤2，建立网络节点间的通信连接，通过分布式时钟同步算法使得网络节点之间以固定周期互发时间戳信息来实现网络节点间时钟同步，并计算网络节点间的时钟偏移和链路延迟；
步骤3，通过修正网络节点的初始时钟速率、相位偏差和设置每个网络节点的同步周期来设计在有通信时延存在的情况下实现高精度时钟同步的时钟同步算法，用于解决在通信时延存在的情况下收敛精度差和发散。
2.根据权利要求1所述的基于UWB的高精度无线时钟同步方法，其特征在于，所述步骤2中网络节点间的通信连接具体过程包括：网络节点i根据同步周期发送报文并记录发送时刻，当网络节点j接收到报文时记录接收时刻，接着网络节点j发送携带接收时间的报文时记录发送时间，网络节点i接收携带接收时间的报文并记录接收时间。
3.根据权利要求1所述的基于UWB的高精度无线时钟同步方法，其特征在于，所述步骤3中的时钟同步算法通过修正初始时钟速率和时钟初始偏差，以实现每个网络节点逻辑时钟速率和读数的渐近收敛到同一个虚拟参考时钟。
4.根据权利要求3所述的基于UWB的高精度无线时钟同步方法，其特征在于，所述时钟同步算法具体包括：
给出网络节点i的初始时钟速率和相位，并为每个网络节点设置公共的同步周期，根据网络节点分布构建网络拓扑结构；
通过连接关系将网络节点与相邻网络节点进行信息交换；
在接收到信息的时刻记录网络节点本地时钟读数并根据其自身的时钟读数和接收的信息内容进行延时补偿和测量值校正；
基于网络节点间的通信获取网络节点间测量的时间戳，即相对时钟速率；
最后计算出网络节点读数的同步误差，通过判断误差是否超过阈值决定是否结束循环。
5.根据权利要求4所述的基于UWB的高精度无线时钟同步方法，其特征在于，所述时钟同步算法包括：
由于相对时钟速率的估计值在网络节点接收下一个数据包之前保持不变，即：
αij(t)＝αij(k+1),t∈(τi(ti(k+1)),τi(ti(k+2))]
在t＝t(k+1)时刻，按下式更新ωi(k+1)
在t∈(t(k+1),t(k+2)]区间，保持ωi(k+1)的值不变；
在t＝t(k+1)时刻，按下式更新
在t∈[t(k+1),t(k+2))区间，按下式更新
6.一种基于UWB的高精度无线时钟同步系统，应用上述权利要求1-5任意一项所述的基于UWB的高精度无线时钟同步方法，其特征在于，包括UWB射频模块、时钟模块、数据处理模块和电源模块，所述UWB射频模块与数据处理模块连接，所述时钟模块连接UWB射频模块，所述数据处理模块与电源模块连接。
7.根据权利要求6所述的基于UWB的高精度无线时钟同步系统，其特征在于，所述UWB射频模块包括UWB天线和型号为DW1000的射频芯片，所述射频芯片用于超宽带通信；所述数据处理模块选用型号为STM32F103C8T6的芯片；所述时钟模块选用型号为RSX-10的晶振，用于提供高精度的时间戳数据，完成网络节点间信息交换。
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