CN115642977A - 一种混合优化时间同步系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种混合优化时间同步系统，属于无线通信技术领域，解决了现有技术中存在的无法兼容低网络时间协议复杂度、高时间同步精度和高通信稳定性的问题。通过与定位系统通信故障的节点i的时间戳驱动模块接收与定位系统通信正常的节点j的主用时间戳和节点i的备用时间戳，并传输至节点i的改进的PTP网络时间协议模块，利用改进的PTP网络时间协议，基于节点i的备用时间戳和节点j的主用时间戳，计算获得时间偏差至节点i的时间戳生成模块，基于节点i的参考时钟频率生成节点i的备用时间戳，并利用时间偏差获得更新后的节点i的备用时间戳以实现与节点j的时间同步。实现了低网络时间协议复杂度下的高时间同步精度和高通信稳定性。

Description

一种混合优化时间同步系统
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种混合优化时间同步系统。
背景技术
在有线网络或无线网络通信中，时间同步技术决定了网络节点之间的通信是否有效，因此对于有线网络或无线网络，时间同步技术十分重要。
常见的时间同步系统有两种，网络时间协议和GPS(Global Positioning System，全球定位系统)，网络时间协议以NTP(Network Time Protocol，网络时间协议)和PTP(Precision Time Protocol，精确时间协议)为代表；其中，NTP不需要硬件的配合，其同步精度为毫秒级，适用于同步精度要求不高的场景；PTP则需要专用的PTP设备，同步精度可达亚微秒级，可用于同步精度要求较高场景；全球定位系统GPS需要设备与卫星通信才能同步，同步精度取决于GPS接收器在给定时间可以与多少卫星通信，最高同步精度可达纳秒级，适用于高精度同步要求的场景。
无线网络受限于网络节点的功率、复杂性、通信稳定性和同步精度，即，无线网络的网络节点功率不宜过大，且复杂度不宜过高，并且要求通信稳定性高、同步精度高。然而，网络时间协议和全球定位系统GPS都不是针对这些限制而设计的，原因在于，网络时间协议复杂度太高，时间同步收敛速度慢，而且同步精度不高；全球定位系统GPS同步精度很高，但是无线网络节点的时间同步过度依赖于卫星通信，无线网络节点的卫星通信故障会导致时间同步失败，通信稳定性差。
综上，目前的无线网络节点的时间同步系统，存在无法兼容低网络时间协议复杂度、高时间同步精度和高通信稳定性的问题。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种混合优化时间同步系统，用以解决现有无线网络节点的时间同步系统所存在的无法兼顾低网络时间协议复杂度、高时间同步精度和高通信稳定性的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本发明实施例提供了一种混合优化时间同步系统，设置于无线网络中的每个节点上；其中，所述混合优化时间同步系统包括时间戳生成模块、时间戳驱动模块和改进的PTP网络时间协议模块；
与定位系统发生通信故障的节点记作节点i；无线网络中的某个与定位系统通信正常的节点记作节点j；
节点i的时间戳驱动模块用于接收节点j的主用时间戳和节点i的备用时间戳，并传输至节点i的改进的PTP网络时间协议模块；
节点i的改进的PTP网络时间协议模块用于利用改进的PTP网络时间协议，基于节点i的备用时间戳和节点j的主用时间戳，计算获得时间偏差至节点i的时间戳生成模块；
节点i的时间戳生成模块用于基于节点i的参考时钟频率生成节点i的备用时间戳，还用于基于时间偏差与节点i的备用时间戳，进行偏差计算并获得更新后的节点i的备用时间戳以实现与节点j的时间同步。
基于上述方法的进一步改进，改进的PTP网络时间同步协议模块，用于以节点i的备用时间戳标记其从时钟的收发报文时刻，以节点j的主用时间戳标记其主时钟的收发报文时刻，基于从时钟的收发报文时刻和主时钟的收发报文时刻计算得到所述时间偏差。
基于上述方法的进一步改进，改进的PTP网络时间同步协议，包括：
将申请方的时钟记作从时钟，利用其备用时间戳标记其收/发报文时对应的时间；所述申请方为所述节点i；
被申请方的时钟记作主时钟，利用其主用时间戳标记其收/发报文时对应的时间；所述被申请方为所述节点j；
从时钟向主时钟发送Sync_Req报文，并携带Sync_Req报文发送时间TB1，主时钟收到Sync_Req报文后记录Sync_Req报文接收时间TB2；
主时钟向从时钟发送Sync_Resp报文，并携带Delay_Req报文发送时间TB3和Sync_Req报文接收时间TB2；从时钟收到Sync_Resp报文后，记录Sync_Resp报文接收时间TB4，则所述时间偏差为(TB2-TB1)-[(TB2-TB1)+(TB4-TB3)]/2。
基于上述方法的进一步改进，节点i的改进的PTP网络时间协议模块还用于与节点i的时间戳生成模块共同作用，持续更新时间偏差和备用时间戳，直至时间偏差满足时间同步精度。
基于上述方法的进一步改进，节点j的时间戳驱动模块用于接收节点j的主用时间戳，并发送至节点i的时间戳驱动模块；
节点j的时间戳生成模块用于基于节点j的标准时钟和秒脉冲生成节点j的主用时间戳。
基于上述方法的进一步改进，所述混合优化时间同步系统还包括GPS/北斗模块；其中，
节点i的GPS/北斗模块用于向节点i的时间同步控制模块实时发送故障指示；
节点j的GPS/北斗模块用于产生并传输节点j的标准时钟和秒脉冲至节点j的时间戳生成模块。
基于上述方法的进一步改进，所述混合优化时间同步系统还包括恒温晶体模块；其中，
节点i的恒温晶体模块用于产生并传输节点i的参考时钟频率至节点i的时间戳生成模块。
基于上述方法的进一步改进，节点i通过以下三种模块配置方式中的任一种，对其混合时间同步系统内部的模块进行配置：
模块配置方式A，包括时间同步模组A和无线通信模块A；其中，时间同步模组A用于产生并输出节点i的备用时间戳至无线通信模块A，还用于基于从无线通信模块A输入的节点i的备用时间戳和节点j的主用时间戳，计算获得时间偏差，持续更新节点i的备用时间戳并输出至无线通信模块A；无线通信模块A用于接收节点j的主用时间戳和持续更新的节点i的备用时间戳，并传输至时间同步模组A；
模块配置方式B，包括时间同步模组B和无线通信模块B；其中，时间同步模组B用于产生并输出节点i的备用时间戳至无线通信模块B，还用于基于从无线通信模块B输入的时间偏差，持续更新节点i的备用时间戳并输出至无线通信模块B；无线通信模块B用于接收节点j的主用时间戳和持续更新的节点i的备用时间戳，并传输至时间同步模组B，还用于基于节点i的备用时间戳和节点j的主用时间戳，计算获得时间偏差至时间同步模组B；
模块配置方式C，包括时间同步模组C和无线通信模块C；其中，时间同步模组C用于产生并输出节点i的备用时间戳至无线通信模块C，还用于基于从无线通信模块C输入的时间偏差，持续更新节点i的备用时间戳并输出至无线通信模块C；无线通信模块C用于接收节点j的主用时间戳和持续更新的节点i的备用时间戳，并传输至时间同步模组C，还用于基于节点i的备用时间戳和节点j的主用时间戳，计算获得时间偏差至时间同步模组C。
基于上述方法的进一步改进，当模块配置方式为A时，所述改进的PTP网络时间协议模块位于所述时间同步模组A中，所述时间戳驱动模块嵌入于无线通信模块A的物理驱动层；
当模块配置方式为B时，所述时间戳驱动模块嵌入于无线通信模块B的物理驱动层，改进的PTP网络时间协议模块嵌入于无线通信模块B的网络层；
当模块配置方式为C时，将时间戳驱动模块与改进的PTP网络时间协议模块集成在用户态的改进的PTP网络时间协议模块中；其中，用户态的改进的PTP网络时间协议模块嵌入到无线通信模块的网络层。
基于上述方法的进一步改进，所述混合优化时间同步系统还包括时间同步控制模块，用于基于故障指示，对是否将该节点的时间戳生成模块生成的主用时间戳或备用时间戳输出到无线通信模块中的时间戳驱动模块或用户态的改进的PTP网络时间协议模块进行控制，还用于对该节点的改进的PTP网络时间协议模块的启动和关闭进行控制。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1、本发明实施例通过将PTP网络时间协议的启动时机设置在无线网络节点与北斗卫星定位系统或全球定位系统出现通信故障的时刻，利用改进的PTP网络时间协议的辅助同步来解决北斗卫星定位系统或全球定位系统与无线网络节点通信故障而导致时间同步失败的问题，通信稳定性强。
2、本发明实施例通过改进的PTP网络时间协议，利用被申请方取自于北斗卫星定位系统或全球定位系统的主用时间戳，对与定位系统发生通信故障的申请方的时钟进行修正，使得申请方与其它和北斗卫星定位系统或全球定位系统通信正常的无线网络节点的时间同步精度高。
3、本发明实施例通过改进的PTP网络时间协议，和标准PTP网络时间协议相比，一是去掉了耗时最长的主从关系的建立以及最优时钟的选择过程，二是将两个回合的协议交互优化成了一个回合的协议交互，使得无线网络节点之间的时间同步收敛时间大幅下降，协议复杂度低，时间同步收敛速度快。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例中混合优化时间同步系统的模块配置方式A的示意图；
图2为本发明实施例中混合优化时间同步系统的模块配置方式B的示意图；
图3为本发明实施例中混合优化时间同步系统的模块配置方式C的示意图；
图4为本发明实施例的时间戳驱动模块收发处理逻辑示意图；
图5为本发明实施例的标准的PTP网络时间协议示意图；
图6为本发明实施例的改进的PTP网络时间协议示意图；
图7为本发明实施例的Sync_Req报文格式示意图；
图8为本发明实施例的Sync_Resp报文格式示意图；
图9为本发明实施例的时间戳生成模块示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
本发明的一个具体实施例，公开了一种混合优化时间同步系统，设置于无线网络中的每个节点上；其中，混合优化时间同步系统包括GPS/北斗模块、恒温晶体模块、时间戳生成模块、时间同步控制模块、时间戳驱动模块和改进的PTP网络时间协议模块。
示例性地，无线网络可以是无人机空中编队、船舶编队等无线自组网通信系统；定位系统，指的是北斗卫星定位系统或全球定位系统。
可选的，无线网络中的任一节点，通过以下三种模块配置方式中的任一种，对其混合时间同步系统内部的模块进行配置：
模块配置方式A，如图1所示，包括时间同步模组A和无线通信模块A；其中，时间同步模组A包括GPS/北斗模块、恒温晶体模块、时间戳生成模块、改进的PTP网络时间协议模块和时间同步控制模块，无线通信模块A包括时间戳驱动模块；其中，时间戳驱动模块嵌入于无线通信模块A的物理驱动层。
在模块配置方式A中，时间同步模组A与无线通信模块A之间需要保留较复杂的协议收发接口，该组合方式在应用时较为复杂，但其构建过程较为简便。
模块配置方式B，如图2所示，包括时间同步模组B和无线通信模块B；其中，时间同步模组B包括GPS/北斗模块、恒温晶体模块、时间戳生成模块和时间同步控制模块，无线通信模块B包括改进的PTP网络时间协议模块和时间同步控制模块；其中，时间戳驱动模块嵌入于无线通信模块B的物理驱动层，改进的PTP网络时间协议模块嵌入于无线通信模块B的网络层。
在模块配置方式B中，时间同步模组B与无线通信模块B之间只需保留简单的启动开关接口，在应用时较为简便，但其构建过程较为复杂。
模块配置方式C，如图3所示，包括时间同步模组C和无线通信模块C；其中，时间同步模组C包括GPS/北斗模块、恒温晶体模块、时间戳生成模块和时间同步控制模块，无线通信模块C包括用户态的改进的PTP网络时间协议模块；其中，用户态的改进的PTP网络时间协议模块内部集成有时间戳驱动模块与改进的PTP网络时间协议模块，并且用户态的改进的PTP网络时间协议模块嵌入到无线通信模块的网络层。
在模块配置方式C中，时间同步模组C与无线通信模块C之间也只需保留简单的启动开关接口；其中，用户态的改进的PTP网络时间协议模块包括了时间戳驱动模块和改进的PTP网络时间协议模块的功能，是linux环境的一种特有应用形态,在应用时较为简便，但其构建过程较为复杂。
各节点的混合优化时间同步系统需要首先完成初始化，包括设定时隙周期和时间戳周期，以及等待定位系统的首次锁定。如果定位系统首次锁定成功则表明初始化成功，否则初始化失败。
每个无线网络节点初始均与定位系统建立正常通信；其中，每个与定位系统正常通信的节点，均启动主用时间戳，同时关闭改进的PTP网络时间同步协议，基于主用时间戳与其它正常通信节点实现时间同步。
时间戳是对该节点时钟刻度进行细化分割的结果，同时也是无线网络节点之间时间同步的基础，网络节点之间时间戳相位同步，表明网络节点之间时间同步成功。网络节点之间时间戳的相位误差越大，网络节点之间的时间同步精度越低；网络节点之间时间戳的相位误差越小，网络节点之间的时间同步精度越高。
在本实施例中，无线网络中的各节点分别与对北斗卫星定位系统或全球定位系统进行锁定；当一个无线网络节点在限定时间内锁定北斗卫星定位系统或全球定位系统时，则判定该无线网络节点与北斗卫星定位系统或全球定位系统通信正常；其中，根据现有技术水平和实际工程经验，首次锁定是冷启动，限定时间设定为3分钟；再次锁定是热启动，限定时间设定为1分钟。
当无线网络中的各节点均满足在限定时间内锁定北斗卫星定位系统或全球定位系统时，则判定无线网络中的各节点与北斗卫星定位系统或全球定位系统通信正常。
进一步地，该无线网络节点启用主用时间戳，并同时关闭改进的PTP网络时间同步协议，以释放改进的PTP网络时间同步协议占用的网络资源。
该无线网络节点通过北斗卫星定位系统或全球定位系统，与其它和定位系统正常通信的无线网络节点实现时间同步。
主用时间戳为当一个无线网络节点与北斗卫星定位系统或全球定位系统通信正常时，基于GPS/北斗模块所产生的秒脉冲和标准时钟，通过倍频算法，利用时间戳生成模块产生的该无线网络节点的时间戳，该时间戳是对该节点时钟刻度进行细化分割的结果。
值得注意的是，对于与北斗卫星定位系统或全球定位系统通信正常的若干无线网络节点，不同无线网络节点之间的时间戳同步精度和GPS/北斗秒脉冲同步精度相同，最高可达纳秒级，因此，所有与北斗卫星定位系统或全球定位系统通信正常的无线网络节点所产生的时间戳，均为主用时间戳。
示例性的，时间戳生成模块采用FPGA方案，时隙周期设定为7.8125ms，时间戳周期设定为5分钟，时间戳的生成过程如下：
根据GPS/北斗秒脉冲和标准时钟生成主用时间戳。
FPGA通过7次倍频秒脉冲得到1/128＝7.8125mm的时隙周期，按照5分钟的时间戳周期，最大时间戳是128*60*5＝38400，时间戳的范围是1～38400，第0分钟或第5分钟后的第一个秒脉冲从1开始计数。
每个节点均实时监测其自身与定位系统的通信是否正常。
当一个无线网络节点在限定时间内未锁定北斗卫星定位系统或全球定位系统时，则判定该无线网络节点与北斗卫星定位系统或全球定位系统通信故障。
当一个无线网络节点在限定时间内锁定北斗卫星定位系统或全球定位系统时，则判定该无线网络节点与北斗卫星定位系统或全球定位系统通信正常。
若监测到，第i个无线网络节点与定位系统通信故障，则该节点启动备用时间戳，同时开启改进的PTP网络时间同步协议得到该节点与其他正常通信节点的时间偏差，基于所述备用时间戳和时间偏差与其它正常通信节点实现时间同步；
其中，i属于1，2，…，N，N为无线网络中的节点数量，正常通信节点指与定位系统正常通信的节点。
备用时间戳为当一个无线网络节点与北斗卫星定位系统或全球定位系统通信故障时，基于恒温晶体模块所产生的参考时钟频率，通过计数算法，利用时间戳生成模块产生的该无线网络节点的时间戳，该时间戳是对该节点时钟刻度进行细化分割的结果。
当恒温晶体模块输出的参考时钟频率小于1pps时，时间戳的误差大概为百纳秒。
通过改进的PTP网络时间协议，与邻近的和定位系统正常通信的无线网络节点同步后，该通信故障的无线网络节点所产生的时间戳，以及和定位系统正常通信的无线网络节点时间戳，二者的同步精度可达到百纳秒级。
示例性的，恒温晶体模块采用10Mhz，1pps输出的恒温温补晶体，FPGA通过对恒温晶体的波形周期进行计数得到7.8125mm的时隙周期，波形周期的数量为78125。同样按照5分钟的时间戳周期，最大时间戳是128*60*5＝38400，时间戳的范围是1～38400，时间戳的初始位置根据改进的PTP网络时间协议进行微调。
与定位系统发生通信故障的节点为申请方，记作节点i；无线网络中的某个与定位系统通信正常的节点，可选的，将与节点i相邻的且与定位系统通信正常的节点作为被申请方，记作节点j。
节点i的时间戳驱动模块用于接收节点j的主用时间戳和节点i的备用时间戳，并传输至节点i的改进的PTP网络时间协议模块。
节点j的时间戳驱动模块用于接收节点j的主用时间戳，并发送至节点i的时间戳驱动模块。
时间戳驱动模块用于插入和提取主用时间戳或备用时间戳，即获取由时间戳生成模块产生的主用时间戳和备用时间戳。
具体来说，时间戳驱动模块需适配无线通信模块的操作系统及收发时填充时间戳信息，收发处理逻辑如图4所示。与定位系统通信故障的节点的时间戳驱动模块用于接收无线网络中某一通信正常节点的主用时间戳，并接收该通信故障节点的备用时间戳，再将二者传输至通信故障的节点的改进的PTP网络时间协议模块，在这种情况下，该通信正常节点的时间戳驱动模块用于将其主用时间戳发送至与定位系统通信故障的节点的时间戳驱动模块。当两个节点均与定位系统通信正常时，由于同步精度很高，因此它们的时间戳驱动模块不需要在它们之间收发时间戳。
节点i的改进的PTP网络时间协议模块用于利用改进的PTP网络时间协议，基于节点i的备用时间戳，和节点j的主用时间戳，计算获得时间偏差至节点i的时间戳生成模块；还用于与节点i的时间戳生成模块共同作用，持续更新时间偏差和备用时间戳，直至时间偏差满足时间同步精度。
具体来说，改进的PTP网络时间同步协议模块，用于以节点i的备用时间戳标记其从时钟的收发报文时刻，以节点j的主用时间戳标记其主时钟的收发报文时刻，基于从时钟的收发报文时刻和主时钟的收发报文时刻计算得到时间偏差。
对标准的PTP网络时间协议进行优化，进而得到改进的PTP网络时间协议。
具体来说，标准的PTP网络时间协议用于获得申请方无线网络节点的从时钟，与被申请方无线网络节点的主时钟之间的时间偏差，其同步流程如图5所示。时间同步的实现主要包括5个步骤：
通过对所有无线网络节点进行全网协商，选择某一个无线网络节点的时钟为最优时钟，再基于这一最优时钟，在各个无线网络节点之间逐级建立主从关系，得到每一级的主时钟和从时钟，并确定每一级的协商端口主从状态。
示例性的，最优时钟为第一级的主时钟；第一级的从时钟，同时也是第二级的主时钟；以此类推。
为方便描述，以下步骤仅考虑某一级内两个无线网络节点的主时钟和从时钟的时间偏差计算方法，其它级的主时钟和从时钟的时间偏差计算方法均与之相同。
主时钟向从时钟发送Sync报文，同时记录Sync报文发送时间TA1；从时钟收到Sync报文，同时记录Sync报文接收时间TA2；
主时钟发送完Sync，紧接着发送一个带有TA1值的Follow_Up报文给从时钟；
从时钟向主时钟发送Delay_Req报文，同时记录Delay_Req报文发送时间TA3；主时钟收到Delay_Req报文，同时记录Delay_Req报文接收时间TA4；
主时钟向从时钟发送携带TA4的报文Delay_Resp。从时钟收到Delay_Resp报文后即可算出与主时钟的偏差。
从时钟根据得到的TA1、TA2、TA3、TA4，计算出往返的平均时间差为[(TA2-TA1)+(TA4-TA3)]/2，由此可得从时钟相对于主时钟的时间偏差为(TA2-TA1)-[(TA2-TA1)+(TA4-TA3)]/2，至此完成了基于标准的PTP网络时间协议的申请方无线网络节点的从时钟，与被申请方无线网络节点的主时钟之间的时间偏差的计算。
值得注意的是，标准的PTP网络时间协议第一步需要先进行全网协商选择最优时钟，然后依据选择结果逐级建立时钟和协商端口的主从关系，这个步骤和其他步骤相比，交互复杂，耗时最长。本发明实施例对标准的PTP网络时间协议进行优化，将PTP网络时间协议的启动时机设置在无线网络节点与北斗卫星定位系统或全球定位系统出现通信故障的时刻，这样设置的有益效果在于，由于在此之前，即通信故障出现之前，该无线网络节点与包括邻近的无线网络节点在内的其它无线网络节点时间同步，则在通信故障出现之时，该无线网络节点已经实现了与其他网络节点的时间同步，因此可以省去最优时钟的选择、主从关系的建立这一耗时最长的过程，默认邻近的与北斗卫星定位系统或全球定位系统通信正常的的无线网络节点的时钟为主时钟，并直接启动改进的PTP网络时间协议流程。
需要说明的是，在改进的PTP网络时间协议中，通信故障节点，基于其备用时间戳，作为申请方发送时间同步申请，并且其时钟为从时钟；其它的通信正常节点，它们的时钟均为主时钟，而在这些节点中，将与申请方相邻的某一节点作为被申请方，与申请方通过收发时间戳进行交互。申请方利用其备用时间戳标记其收/发报文时对应的时间，被申请方利用其主用时间戳标记其收/发报文时对应的时间。
改进的PTP网络时间协议流程如图6所示。时间同步的实现只需要2个步骤：
从时钟向主时钟发送Sync_Req报文，并携带Sync_Req报文发送时间TB1，主时钟收到Sync_Req报文后记录Sync_Req报文接收时间TB2；
主时钟向从时钟发送Sync_Resp报文，并携带Delay_Req报文发送时间TB3和Sync_Req报文接收时间TB2；从时钟收到Sync_Resp报文后，记录Sync_Resp报文接收时间TB4，则从时钟与主时钟的偏差为(TB2-TB1)-[(TB2-TB1)+(TB4-TB3)]/2。
改进的PTP网络时间协议和标准PTP网络时间协议相比，一是去掉了耗时最长的主从关系的建立以及最优时钟的选择过程，二是将两个回合的协议交互优化成了一个回合的协议交互，使得无线网络节点之间的时间同步收敛时间大幅下降。
改进的PTP网络时间协议模块属于应用层协议，报文格式如图7和图8所示。
示例性的，报文数据单元说明如下：
Version(4)：版本，占4位；
Packet Type(4)：包类型，占4位，最多支持16中包类型；
Packet Length(8)：包长度，占8位；
T1/T3 Send Time Stamp(16)：发送报文时对应的时间戳，占位16位，可满足系统设计的最大时间戳38400传输要求；
Slave Peer ID(16)：从节点标识；
Checksum(16)：校验和，占位16位；
T2 Recv Time Stamp(16)：接收报文时对应的时间戳，占位16位，可满足系统设计的最大时间戳38400传输要求；
T2 Recv Time Offset(32)：接收报文时对应的时间偏置，是相对当前时间戳来说的，占位32位。
节点i的时间戳生成模块用于基于节点i的参考时钟频率生成节点i的备用时间戳，还用于基于时间偏差与节点i的备用时间戳，进行偏差计算并获得更新后的节点i的备用时间戳以实现与节点j的时间同步。
节点j的时间戳生成模块用于基于节点j的标准时钟和秒脉冲生成节点j的主用时间戳。
具体来说，时间戳生成模块采用FPGA方案，工作原理如图9所示，所述时间戳生成模块用于基于标准时钟和秒脉冲经倍频计算产生主用时间戳，以及基于参考时钟频率经计数，并结合时间偏差，产生备用时间戳。
对于节点j，该节点需要利用时间戳生成模块启动主用时间戳。通过将主用/备用切换开关切换至主用开关一侧，基于标准时钟和秒脉冲，输出时隙与主用时间戳。
对于节点i，该节点需要利用时间戳生成模块启动备用时间戳。通过将主用/备用切换开关切换至备用开关一侧，基于参考时钟频率，结合由改进的PTP网络时间协议模块输出的时间偏差，经过偏差计算子模块的处理，输出时隙与备用时间戳。
节点i的GPS/北斗模块用于向节点i的时间同步控制模块实时发送故障指示，即当无线网络节点与北斗卫星定位系统或全球定位系统发生通信故障时，向该节点的时间同步控制模块实时发送故障指示。
节点j的GPS/北斗模块用于产生并传输节点j的标准时钟和高精度的秒脉冲至节点j的时间戳生成模块。
节点i的恒温晶体模块用于产生并传输节点i的高稳定性的参考时钟频率至节点i的时间戳生成模块。
时间同步控制模块属于应用软件，用于基于故障指示，对是否将时间戳生成模块生成的主用时间戳或备用时间戳输出到无线通信模块中的时间戳驱动模块或用户态的改进的PTP网络时间协议模块进行控制，还用于对改进的PTP网络时间协议的启动和关闭进行控制。
节点i通过以下三种模块配置方式中的任一种，对其混合时间同步系统内部的模块进行配置：
模块配置方式A，包括时间同步模组A和无线通信模块A；其中，时间同步模组A用于产生并输出节点i的备用时间戳至无线通信模块A，还用于基于从无线通信模块A输入的节点i的备用时间戳和节点j的主用时间戳，计算获得时间偏差，持续更新节点i的备用时间戳并输出至无线通信模块A；无线通信模块A用于接收节点j的主用时间戳和持续更新的节点i的备用时间戳，并传输至时间同步模组A；
模块配置方式B，包括时间同步模组B和无线通信模块B；其中，时间同步模组B用于产生并输出节点i的备用时间戳至无线通信模块B，还用于基于从无线通信模块B输入的时间偏差，持续更新节点i的备用时间戳并输出至无线通信模块B；无线通信模块B用于接收节点j的主用时间戳和持续更新的节点i的备用时间戳，并传输至时间同步模组B，还用于基于节点i的备用时间戳和节点j的主用时间戳，计算获得时间偏差至时间同步模组B；
模块配置方式C，包括时间同步模组C和无线通信模块C；其中，时间同步模组C用于产生并输出节点i的备用时间戳至无线通信模块C，还用于基于从无线通信模块C输入的时间偏差，持续更新节点i的备用时间戳并输出至无线通信模块C；无线通信模块C用于接收节点j的主用时间戳和持续更新的节点i的备用时间戳，并传输至时间同步模组C，还用于基于节点i的备用时间戳和节点j的主用时间戳，计算获得时间偏差至时间同步模组C。
节点j通过以下三种模块配置方式中的任一种，对其混合时间同步系统内部的模块进行配置：
模块配置方式A，包括时间同步模组A和无线通信模块A；其中，时间同步模组A用于产生并输出节点j的主用时间戳至无线通信模块A；无线通信模块A用于接收节点j的主用时间戳，并发送至节点i的无线通信模块。
模块配置方式B，包括时间同步模组B和无线通信模块B；其中，时间同步模组B用于产生并输出节点j的主用时间戳至无线通信模块B；无线通信模块B用于接收节点j的主用时间戳，并发送至节点i的无线通信模块。
模块配置方式C，包括时间同步模组C和无线通信模块C；其中，时间同步模组C用于产生并输出节点j的主用时间戳至无线通信模块C；无线通信模块C用于接收节点j的主用时间戳，并发送至节点i的无线通信模块。
值得注意的是，每个无线网络节点的混合优化时间同步系统，采用上述三种组合方式中的一种，且无论采用哪一种，均不影响本发明实施例中各节点进行混合优化时间同步。
本发明实施例通过将PTP网络时间协议的启动时机设置在无线网络节点与北斗卫星定位系统或全球定位系统出现通信故障的时刻，利用改进的PTP网络时间协议的辅助同步来解决北斗卫星定位系统或全球定位系统与无线网络节点通信故障而导致时间同步失败的问题，通信稳定性强；通过改进的PTP网络时间协议，利用被申请方取自于北斗卫星定位系统或全球定位系统的主用时间戳，对与定位系统发生通信故障的申请方的时钟进行修正，使得申请方与其它和北斗卫星定位系统或全球定位系统通信正常的无线网络节点的时间同步精度高，和标准PTP网络时间协议相比，一是去掉了耗时最长的主从关系的建立以及最优时钟的选择过程，二是将两个回合的协议交互优化成了一个回合的协议交互，使得无线网络节点之间的时间同步收敛时间大幅下降，协议复杂度低，时间同步收敛速度快。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种混合优化时间同步系统，其特征在于，设置于无线网络中的每个节点上；其中，所述混合优化时间同步系统包括时间戳生成模块、时间戳驱动模块和改进的PTP网络时间协议模块；
与定位系统发生通信故障的节点记作节点i；无线网络中的某个与定位系统通信正常的节点为记作节点j；
节点i的时间戳驱动模块用于接收节点j的主用时间戳和节点i的备用时间戳，并传输至节点i的改进的PTP网络时间协议模块；
节点i的改进的PTP网络时间协议模块用于利用改进的PTP网络时间协议，基于节点i的备用时间戳和节点j的主用时间戳，计算获得时间偏差至节点i的时间戳生成模块；
节点i的时间戳生成模块用于基于节点i的参考时钟频率生成节点i的备用时间戳，还用于基于时间偏差与节点i的备用时间戳，进行偏差计算并获得更新后的节点i的备用时间戳以实现与节点j的时间同步。
2.根据权利要求1所述的混合优化时间同步系统，其特征在于，改进的PTP网络时间同步协议模块，用于以节点i的备用时间戳标记其从时钟的收发报文时刻，以节点j的主用时间戳标记其主时钟的收发报文时刻，基于从时钟的收发报文时刻和主时钟的收发报文时刻计算得到所述时间偏差。
3.根据权利要求2所述的混合优化时间同步系统，其特征在于，改进的PTP网络时间同步协议，包括：
将申请方的时钟记作从时钟，利用其备用时间戳标记其收/发报文时对应的时间；所述申请方为所述节点i；
被申请方的时钟记作主时钟，利用其主用时间戳标记其收/发报文时对应的时间；所述被申请方为所述节点j；
从时钟向主时钟发送Sync_Req报文，并携带Sync_Req报文发送时间TB1，主时钟收到Sync_Req报文后记录Sync_Req报文接收时间TB2；
主时钟向从时钟发送Sync_Resp报文，并携带Delay_Req报文发送时间TB3和Sync_Req报文接收时间TB2；从时钟收到Sync_Resp报文后，记录Sync_Resp报文接收时间TB4，则所述时间偏差为(TB2-TB1)-[(TB2-TB1)+(TB4-TB3)]/2。
4.根据权利要求3所述的混合优化时间同步系统，其特征在于，节点i的改进的PTP网络时间协议模块还用于与节点i的时间戳生成模块共同作用，持续更新时间偏差和备用时间戳，直至时间偏差满足时间同步精度。
5.根据权利要求4所述的混合优化时间同步系统，其特征在于，节点j的时间戳驱动模块用于接收节点j的主用时间戳，并发送至节点i的时间戳驱动模块；
节点j的时间戳生成模块用于基于节点j的标准时钟和秒脉冲生成节点j的主用时间戳。
6.根据权利要求5所述的混合优化时间同步系统，其特征在于，所述混合优化时间同步系统还包括GPS/北斗模块；其中，
节点i的GPS/北斗模块用于向节点i的时间同步控制模块实时发送故障指示；
节点j的GPS/北斗模块用于产生并传输节点j的标准时钟和秒脉冲至节点j的时间戳生成模块。
7.根据权利要求6所述的混合优化时间同步系统，其特征在于，所述混合优化时间同步系统还包括恒温晶体模块；其中，
节点i的恒温晶体模块用于产生并传输节点i的参考时钟频率至节点i的时间戳生成模块。
8.根据权利要求7所述的混合优化时间同步系统，其特征在于，节点i通过以下三种模块配置方式中的任一种，对其混合时间同步系统内部的模块进行配置：
模块配置方式A，包括时间同步模组A和无线通信模块A；其中，时间同步模组A用于产生并输出节点i的备用时间戳至无线通信模块A，还用于基于从无线通信模块A输入的节点i的备用时间戳和节点j的主用时间戳，计算获得时间偏差，持续更新节点i的备用时间戳并输出至无线通信模块A；无线通信模块A用于接收节点j的主用时间戳和持续更新的节点i的备用时间戳，并传输至时间同步模组A；
模块配置方式B，包括时间同步模组B和无线通信模块B；其中，时间同步模组B用于产生并输出节点i的备用时间戳至无线通信模块B，还用于基于从无线通信模块B输入的时间偏差，持续更新节点i的备用时间戳并输出至无线通信模块B；无线通信模块B用于接收节点j的主用时间戳和持续更新的节点i的备用时间戳，并传输至时间同步模组B，还用于基于节点i的备用时间戳和节点j的主用时间戳，计算获得时间偏差至时间同步模组B；
模块配置方式C，包括时间同步模组C和无线通信模块C；其中，时间同步模组C用于产生并输出节点i的备用时间戳至无线通信模块C，还用于基于从无线通信模块C输入的时间偏差，持续更新节点i的备用时间戳并输出至无线通信模块C；无线通信模块C用于接收节点j的主用时间戳和持续更新的节点i的备用时间戳，并传输至时间同步模组C，还用于基于节点i的备用时间戳和节点j的主用时间戳，计算获得时间偏差至时间同步模组C。
9.根据权利要求8所述的混合优化时间同步系统，其特征在于，当模块配置方式为A时，所述改进的PTP网络时间协议模块位于所述时间同步模组A中，所述时间戳驱动模块嵌入于无线通信模块A的物理驱动层；
当模块配置方式为B时，所述时间戳驱动模块嵌入于无线通信模块B的物理驱动层，改进的PTP网络时间协议模块嵌入于无线通信模块B的网络层；
当模块配置方式为C时，将时间戳驱动模块与改进的PTP网络时间协议模块集成在用户态的改进的PTP网络时间协议模块中；用户态的改进的PTP网络时间协议模块嵌入到无线通信模块的网络层。
10.根据权利要求9所述的混合优化时间同步系统，其特征在于，所述混合优化时间同步系统还包括时间同步控制模块，用于基于故障指示，对是否将该节点的时间戳生成模块生成的主用时间戳或备用时间戳输出到无线通信模块中的时间戳驱动模块或用户态的改进的PTP网络时间协议模块进行控制，还用于对该节点的改进的PTP网络时间协议模块的启动和关闭进行控制。
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