CN116939801B - 基于物理层跨技术通信的可穿戴设备无线时间同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于物理层跨技术通信的可穿戴设备无线时间同步方法,包括：设定初始值；可穿戴设备监听信道并准备接收WiFi协调器广播的跨技术同步帧；基于WiFi协调器，生成并广播跨技术同步帧，跨技术同步帧携带可穿戴设备的时间戳；可穿戴设备接收跨技术同步帧,获取本地时间和跨技术同步帧的信号质量，本地时间为可穿戴设备接收到跨技术同步帧的时间；对WiFi协调器进行判断，获取最优信号质量并停止本轮次帧接收时间间隔计时；可穿戴设备对跨技术同步帧进行校验，获取参考全局时间；基于本地时间和参考全局时间，获取全局时间并将全局时间发送给子设备，实现基于物理层跨技术通信的可穿戴设备无线时间同步。
Description
技术领域
本发明属于无线时间同步技术领域,尤其涉及基于物理层跨技术通信的可穿戴设备无线时间同步方法。
背景技术
随着无线通信技术的持续发展，无线设备的种类和规模逐年扩增，而设备之间的无线时间同步技术是支持其系统功能和应用服务的重要基础。近年来，可穿戴设备被广泛使用，其中包含一类具有低功耗、高时间同步精度、高移动性要求的无线设备，例如，远程可穿戴健康监测设备、无线动作捕捉设备等。首先，传统的无线时间同步方法引入显著的功耗负担，因为其依赖于同步消息在网络中的多跳传递，处于传递路径上的设备需要周期性地接收和转发同步消息。第二，传统的无线时间同步方法引入难以消除的同步误差，因为低功耗无线设备通常采用低速率通信技术，同步消息多跳传递导致的累积误差限制了时间同步精度性能。但是，一些由可穿戴设备支撑的应用服务对同步精度的要求则更加严格，例如，在远程可穿戴健康监测系统中，基于脉搏波传输时延的血压测量方法被广泛使用，其测量精度依赖于多个无线生理信号传感设备采集多种生理信号的时间同步精度；在无线运动捕捉系统中，动作捕捉演员肢体运动的准确复现依赖于多个无线运动传感器同步采集的时序运动数据。第三，现存可穿戴设备无线时间同步方法限制了可穿戴设备的移动性，因为其通过可穿戴设备与移动通信终端设备、计算机设备等建立的无线连接由后者对前者进行间歇性时间同步，即可穿戴设备必须依赖于其他具备入网能力并能够获取网络标准时间的设备以实现时间同步。所以，可穿戴设备无线时间同步方法需要克服传统无线时间同步方法的功耗和时间同步精度瓶颈，并满足可穿戴设备的移动性要求。
发明内容
本发明的目的在于提出基于物理层跨技术通信的可穿戴设备无线时间同步方法，利用WiFi通信技术与BLE、ZigBee等低功耗通信技术均使用工业、科学、医学开放频段这一基础条件，将广泛部署的WiFi接入点设备作为协调器，实现WiFi协调器向使用的BLE、ZigBee等低功耗通信技术的可穿戴设备广播时间戳，避免额外部署成本，规避同步消息多跳传递的累积误差和能量开销，并对可穿戴设备的移动性需求提供良好支持。
为实现上述目的，本发明提供了基于物理层跨技术通信的可穿戴设备无线时间同步方法，具体包括以下步骤：
S1、设定初始值；
S2、可穿戴设备监听信道并准备接收WiFi协调器广播的跨技术同步帧；
S3、基于WiFi协调器，生成并广播跨技术同步帧，所述跨技术同步帧携带可穿戴设备的时间戳；
S4、所述可穿戴设备接收所述跨技术同步帧,获取本地时间和所述跨技术同步帧的信号质量，所述本地时间为所述可穿戴设备接收到所述跨技术同步帧的时间；
S5、对所述WiFi协调器进行判断，获取最优信号质量并停止本轮次帧接收时间间隔计时；
S6、所述可穿戴设备对所述跨技术同步帧进行校验，获取参考全局时间；
S7、基于所述本地时间和所述参考全局时间，获取全局时间并将所述全局时间发送给子设备，实现基于物理层跨技术通信的可穿戴设备无线时间同步。
可选的，所述初始值包括同步轮次标号、帧接收时间间隔阈值、帧接收时间间隔计时、时间同步源和初始最优信号质量。
可选的，可穿戴设备监听信道并准备接收WiFi协调器广播的跨技术同步帧后还包括:
当本轮次所述帧接收时间间隔计时超过本轮次所述帧接收时间间隔阈值时,所述可穿戴设备直接向父设备发送请求帧；
当本轮次所述帧接收时间间隔计时未超过本轮次所述帧接收时间间隔阈值时，进行S3。
可选的，对所述WiFi协调器进行判断，获取所述最优信号质量包括：
当所述WiFi协调器是本轮次所述时间同步源时，所述可穿戴设备直接设置本轮次所述跨技术同步帧的信号质量为所述最优信号质量；
当所述WiFi协调器不是本轮次所述时间同步源时，所述可穿戴设备将本轮次所述跨技术同步帧的信号质量和所述最优信号质量进行比较，获取所述最优信号质量。
可选的，所述可穿戴设备将本轮次所述跨技术同步帧的信号质量和所述最优信号质量进行比较，获取所述最优信号质量包括：
当本轮次所述跨技术同步帧的信号质量劣于所述最优信号质量时，丢弃本轮次所述跨技术同步帧返回S2进行下一同步轮次；
当本轮次所述跨技术同步帧信号的质量优于所述最优信号质量时，所述可穿戴设备设置本轮次所述时间同步源为所述跨技术同步帧的发送方，所述可穿戴设备设置本轮次所述跨技术同步帧的信号质量为所述最优信号质量。
可选的，所述可穿戴设备对所述跨技术同步帧进行校验，获取所述参考全局时间包括：
所述可穿戴设备对所述跨技术同步帧进行循环冗余校验，获取校验结果；
若所述校验结果为通过，则所述可穿戴设备直接获取所述跨技术同步帧的时间戳，记为所述参考全局时间；
若所述校验结果为不通过，则所述可穿戴设备尝试基于所述WiFi协调器广播所述跨技术同步帧的周期对所述时间戳进行纠错，获取所述参考全局时间。
可选的，所述可穿戴设备尝试基于所述WiFi协调器广播所述跨技术同步帧的周期对所述时间戳进行纠错，获取所述参考全局时间还包括：
若纠错失败，所述可穿戴设备向所述父设备发送请求帧；
所述可穿戴设备接收所述父设备发送的应答帧，获取所述参考全局时间。
可选的，基于所述本地时间和所述参考全局时间，获取所述全局时间并将所述全局时间发送给所述子设备包括：
基于所述本地时间和所述参考全局时间，获取若干时间对，若干所述时间对作为历史数据；
所述可穿戴设备基于所述历史数据进行线性回归拟合，获取本轮次频率偏移和本轮次相位偏移；
基于本轮次所述频率偏移和本轮次所述相位偏移，获取回归直线方程；
所述可穿戴设备接收所述子设备发送的请求帧,基于所述回归直线方程，利用接收所述请求帧的本地时间，获取全局时间；
所述可穿戴设备基于所述全局时间,向所述子设备发送包含所述全局时间的应答帧。
可选的，实现基于物理层跨技术通信的可穿戴设备无线时间同步后还包括：设置本轮次所述帧接收间隔时间计时为下一轮次初始值并开始下一轮次计时，同时设置所述同步轮次标号为下一同步轮次标号。本发明具有以下有益效果：
本发明利用WiFi接入点设备作为时间同步协调器，实现对采用BLE、ZigBee等低功耗通信技术的可穿戴设备的无网关时间同步；利用同步帧广播的周期性对错误时间戳进行纠错，有效应对物理层跨技术通信的可靠性问题，降低设备的时间同步能耗，并提高设备的时间同步精度。通过设备对协调器的主动择优切换及主动同步请求机制，对可穿戴设备的移动性需求提供良好支持。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例基于物理层跨技术通信的可穿戴设备无线时间同步方法的总体设计流程图；
图2为本发明实施例提出的时间同步方法同步示意图；
图3为本发明实施例提出的基于物理层跨技术通信的时间戳广播示意图；
图4为本发明实施例提出的利用同步周期对跨技术同步帧进行错误比特纠正示意图；
图5为本发明实施例提出的存在进位问题的跨技术同步帧错误比特纠正示意图；
图6为本发明实施例提出的利用本地时间估计全局时间示意图；
图7为本发明实施例提出的可穿戴设备节点向父设备节点请求时间戳示意图；
图8为本发明实施例提出的可穿戴设备对WiFi协调器的主动选择示意图；
图9为本发明实施例提出的实验设备；
图10为本发明实施例提出的在协调器和被同步设备处于不同距离时时间同步的平均绝对误差示意图；
图11为本发明实施例提出的在协调器和被同步设备处于不同距离时时间同步的误差分布直方图；
图12为本发明实施例提出的多WiFi协调器存在时被同步设备的时间同步的平均误差分布直方图；
图13为本发明实施例提出的多WiFi协调器存在时被同步设备的时间同步误差分布箱型图；
图14为本发明实施例提出的被同步设备的时间同步误差时序图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
跨技术通信技术(Cross-Technology-Communication，CTC)作为一种新兴的通信技术，为克服上述挑战提供了契机，其能够实现异构通信技术之间的免网关直接通信，又称为跨技术直连。该技术利用异构通信技术工作频段具有重叠部分这一基础条件，在发端将待发消息表征为信号传输模式中可被收端异构通信技术辨识的特征(如信号功率、帧长、帧间隔等)，或通过构造数据载荷使发端通信技术产生的物理信号包含能够被收端异构通信技术接收的信号片段(对应结构完整的收端异构通信技术数据帧)，实现消息搭载。其中，前者为数据包级跨技术通信技术(Packet-levelCTC，PKT-CTC)，后者为物理层跨技术通信技术(Physical-layerCTC，PHY-CTC)。相对前者，物理层跨技术通信能够规避单个数据包需要多帧传输的缺陷，实现更高的通信速率和更低的传输延迟。
基于物理层跨技术通信的时间同步方案使以WiFi接入点(AccessPoint，AP)设备作为协调器向同工作频段采用低功耗通信技术的可穿戴设备提供时间同步成为可能并且具备以下独有优势：可利用现存WiFi网络基础设施，无需部署额外网关设备，部署成本低，且容易扩展；由于WiFi接入点设备的广泛部署，能够对被同步可穿戴设备的移动性提供良好支持；由于WiFi接入点设备广泛部署形成的广阔信号覆盖，多数情况下，可实现同步消息单跳到达被同步设备，规避同步消息多跳传递造成的累积误差，并降低被同步设备的射频能耗。
本实施例提供了一种时间同步方法，该方法的总体流程如图1所示。该方法通过物理层跨技术通信方法，由WiFi接入点设备作为协调器产生并广播包含参考全局时间的时间戳的跨技术同步帧，WiFi协调器覆盖范围内使用BLE、ZigBee等低功耗通信技术的可穿戴设备接收同步帧并在时间戳存在错误时利用WiFi协调器广播跨技术同步帧的周期性尝试对其错误比特序列进行纠错。可穿戴设备基于多个同步轮次接收的时间戳，估计全局时间相对本地时间的偏移。对于不能接收到跨技术同步帧的可穿戴设备，其通过向父节点请求时间戳获取全局参考时间，从而实现可穿戴设备基于本地时间估计全局时间，使同一场景中可穿戴设备的时间同步。
如图2所示，本实施例利用WiFi接入点设备已经广泛部署这一有利条件，基于物理层跨技术通信方法，在无需部署额外设备的前提下实现同一环境中可穿戴设备大范围的时间同步，其不仅能够提高设备的同步精度，还能够降低节点的同步能耗，并对可穿戴设备的移动性需求提供良好支持。
如图3所示，WiFi协调器使用物理层跨技术通信方法对同步帧有效载荷部分进行构造，生成跨技术同步帧，由该同步帧搭载时间戳比特序列，即在WiFi协调器和可穿戴设备端分别筛选一组比特序列，并分别构成一序列集，其满足对可穿戴设备端序列集中任一序列，在WiFi协调器端序列集中至少存在一个对应比特序列，当该比特序列作为数据帧有效载荷时通过WiFi通信技术调制产生的物理信号在受到信道作用后能够稳定地被可穿戴设备端采用的另一通信技术解调并纠错为可穿戴设备端序列集中的这一比特序列。据此，在WiFi协调器和可穿戴设备端之间建立起一约定的映射规则，该规则规定了WiFi协调器端序列集中比特序列到可穿戴设备端序列集中比特序列的映射关系。而后，在WiFi协调器端按照可穿戴设备端采用的通信技术帧格式构造该通信技术的数据帧，该帧的有效载荷即为需要搭载的时间戳比特序列，按照可穿戴设备端序列集中比特序列拆解该帧，并利用WiFi协调器和可穿戴设备端约定的映射规则，通过逆映射逐一获取拆得各比特序列对应的WiFi协调器端序列集中比特序列并依序拼接为一比特序列，将该比特序列作为WiFi数据帧的有效载荷，经WiFi通信技术调制即获取搭载时间戳的跨技术同步帧。
同步帧的帧头、帧尾部分将被可穿戴设备使用的BLE、ZigBee等通信技术视作信道噪声丢弃，而同步帧的有效载荷部分对应了收端通信技术的完整数据帧结构，其可被可穿戴设备辨识和接收，其包含的时间戳比特序列随后被提取。
本实施例所涉场景包括多个WiFi协调器，编号为0,1,…,N-1，包括多个可穿戴设备，部分可穿戴设备为簇头设备。除簇头设备外，每个可穿戴设备都已规定一可穿戴设备作为其父设备，任意两可穿戴设备不互为父设备。WiFi协调器广播的帧称作同步帧，一可穿戴设备向其父设备发送的帧称作请求帧，一可穿戴设备从其父设备接收的帧称作应答帧。簇头设备、非任一可穿戴设备父设备的可穿戴设备不接收请求帧且不发送应答帧。每个可穿戴设备维护一同步轮次标号i，在开始时i为0。每个可穿戴设备都已规定一帧接收时间间隔阈值τ，并维护一帧接收时间间隔计时t，在开始时t为0,计时处于停止状态。每个可穿戴设备维护一时间同步源S，并维护一以RSSI值表示的最优信号质量Qopt，在开始时，S为-1，Qopt为-∞。每个可穿戴设备都已规定一历史数据存储长度M。每个可穿戴设备维护一频率偏移a和一相位偏移b。
如图9所示，本实施例的测试设备包括实现802.11gPHY的软件定义无线电(Software-defined Radio，SDR)USRP N210、实现ZigBee通信协议的Tmote Sky，其芯片为TICC2420。前者模拟WiFi协调器，后者模拟采用同频段低功耗通信技术的可穿戴设备。USRPN210的发射功率设置为20dBm，Tmote sky的发射功率设置为0dBm，测试场景为实验室和附近走廊构成的室内环境，总面积为20m×50m。本测试在实验室内部署1个USRP N210和3个Tmote Sky、在实验室外部走廊中部署1个USRP N210和5个Tmote Sky。
步骤(1)，可穿戴设备监听信道并准备接收WiFi协调器广播的同步帧。若可穿戴设备在监听信道时，帧接收时间间隔计时超过帧接收时间间隔阈值，即t>τ，进行步骤(15)；若可穿戴设备在监听信道时，帧接收时间间隔计时未超过帧接收时间间隔阈值，即t≤τ，进行步骤(2)。本实施例中TmoteSky周期性唤醒，唤醒时监听802.15.4的21信道。周期为2秒，每个周期内唤醒时长为4毫秒，其中，包括保护时间为1毫秒，用于适应同步周期抖动；被动同步时间为1.5毫秒，用于接收WiFi协调器广播的跨技术同步帧。主动同步时间为1.5毫秒，用于发送、接收请求帧和应答帧。
步骤(2)，WiFi协调器之间基于网络时间同步(Network Time Protocol，NTP)协议同步。WiFi协调器周期性读取本地时钟的时间戳，转换为可穿戴设备的时间戳，该时间戳表征的时刻为参考全局时间。WiFi协调器使用物理层跨技术通信方法产生搭载该时间戳的同步帧并广播该同步帧。本实施例中，USRPN210周期性生成WiFi通信技术到ZigBee通信技术的跨技术同步帧并在802.11的11信道发送同步帧，周期为2秒。
步骤(3)，可穿戴设备接收到WiFi协调器广播的跨技术同步帧，接收时读取本地时钟的时间戳，该时间戳表征的时刻为本地时间，记作Tdi,其中i为同步轮次。
步骤(4)，可穿戴设备获取获取跨技术同步帧的RSSI值，记作Q。
步骤(5)，设该跨技术同步帧发送方WiFi协调器的编号为j，若该同步帧的发送方WiFi协调器是可穿戴设备选择的时间同步源，即S与j相等，进行步骤(6)；若该同步帧的发送方WiFi协调器不是可穿戴设备选择的时间同步源，即S与j不相等，则可穿戴设备比较本轮次信号质量和最优信号质量，即若Q≤Qopt，丢弃该帧，令i＝i+1，进行步骤(1)，若Q>Qopt，可穿戴设备选择该同步帧的发送方WiFi协调器为时间同步源，令S＝j，进行步骤(6)。
步骤(6)，可穿戴设备更新最优信号质量，即令Qopt＝Q。
步骤(7)，可穿戴设备停止帧接收时间间隔计时，并令t＝0。
步骤(8)，可穿戴设备对接收的跨技术同步帧进行循环冗余(Cyclic RedundancyCheck，CRC)校验。若校验通过，进行步骤(10)；若校验未通过，进行步骤(9)。
步骤(9)，可穿戴设备尝试根据WiFi协调器广播跨技术同步帧的周期对时间戳进行纠错。若纠错成功，即纠错后的跨技术同步帧通过循环冗余校验，进行步骤(10)；若纠错失败，即纠错后的跨技术同步帧仍未通过循环冗余校验，进行步骤(15)。
利用同步周期对跨技术同步帧进行错误比特纠正的过程为：对于一WiFi协调器，其产生并广播的多个跨技术同步帧有效载荷部分包含的时间戳比特序列存在差异，而相邻帧帧头部分比特序列则相同。因此，由于WiFi协调器按照确定周期产生并广播同步帧，可穿戴设备可利用此周期推测接收的同步帧包含的时间戳比特序列。由于WiFi通信技术通过CSMA机制进行信道随机接入，该机制导致的随机延迟使同步周期发生抖动。根据对周期抖动的实验测量，该随机接入延迟基本在200μs以内。本发明中时间戳使用以32μs作为最小时间单元的计数形式，记为1tick，而大多数可穿戴设备使用毫秒级别时钟并使用32位精度的时间戳。因此，大多数情况下，随机接入延迟导致的比特序列错误集中在时间戳比特序列的低位，即200μs/32μs﹤7ticks。由上述，可利用WiFi协调器广播周期估计的时间戳比特序列推测接收时间戳的高位比特序列并进行有效纠错。如图4所示，可见时间戳高位序列的纠错过程。
考虑到，由于同步周期抖动，可穿戴设备推测的时间戳可能和接收的跨技术同步帧包含的时间戳存在数个tick的偏差，可能的时间戳进位将导致两者比特序列存在多位差距，存在进位问题的跨技术同步帧错误比特纠错过程为：由于计数进位，相邻同步帧搭载的时间戳比特序列可能有多位不同。为简化说明，以8位精度时间戳为例，同步周期设为3ticks，同步周期抖动设为2ticks，如图5所示，设收端可穿戴设备上次接收的时间戳比特序列为01111100，对该时间戳计数加增3ticks作为下一次接收时间戳比特序列的推测，即01111111。若考虑上述同步周期抖动影响，接收的下一时间戳计数实际为10000001。不妨假设错误出现在时间戳比特序列的2、4位，该错误图样的产生可能由信道噪声引起的信号畸变或物理层跨技术通信的信号模拟错误引起的信号失真导致。收端设备在提取跨技术同步帧搭载的时间戳比特序列后将基于CRC检错机制发现此序列存在错误，其首先根据推测时间戳比特序列对收到的实际时间戳进行高位比特序列纠错，由于正确时间戳与推测时间戳的高位比特序列不同，因纠错后的时间戳比特序列不能通过CRC校验可知纠错失败。收端设备随后进行第二次纠错尝试，即对推测的时间戳比特序列的6个高位比特表征的计数进行加1和计数进位操作，此时6个高位比特变更为100000，重组时间戳比特序列为10000001，随后该纠错后时间戳比特序列将再次通过CRC校验以检验纠错结果。
步骤(10)，可穿戴设备获取最终通过循环冗余校验的跨技术同步帧的时间戳，该时间戳表征的时刻为参考全局时间，记作Twi。在每个同步轮次中，可穿戴设备将此轮次接收跨技术同步帧时的本地时间Tdi和该跨技术同步帧搭载时间戳表征的参考全局时间Twi成对记录，只存储最后M个轮次的本地时间和全局参考时间对组数据(Td(i-M+1)，Tw(i-M+1))，(Td(i-M+2)，Tw(i-M+2))，…，(Tdi，Twi)，作为历史数据。
步骤(11)，可穿戴设备基于历史数据估计全局时间相对本地时间的频率偏移和相位偏移。如图6所示，使用最小二乘法进行线性回归拟合，更新频率偏移a和相位偏移b。
步骤(12)，可穿戴设备接收以其作为父设备的其他可穿戴设备发送的请求帧，若未收到请求帧，进行步骤(14)；若收到请求帧，进行步骤(13)。
步骤(13)，可穿戴设备估计全局时间，即读取本地时钟的时间戳，基于该时间戳表征的本地时间Td和频率偏移a、相位偏移b决定的回归直线方程，估计全局时间该可穿戴设备向请求帧发送方可穿戴设备发送包含表征估计全局时间的时间戳的应答帧。
步骤(14)，可穿戴设备开始帧接收时间间隔计时，并令i＝i+1，进行步骤(1)。
步骤(15)，可穿戴设备向其父设备发送请求帧。
步骤(16)，可穿戴设备接收其父设备发送的应答帧，接收时读取本地时钟的时间戳，并获取该应答帧的时间戳，分别作为Tdi、Twi予以记录。进行步骤(13)。
如图7所示，如果可穿戴设备在利用同步周期对跨技术同步帧进行尝试纠错后仍未成功还原正确时间戳比特序列，该设备节点会主动向其父设备发送请求帧，父设备收到请求帧后使用接收该请求帧时的设备本地时间估计全局时间，并将包含相应时间戳的应答帧发送给请求帧的发送方可穿戴设备，实现可穿戴设备和其父设备的局部同步。
如图8所示，在本实施例中，单个WiFi接入点设备的信号覆盖范围约为100m，由于WiFi接入点设备部署的广泛性，可穿戴设备可能处于多个WiFi协调器的覆盖范围内，可穿戴设备在多个提供覆盖的WiFi协调器中基于其广播跨技术同步帧的信号质量进行选择，形成了以WiFi协调器为根节点，簇头设备为一级子节点的树结构，每个树内的可穿戴设备由作为根节点的WiFi协调器提供时间同步，而WiFi协调器通过网络时间同步协议同步。通过此方式，同一场景中的所有可穿戴设备保持时间同步。
本发明实施例在协调器和被同步设备处于不同距离时时间同步的平均绝对误差：本测试在走廊的一端放置一台USRP N210，分别在距离其5m、10m、20m、30m和40m处放置Tmote Sky。各个被同步设备共收集15000个样本，每个同步轮次记录一个样本，每个样本包括被同步设备估计的全局时间和被同步设备做出估计时的实时标准时间，各个被同步设备时间同步的平均绝对误差计算为后者相对于前者的绝对误差的平均值。如图10所示，可见各设备平均同步误差随着距离的增加而呈上升趋势，在40m处，平均误差可低至0.878ticks(28.1μs，其中1tick＝32μs)。此测试证明本发明可实现以WiFi接入点设备作为协调器对可穿戴设备提供时间同步并实现良好的时间同步精度。
本发明实施例在协调器和被同步设备处于不同距离时时间同步的误差分布直方图：本测试的实验设置与上述平均绝对误差中的实验设施相同，在样本中抽取5m、10m和40m处被同步设备收集的样本，各个被同步设备时间同步的平均误差计算为被同步设备做出估计时的实时标准时间相对于其估计的全局时间的误差。如图11所示，可见超过99％样本的同步误差都在±3ticks之内，此测试证明本发明以WiFi接入点设备作为协调器对可穿戴设备提供时间同步基本无系统误差。
多WiFi协调器存在时被同步设备的时间同步的平均误差分布直方图：本测试在实验室内放置2台USRPN210和8个TmoteSky，各个被同步设备共收集17269个样本，每个同步轮次记录一个样本，每个样本包括被同步设备估计的全局时间和被同步设备做出估计时的实时标准时间，各个被同步设备时间同步的误差计算为后者相对于前者的误差。如图12所示，可见超过99％样本的同步误差在±3ticks内。经计算，可知平均误差为0.968ticks，即29.54μs，其中1tick＝32μs，均方误差为1.2054ticks，即36.79μs。此测试证明本发明实施例在室内多径环境下通过被同步设备对协调器的主动选择策略可实现良好的时间同步精度。
多WiFi协调器存在时被同步设备的时间同步误差分布箱型图：本测试的实验设置与上述平局误差分布直方图中的实验设施相同，在样本中抽取上述8个被同步设备中的5个设备收集的样本，各个被同步设备时间同步的误差计算为被同步设备做出估计时的实时标准时间相对于其估计的全局时间的误差。如图13所示，可见超过80％样本的同步误差在±1tick内。其中，异常值是物理层跨技术通信的固有信号模拟错误和不稳定的无线信道导致的。
被同步设备的时间同步误差时序图：本测试的实验设置也与上述平局误差分布直方图中的实验设施相同。由于不同节点的晶振频偏存在不稳定性，随着时间推移其同步精度必然存在一定程度的误差，在样本中抽取上述8个被同步设备中的1个设备收集的样本，被同步设备时间同步的误差计算为被同步设备做出估计时的实时标准时间相对于其估计的全局时间的误差。如图14所示，可见时间同步误差在一段时间内呈现出周期性变化的特点。此测试证明本发明实施例在室内多径环境下通过线性回归拟合方式基于设备本地时间估计全局时间使被同步设备的时间同步误差具有稳定性。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.基于物理层跨技术通信的可穿戴设备无线时间同步方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、设定初始值；
所述初始值包括同步轮次标号、帧接收时间间隔阈值、帧接收时间间隔计时、时间同步源和初始最优信号质量；
S2、可穿戴设备监听信道并准备接收WiFi协调器广播的跨技术同步帧；
可穿戴设备监听信道并准备接收WiFi协调器广播的跨技术同步帧后还包括:
当本轮次所述帧接收时间间隔计时超过本轮次所述帧接收时间间隔阈值时,所述可穿戴设备直接向父设备发送请求帧；
当本轮次所述帧接收时间间隔计时未超过本轮次所述帧接收时间间隔阈值时，进行S3；
S3、基于WiFi协调器，生成并广播跨技术同步帧，所述跨技术同步帧携带可穿戴设备的时间戳；
S4、所述可穿戴设备接收所述跨技术同步帧,获取本地时间和所述跨技术同步帧的信号质量，所述本地时间为所述可穿戴设备接收到所述跨技术同步帧的时间；
S5、对所述WiFi协调器进行判断，获取最优信号质量并停止本轮次帧接收时间间隔计时；
对所述WiFi协调器进行判断，获取所述最优信号质量包括：
当所述WiFi协调器是本轮次所述时间同步源时，所述可穿戴设备直接设置本轮次所述跨技术同步帧的信号质量为所述最优信号质量；
当所述WiFi协调器不是本轮次所述时间同步源时，所述可穿戴设备将本轮次所述跨技术同步帧的信号质量和所述最优信号质量进行比较，获取所述最优信号质量；
所述可穿戴设备将本轮次所述跨技术同步帧的信号质量和所述最优信号质量进行比较，获取所述最优信号质量包括：
当本轮次所述跨技术同步帧的信号质量劣于所述最优信号质量时，丢弃本轮次所述跨技术同步帧返回S2进行下一同步轮次；
当本轮次所述跨技术同步帧信号的质量优于所述最优信号质量时，所述可穿戴设备设置本轮次所述时间同步源为所述跨技术同步帧的发送方，所述可穿戴设备设置本轮次所述跨技术同步帧的信号质量为所述最优信号质量；
S6、所述可穿戴设备对所述跨技术同步帧进行校验，获取参考全局时间；
所述可穿戴设备对所述跨技术同步帧进行校验，获取所述参考全局时间包括：
所述可穿戴设备对所述跨技术同步帧进行循环冗余校验，获取校验结果；
若所述校验结果为通过，则所述可穿戴设备直接获取所述跨技术同步帧的时间戳，记为所述参考全局时间；
若所述校验结果为不通过，则所述可穿戴设备尝试基于所述WiFi协调器广播所述跨技术同步帧的周期对所述时间戳进行纠错，获取所述参考全局时间；
S7、基于所述本地时间和所述参考全局时间，获取全局时间并将所述全局时间发送给子设备，实现基于物理层跨技术通信的可穿戴设备无线时间同步。
2.如权利要求1所述的基于物理层跨技术通信的可穿戴设备无线时间同步方法，其特征在于，所述可穿戴设备尝试基于所述WiFi协调器广播所述跨技术同步帧的周期对所述时间戳进行纠错，获取所述参考全局时间还包括：
若纠错失败，所述可穿戴设备向所述父设备发送请求帧；
所述可穿戴设备接收所述父设备发送的应答帧，获取所述参考全局时间。
3.如权利要求1所述的基于物理层跨技术通信的可穿戴设备无线时间同步方法，其特征在于，基于所述本地时间和所述参考全局时间，获取所述全局时间并将所述全局时间发送给所述子设备包括：
基于所述本地时间和所述参考全局时间，获取若干时间对，若干所述时间对作为历史数据；
所述可穿戴设备基于所述历史数据进行线性回归拟合，获取本轮次频率偏移和本轮次相位偏移；
基于本轮次所述频率偏移和本轮次所述相位偏移，获取回归直线方程；
所述可穿戴设备接收所述子设备发送的请求帧,基于所述回归直线方程，利用接收所述请求帧的本地时间，获取全局时间；
所述可穿戴设备基于所述全局时间,向所述子设备发送包含所述全局时间的应答帧。
4.如权利要求1所述的基于物理层跨技术通信的可穿戴设备无线时间同步方法，其特征在于，实现基于物理层跨技术通信的可穿戴设备无线时间同步后还包括：设置本轮次所述帧接收间隔时间计时为下一轮次初始值并开始下一轮次计时，同时设置所述同步轮次标号为下一同步轮次标号。
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