CN117835393A - 一种基于ieee 802.1as的无线时钟同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机编队自组网的时钟同步通信技术领域，具体涉及一种基于IEEE 802.1AS的无线时钟同步方法，该方法包括：以编队中主无人机的时钟为基准，主无人机构造包含Zadoff‑Chu序列的同步报文，并周期性的发送至从无人机；从无人机利用ZC序列的互相关性对无人机相对运动造成的多普勒频移进行估计；其次，利用多径信道的稀疏性特点，将其和改进的正则化正交匹配追踪算法相结合，对报文到达时间进行精确估计；最后，从无人机利用精确估计的时间戳信息进行链路时延和同步偏差的计算；本发明提高了时间戳的估计精度，减小了双向链路的不对称度带来的链路时延估计不准确问题，提高了无线同步精度。

Description

一种基于IEEE 802.1AS的无线时钟同步方法

技术领域

本发明涉及无人机编队自组网的时钟同步通信技术领域，具体涉及一种基于IEEE802.1AS的无线时钟同步方法。

背景技术

无人机编队因其制造成本低，队形灵活性强和覆盖范围广等优势在移动通信系统中呈现出快速发展的趋势。现代无人机编队配备机载控制和数据传输系统可以在空中建立无线自组织网络，在无人机编队中，其中一架无人机被分配为“主无人机”，为所有其他“从无人机”生成控制和同步信号。主无人机通常与地面主控站直接连接，地面主控站对从无人机收集的数据进行计算处理，以生成正确的控制信号。

在无人机编队中，通常需要微秒的同步精度，以确保数据传输的可靠性和一致性。目前无人机组网采用的时钟同步技术主要有以下几种：全球卫星定位系统(GPS)同步、网络时间协议(NTP)、广义时钟同步协议(IEEE802.1AS)。基于GPS的时间同步是一种常用的时间同步方法。然而GPS信号容易受到建筑物、天气等因素的影响，可能会丢失或被遮挡；并且GPS同步距离远，时间长，容易受到虚假信号的干扰和欺骗攻击。传统的网络时钟同步协议(NTP)时钟同步精度以毫秒为单位，主要用于计算机网络同步，不能满足无人机对时钟精度的要求。广义时钟同步协议(IEEE 802.1AS)具有很好的灵活性和可扩展性，在单跳有线时钟同步方面，该协议的时钟同步精度可以达到亚微秒级别，并且还可以通过硬件辅助，实现更高的同步精度。

IEEE 802.1AS协议主要工作在数据链路层，通过交换带有时间戳信息的数据报文可以实现高精度的时钟同步，从而可以为无人机自组网提供精确的定时和同步。协议主要由主时钟选取、链路延时测量以及主从同步误差测量三大部分组成。主时钟的选取主要是通过数据集比较算法进行选择，并以主时钟节点为根节点，沿时钟树结构进行同步报文的下发；链路延时的测量主要采用基于请求-响应的对等延时测量机制；同步误差的测量主要采用两步法模式，周期性的发送时钟同步报文(sync)和跟随报文(follow_up)，从时钟节点接收并解析同步报文中的时间戳信息结合测量的链路延时计算同步误差并修正本地时钟。

然而，传统的链路延时的测量并未考虑链路不对称性，链路不对称性是影响IEEE802.1AS协议的主要因素之一。当无人机在编队中以不同的速度运动时，它们之间的相对速度差异会导致多普勒频移。发送无人机的信号频率与接收机接收到的信号频率之间的差异会导致信号到达时间的偏移，从而会造成到达时间估计不准确，影响链路时延的测量。在无线动态环境中，受多径效应的影响，信号在传播过程中会经历多个路径，每条路径的长度和传播速度可能不同，这会导致信号到达无人机的时延存在差异。因此，无人机接收到的同步信号可能存在时延误差，从而影响链路的对称性。

综上所述，将IEEE 802.1AS协议引入无人机网络可以满足无人机网络对时钟同步的需求，然而协议在链路延时测量阶段未考虑多普勒频移和多径传播造成的链路时延不对称，当使用对等延时机制测量的链路时延计算同步误差时，将会影响测量的精度，因此如何解决无线动态环境中多普勒频移和多径传播造成的链路时延不对称成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

基于现有协议存在的问题，本发明提供一种基于IEEE 802.1AS的无线时钟同步方法，具体包括以下步骤：

主无人机构造包含ZC序列的同步报文，并周期性地将所述同步报文发送至从无人机；所述ZC序列包括具有互相关性的正ZC序列和负ZC序列；

从无人机利用ZC序列的互相关性对无人机相对运动造成的多普勒频移进行估计，得到所述同步报文的频偏估计信号；

从无人机采用正则化正交匹配追踪算法对多径信道传播造成的时延进行处理，得到所述同步报文的时延估计信号；

从无人机利用链路不对称度对时延测量误差进行处理，得到所述同步报文的同步偏差；

从无人机利用所述同步报文的同步偏差，对本地时钟进行修正。

本发明的有益效果：

本发明考虑了多普勒频偏和多径传播造成的时延扩展问题，对数据报文的到达时间进行了精确估计，从而减小了双向链路时延的不对称性，提高了同步精度。

附图说明

图1是本发明中无人机通信场景图；

图2是本发明中无线时钟同步流程图；

图3是本发明中采用精确时间戳估计的链路时延测量流程图；

图4是本发明中采用精确时间戳估计的同步误差估计流程图；

图5是本发明中采用的链路时延测量原理图；

图6是本发明中采用的同步误差估计原理图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

图1是本发明实例采用的无人机通信场景图，如图1所示，master为主无人机，速度为v1，slave为从无人机，速度为v2，在主从无人机通信的过程中，信号可能通过不同的路径到达从无人机。这种情况是由于信号在传播过程中遇到反射、绕射和折射等现象，导致信号沿不同路径传播并到达从无人机。这会导致信号到达无人机的时延存在差异。因此，无人机接收到的同步信号可能存在时延误差，从而影响时钟同步的精度和准确性。此外，当无人机在编队中以不同的速度运动时，它们之间的相对速度差异会导致通信信号频率发生偏移。发送无人机的信号频率与接收机接收到的信号频率之间的差异会导致信号到达时间的偏移，从而会造成到达时间估计不准确，影响链路时延的测量。

针对以上问题，本发明提供了一种基于IEEE 802.1AS的无线时钟同步方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1：主无人机构造包含ZC序列的同步报文，并周期性地将所述同步报文发送至从无人机；所述ZC序列包括具有互相关性的正ZC序列和负ZC序列；

步骤2：从无人机利用ZC序列的互相关性对无人机相对运动造成的多普勒频移进行估计，得到所述同步报文的频偏估计信号；

步骤3：从无人机采用正则化正交匹配追踪算法对多径信道传播造成的时延进行处理，得到所述同步报文的时延估计信号；

步骤4：从无人机利用链路不对称度对时延测量误差进行处理，得到所述同步报文的同步偏差；

步骤5：从无人机利用所述同步报文的同步偏差，对本地时钟进行修正。

在本发明实施例中，所述步骤1中以无人机编队中主无人机的时钟为基准，主无人机构造包含ZC序列的同步报文，并周期性的发送至从无人机。

首先，进行多普勒频偏的估计，假设主节点M在第K个时刻发送时钟同步消息s(t-kT_M),则s(t)被定义为：

其中，s(t)表示主无人机在时刻t发送的同步报文序列，N_z表示ZC序列的长度；x(t)为归一化基带脉冲，x(t-kT_M)表示主无人机在第k个时刻发送同步消息的归一化基带脉冲，T_M为脉冲间距，u[k]由两个长度为N_z，根为-u和+u的Zadoff-Chu(ZC)序列构造而成，u₊[k]表示正ZC序列，u_-[k]表示负ZC序列，记为：

在本发明实施例中从无人机利用ZC序列的互相关性对无人机相对运动造成的多普勒频移进行估计；

利用ZC序列的互相关性对无人机相对运动造成的多普勒频移进行估计，假设在第v个时刻从节点S接收到主节点M发送的同步信号y(k)，将y(k)与同步信号s₊(k)和s_-(k)两部分相互关联，表示为：

其中上标*表示复共轭；下标±表示ZC根的符号(即+u或-u)，s±(k)为:

其中，T_s为采样间隔，由上式可以得到互相关函数的峰值为:

其中，R_-(v)表示负ZC序列互相关函数在第v个时刻的峰值，R₊(v)表示正ZC序列互相关函数在第v个时刻的峰值，η₊和η_-是常数，分别对应为正ZC序列和负ZC序列的常数；I_delay主节点M到从节点S的链路时延，根据公式，从节点S与主节点M之间的频率偏移量Δf变为：

通过对大量训练数据进行平均，可以得到较好的频偏估计。

其中，Δf′表示校正后的同步报文的频偏估计信号；m表示第几次计算频偏估计值；表示第p次对互相关函数做加权平均得到的负ZC序列的估计峰值，/>表示第p次对互相关函数做加权平均得到的正ZC序列的估计峰值，L_ys+(r)表示发送的同步信号与接收的同步信号的正关联信号，L_ys-(r)表示发送的同步信号与接收的同步信号的负关联信号。

在本发明实施例中，本发明利用多径信道的稀疏性特点，用估计的信号频率偏移对信号进行补偿，将其和改进的正则化正交匹配追踪(ROMP)算法相结合，采用改进的正则化正交匹配追踪(ROMP)算法对多径传播造成的延时进行处理，主要包括以下步骤：

S31、初始化：初始残差r⁰＝y-φx₀、初始索引解集合初始迭代次数t＝0；

其中x₀为初始解，表示在初始迭代过程中求解得到的主无人机发送的同步信号；φ为感知矩阵；y为观测向量，表示从无人机接收到主无人机发送的同步信号，a⁰表示初始索引解集合的元素；表示空集；

S32、令t＝t+1，利用公式：j＝1,2,...,N}计算相关系数，得到u中最大值所对应的索引号λ_t；u表示相关系数集合；u_j表示内积所得到的索引值，r_t-1表示在第t-1次迭代过程中的残差；/>表示感知矩阵φ的第j列，N表示矩阵维数；

S33、利用公式：max|u(i)|≤2|u(j)|,i,j∈J₀在集合J中寻找子集J₀，选择满足条件子集中能量最大的子集J₀；J表示内积值对应的序列号组成的集合；

S34、更新索引集集合利用公式：求得逼近的信号/>S^t表示第t-1次迭代过程中的索引解集合，φ_t为第t次迭代过程中感知矩阵，/>表示求解得到的主无人机发送的同步信号，/>表示第t次迭代过程中的估计解；

S35、利用公式：更新残差r_t，并且更新残差差值ε_new＝||r_t-r_t-1||；如果ε_new≤ε或t＞K，ε为残差阈值，K为最大迭代次数；则计算完成，并输出迭代过程中的最优解/>和两侧的次优解/>否则返回步骤S32进行迭代运算。

可以理解的是，最优解即为估计得到的归一化幅值最高的解，在时延-归一化幅值坐标中，其对应的归一化幅值最高，且其两侧的时延值对应的归一化幅值为次高的归一化幅值。

在本发明优选实施例中，在步骤S35的基础上，采用网格平衡法对正则化正交匹配追踪算法的解进行优化包括：

S351、确定出迭代完成后的最优解和次优解/>在最优解/>与次优解之间和最优解/>与次优解/>之间分别插入P个网格，每个网格的宽度为q，/>Δτ为最优解与次优解之间的延迟时间；

S352、初始n＝0，将每个网格的解带入信道功率计算公式分别求出对应的信道功率Y_m+(n-1)q，Y_m+nq，Y_m+(n+1)q；其中，信道功率计算公式表示为：

其中，Y_m表示解x_m对应的信道功率，S_m(l)表示存在时延的参考序列，H(l)表示接收序列，S(l)表示原始参考序列，*表示共轭；N_l表示序列的长度。

同理，Y_m+(n-1)q和Y_m+(n+1)q可以通过求解最优解位移n-1个网格后的符号和位移n+1个网格后的符号得到。

S353、如果Y_m+(n+1)q≥Y_m+nq≥Y_m+(n-1)q，则令n＝n+1，并返回步骤S352；如果Y_m+(n+1)q≤Y_m+nq≤Y_m+(n-1)q，则令n＝n-1，并返回步骤S352；如果Y_m+(n+1)q≤Y_m+nq且Y_m+nq≥Y_m+(n-1)q，则停止计算，得到最优解

在本发明实施例中，从无人机采用基于请求-响应的对等延时机制进行链路时延的测量，并且利用上述方法对延时测量报文的到达时间进行精确的估计，最后结合同步报文中的时间戳信息计算同步偏差并修正本地时钟。

这种正则化正交匹配追踪算法的TOA估计精度最终取决于网格之间的间隔。在大多数情况下，实际延迟点不能与网格点匹配。因而本发明采用网格平衡法对正则化正交匹配追踪(ROMP)算法的解进行优化，主要包括以下步骤：

S351、确定出迭代完成后的最优解和次优解/>在最优解/>与次优解之间和最优解/>与次优解/>之间分别插入P个网格，每个网格的宽度为q，/>Δτ为最优解与次优解之间的延迟时间；

S352、初始n＝0，将每个网格的解带入信道功率计算公式分别求出对应的信道功率Y_m+(n-1)q，Y_m+n×q，Y_m+(n+1)q，信道功率计算公式表示为：

其中，Y_m表示解x_m对应的信道功率，S_m(l)表示存在时延的参考序列，S(l)表示原始参考序列，H(l)表示接收序列，*表示共轭；N_l表示序列的长度。

S353、如果Y_m+(n+1)q≥Y_m+n×q≥Y_m+(n-1)q，则令n＝n+1，并返回步骤S352；如果Y_m+(n+1)q≤Y_m+n×q≤Y_m+(n-1)q，则令n＝n-1，并返回步骤S352；如果Y_m+(n+1)q≤Y_m+n×q且Y_m+n×q≥Y_m+(n-1)q，则停止计算，得到最优解

然后利用所计算的精确到达时间进行链路延时测量，如图3所示，若到达发送周期，从无人机周期性发送延时测量报文(Pdelay_req)，并记录时间戳t₁，主无人机收到延时测量报文后，采用上述改进的正则化正交匹配追踪算法精确估计延时测量报文的到达时间t₂’，主无人机在t₃时刻携带估计的时间戳t₂’向从无人机发送响应报文(Pdelay_resp)，从无人机判断是否接收到响应报文，若收到则采用上述改进的正则化正交匹配追踪算法精确估计响应报文的到达时间t₄’，并提取时间戳t₂’，否则判断是否超时，主无人机在下一个时刻携带记录的时间戳t₃向从无人机发送响应跟随报文(Pdelay_resp_follow_up)，从无人机判断是否接收到响应跟随报文(Pdelay_resp_follow_up)，若接收到则从响应跟随报文中提取时间戳t₃，否则判断是否超时，链路延时的测量主要通过交换带有时间戳的延时测量报文进行计算，并且设置了超时机制，以防止过程卡死在某一状态。

具体的原理如图5所示，从无人机也即从时钟端向主无人机也即主时钟端发送Pdelay_req报文，请求测量延迟时间，Pdelay_req报文离开物理层后，从无人机利用本地时钟获得时间戳t₁，Pdelay_req报文到达应答方物理层后，主无人机利用算法估计Pdelay_req报文的到达时间t₂’，主无人机生成一个Pdelay_resp报文并发送给从无人机，将估计的时间戳t₂’发送给从无人机，从无人机利用上述改进的正则化正交匹配追踪算法精确估计Pdelay_resp报文的到达时间t₄’，主无人机还会生成一个Pdelay_resp_follow_up报文并发送给从无人机，将Pdelay_resp报文的发送时间戳t₃发送给从无人机，从无人机就可以根据上述时间戳来计算链路延时，链路延时的计算为：

其中，delay为求解得到的平均链路时延；t₁为从无人机发送延时测量报文时从无人机记录的时间；t₂′为主无人机接收延时测量报文所估计的到达时间；t₃为主无人机发送响应报文时主无人机记录的时间；t₄′为从无人机接收响应报文所估计的到达时间；SDR为不对称度，T_sync为同步测试周期；T_delay为链路时延测试周期；delay_request_i为发送延时测量报文所需的链路时延；delay_reply_i为发送响应报文所需的链路时延；N表示对同步周期和链路延时测量周期的比值向上取整。

最后利用所计算的精确到达时间进行同步偏差的计算，如图4所示，主无人机周期性的发送同步报文(sync)，从时钟根据接收到的同步报文并结合测量的链路时延进行同步偏差的计算和本地时钟的修正，从无人机若收到则精确估计到达时间ts’并等待跟随报文(follow_up)，若接收到跟随报文，则提取时间戳tm，并计算主无人机和从无人机偏差来修正本地时钟；否则进行超时判断，具体的原理如图6所示，主时钟端向从时钟端发送Sync报文和follow_up报文进行时钟同步，同步偏差的计算为：

offset＝t_s′-t_m-delay

其中，offset为所述同步报文的同步偏差，t_m为主无人机发送同步报文主无人机记录的时间戳；t_s′为从无人机接收同步报文采用算法所估计的时间戳；delay为求解得到的平均链路时延。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于IEEE 802.1AS的无线时钟同步方法，其特征在于，所述方法包括：

主无人机构造包含ZC序列的同步报文，并周期性地将所述同步报文发送至从无人机；所述ZC序列包括具有互相关性的正ZC序列和负ZC序列；

从无人机利用ZC序列的互相关性对无人机相对运动造成的多普勒频移进行估计，得到所述同步报文的频偏估计信号；

从无人机采用正则化正交匹配追踪算法对多径信道传播造成的时延进行处理，得到所述同步报文的时延估计信号；

从无人机利用链路不对称度对时延测量误差进行处理，得到所述同步报文的同步偏差；

从无人机利用所述同步报文的同步偏差，对本地时钟进行修正。

2.根据权利要求1所述的一种基于IEEE 802.1AS的无线时钟同步方法，其特征在于，包含ZC序列的同步报文的公式表示为：

其中，s(t)表示主无人机在时刻t发送的同步报文序列，u[k]表示ZC序列，包括具有互相关性的正ZC序列和负ZC序列；N_z表示ZC序列的长度；x(t-kT_M)表示主无人机在第k个时刻发送同步消息的归一化基带脉冲，T_M为脉冲间距，u₊[k]表示正ZC序列，u_-[k]表示负ZC序列，u和-u表示ZC序列的两个根。

3.根据权利要求1所述的一种基于IEEE 802.1AS的无线时钟同步方法，其特征在于，所述同步报文的频偏估计信号的计算公式包括：

其中，Δf表示同步报文的频偏估计信号，R-(v)表示负ZC序列互相关函数在第v个时刻的峰值指数，R₊(v)表示正ZC序列互相关函数在第v个时刻的峰值指数，η₊表示正ZC序列的常数，η_-表示负ZC序列的常数，N_z表示ZC序列的长度；u表示ZC序列的根，I_delay表示主节点到从节点的链路时延，T_s表示采样间隔。

4.根据权利要求1或3所述的一种基于IEEE 802.1AS的无线时钟同步方法，其特征在于，所述同步报文的频偏估计信号的计算公式包括对频偏估计信号进行统计然后求平均，同时使用时延r的加权平均，得到两个互相关函数更准确的峰值指数估计，具体表示为：

其中，Δf′表示校正后的同步报文的频偏估计信号；m表示计算频偏估计值的次数；表示第p次对互相关函数做加权平均得到的负ZC序列的估计峰值，/>表示第p次对互相关函数做加权平均得到的正ZC序列的估计峰值，L_ys+(r)表示发送的同步信号与接收的同步信号的正关联信号，L_ys-(r)表示发送的同步信号与接收的同步信号的负关联信号。

5.根据权利要求1所述的一种基于IEEE 802.1AS的无线时钟同步方法，其特征在于，从无人机采用正则化正交匹配追踪算法对多径信道传播造成的时延进行处理，得到所述同步报文的时延估计信号包括：

S31、初始化：初始残差r⁰＝y-φx₀、初始索引解集合初始迭代次数t＝0；

其中x₀为初始解，表示在初始迭代过程中求解得到的主无人机发送的同步信号；φ为感知矩阵；y为观测向量，表示从无人机接收到主无人机发送的同步信号，a⁰表示初始索引解集合的元素；表示空集；

S32、令t＝t+1，利用公式：计算相关系数，得到u中最大值所对应的索引号λ_t；u表示相关系数集合；u_j表示内积所得到的索引值，r_t-1表示在第t-1次迭代过程中的残差；/>表示感知矩阵φ的第j列，N表示矩阵维数；

S33、利用公式：max|u(i)|≤2|u(j)|,i,j∈J₀在集合J中寻找子集J₀，选择满足条件子集中能量最大的子集J₀；J表示内积值对应的序列号组成的集合；

S34、更新索引集集合利用公式：求得逼近的信号/>S^t表示第t-1次迭代过程中的索引解集合，φ_t为第t次迭代过程中感知矩阵，/>表示求解得到的主无人机发送的同步信号，/>表示第t次迭代过程中的估计解；

S35、利用公式：更新残差r_t，并且更新残差差值ε_new＝||r_t-r_t-1||；如果ε_new≤ε或t＞K，ε为残差阈值，K为最大迭代次数；则计算完成，并输出迭代过程中的最优解/>和两侧的次优解/>否则返回步骤S32进行迭代运算。

6.根据权利要求5所述的一种基于IEEE 802.1AS的无线时钟同步方法，其特征在于，所述步骤S35还包括，采用网格平衡法对正则化正交匹配追踪算法的解进行优化包括：

S351、确定出迭代完成后的最优解和次优解/>在最优解/>与次优解/>之间和最优解/>与次优解/>之间分别插入P个网格，每个网格的宽度为q，/>Δτ为最优解与次优解之间的延迟时间；

S352、初始n＝0，将每个网格的解带入信道功率计算公式分别求出对应的信道功率Y_m+(n-1)q，Y_m+nq，Y_m+(n+1)q；

S353、如果Y_m+(n+1)q≥Y_m+nq≥Y_m+(n-1)q，则令n＝n+1，并返回步骤S352；如果Y_m+(n+1)q≤Y_m+nq≤Y_m+(n-1)q，则令n＝n-1，并返回步骤S352；如果Y_m+(n+1)q≤Y_m+nq且Y_m+nq≥Y_m+(n-1)q，则停止计算，得到最优解

7.根据权利要求6所述的一种基于IEEE 802.1AS的无线时钟同步方法，其特征在于，步骤S352中，信道功率计算公式表示为：

其中，Y_m表示解x_m对应的信道功率，S_m(l)表示存在时延的参考序列，S(l)表示原始参考序列，H(l)表示接收序列，*表示共轭；N_l表示序列的长度。

8.根据权利要求1所述的一种基于IEEE 802.1AS的无线时钟同步方法，其特征在于，从无人机利用链路不对称度对时延测量误差进行处理包括：

其中，delay为求解得到的平均链路时延；t₁为从无人机发送延时测量报文时从无人机记录的时间；t′₂为主无人机接收延时测量报文所估计的到达时间；t₃为主无人机发送响应跟随报文时主无人机记录的时间；t′₄为从无人机接收响应跟随报文所估计的到达时间；SDR为不对称度，T_sync为同步测试周期；T_delay为链路时延测试周期；delay_request_i为发送延时测量报文所需的链路时延；delay_reply_i为发送响应报文所需的链路时延；N表示对同步周期和链路延时测量周期的比值向上取整。

9.根据权利要求1所述的一种基于IEEE 802.1AS的无线时钟同步方法，其特征在于，从无人机利用所述同步报文的同步偏差，对本地时钟进行修正包括：

offset＝t′_s-t_m-delay

其中，offset为所述同步报文的同步偏差，t_m为主无人机发送同步报文主无人机记录的时间戳；t′_s为从无人机接收同步报文采用算法所估计的时间戳；delay为求解得到的平均链路时延。