CN117939620A - 一种基于rtt的时间同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于RTT的时间同步方法，将绝对时间表示成时隙号和TOA，采用RTT的方式实现TDMA网络时间的精准同步，时间同步精度在5us以内；时间同步过程分为本地同步阶段、粗同步阶段、精同步阶段和同步维护阶段，分别实现TDMA网络节点的本地时间授时同步、网络时间粗同步、网络时间精准同步和网络时间维持功能。节点在未同步状态、粗同步状态和精同步状态之间动态切换，根据不同的时间同步状态，完成入网报文和RTT报文的处理，实现TDMA网络节点的时间同步。本发明具有时间同步精度高、稳定可靠等优点。
Description
技术领域
本发明涉及超短波通信领域，尤其是涉及了一种基于RTT的时间同步方法。
背景技术
数据链对空台是一种超短波通信设备，用于地面塔台与飞机间通信，多个节点可组成一个无线通信网络。无线通信网络中存在信道访问控制问题，常用的MAC层协议包括CSMA（载波监听多址接入）和TDMA（时分多址接入）两种方式。CSMA由于不能保证信道访问的时间，且节点数较多时访问碰撞会导致网络性能显著下降，因此一般采用TDMA组网方式。
在TDMA网络中，内同步模式下存在一个指定的时间基准站（以下简称“时基站”），负责向网内其他节点（以下简称“普通站”）提供统一的网络时间。当对空通信距离超过300km时，时基站与普通站的电磁波传输延时将超过1ms，而TDMA网络通信的前提是各节点的网络时间完全同步，无法满足TDMA网络通信的需求。
发明内容
为了解决背景技术中所存在的问题，本发明提出了一种基于RTT的时间同步方法。
一种基于RTT的时间同步方法，包括粗同步阶段和精同步阶段；在进行时间同步操作前，先将单位时间划分为多个时隙，并对每个时隙分别配置时隙号和表示时隙内时间戳的TOA；
精同步阶段，时基站收到普通站发送的RTT请求后，把时基站当前时隙下的TOA和时隙号封装在RTT应答报文中发送给RTT请求节点；普通站接收到RTT应答报文后，提取RTT应答报文中的时隙号信息和TOA信息，并计算普通站接收到RTT应答报文时的TOA；根据时基站的TOA信息和普通站的TOA获取时隙偏移量；将普通站的时隙脉冲位置调整所述时隙偏移量即完成普通站与时基站的时隙脉冲精准对齐。
基于上述，在精同步阶段之前，还包括粗同步阶段：普通站接收时基站发送的入网报文并提取入网报文中时基站的时隙号，根据入网报文到达时刻和时隙起始位置计算TOA，普通站在下一个时隙调整时隙脉冲的位置和时隙号，位置偏移量为TOA，完成粗同步过程。
基于上述，还包括本地同步阶段：通过时隙参考信号TOD和本地秒脉冲，将节点的网络时间调整为与本地时间一致，并将本地时间秒脉冲与网络时间秒脉冲对齐。
基于上述，还包括同步维护阶段：普通站每间隔一定时间发送RTT报文给时基站，或在普通站本地时间与网络时间差值超出预设阈值时，重复精同步过程。
基于上述，将单位时间秒划分为128个时隙，则24小时共计11059200个时隙，并将目标时区的00:00:00设定为0号时隙号。
基于上述，把时基站当前时隙下的TOA记为TOA1，普通站接收到RTT应答报文的TOA记为TOA2，则时隙偏移量T1为：
整理后为：
t1为普通站发送RTT请求的空中传输时延，t2为普通站接收RTT应答报文的空中传输时延，t1和t2的值均为t，T为时隙偏移差即时基站与普通站时隙起始位置的差值。
基于上述，设备入网时先进行设备初始化，初始化完成节点进入未同步状态并等待接收入网报文；普通站接收到入网报文后，节点进行粗同步处理，并进入粗同步状态；节点在粗同步状态下发送RTT请求并收到来自时基站的RTT应答后，进行并完成精同步过程。
基于上述，节点参数出现变化或节点超出预设时间未收到时间基准报文，则进行自动退同步状态。
基于上述，普通站转换变成时基站时，同步状态切换为精同步状态。
基于上述，间隔时间为16s，预设阈值为±5us。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，将绝对时间表示成时隙号(SlotSeq)和TOA(Time of arrive)，采用RTT的方式实现TDMA网络时间的精准同步，时间同步精度在5us以内。时间同步过程分为本地同步阶段、粗同步阶段、精同步阶段和同步维护阶段，分别实现TDMA网络节点的本地时间授时同步、网络时间粗同步、网络时间精准同步和网络时间维持功能。节点在未同步状态、粗同步状态和精同步状态之间动态切换，根据不同的时间同步状态，完成入网报文和RTT报文的处理，实现TDMA网络节点的时间同步，具有时间同步精度高、稳定可靠的优点。
附图说明
图1为本发明现有技术中数据链对空台的系统框图；
图2为本发明的同步过程示意图；
图3为本发明的本地同步示意图；
图4为本发明的粗同步示意图；
图5为本发明的精同步示意图；
图6为本发明的RTT计算原理图；
图7为本发明的同步状态转移图。
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付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。
现实中，如图1所示，数据链对空台包括主机单元和射频前端，其中主机单元包括时统模块和链路模块，射频前端包括主控模块和调制解调模块。时统模块存储本地TOD(时、分和秒表示的时间信息)参数并输出本地秒脉冲；链路模块用于完成光纤通信功能；主控模块中包括PS（处理系统）和PL（可编程逻辑）两部分，共同完成时间同步控制功能；调制解调模块用于完成数据发送和接收功能。
如图2所示，本发明提出了一种用于数据链对空台的基于RTT(Round-trip tome往返时延)的时间同步方法，普通站将时基站作为网络时间基准，普通站通过接收时基站的入网报文来完成网络时间粗略同步，并通过RTT的方式来调整时隙脉冲差以达到网络时间精准同步。整个时间同步过程被划分为本地同步阶段、粗同步阶段、精同步阶段和同步维护阶段。
将单位时间“秒”划分为128个时隙，则每个时隙时长为7.8125ms。一天24小时共计11059200个时隙，以目标时区如北京时间的00:00:00为0号时隙号，每个时隙依次对应计算和分配时隙号。根据当前时间可计算出时隙号，例如：北京时间17:07:10，则当前时间对应时隙号（）的计算方式如下：
本实施例中，引入TOA(Time of arrive到达时间)的概念来表示时隙内的时间戳，即无线信号到达时刻与时隙起始时刻的差值。TOA的时间单位为10ns，通过时隙号和TOA即可精确表示某一时刻的时间戳。
本地同步阶段：如图3所示（图中两个垂直向上的箭头之间为一个时隙），通过TOD和本地秒脉冲完成主机单元时统模块时间（本地时间）与射频前端主控模块时间（网络时间）的同步，将节点的网络时间调整为与本地时间一致，并将本地时间秒脉冲与网络时间秒脉冲对齐。
粗同步阶段：如图4所示，用于完成普通站与时基站的网络时间初步对齐，也即将时隙号调整至相同，时隙脉冲调整至初步一致。普通站接收时基站发送的入网报文，提取时基站入网报文的时隙号，并根据入网报文到达时刻和时隙起始位置时刻计算TOA，普通站在下一个时隙调整时隙脉冲的位置，位置偏移量为TOA，并将普通站下一时隙的时隙号“21”调整为与时基站下一时隙对应的时隙号“10001”，从而完成粗同步过程。
精同步阶段：如图5所示，使用RTT报文完成普通站与时基站的时隙脉冲精准对齐。时基站在收到普通站发送的RTT请求后，把时基站当前时隙下的TOA记为TOA1，然后时基站将当前时隙号和TOA1封装在RTT应答报文中发送给RTT请求节点；当普通站接收到RTT应答报文后，将报文中携带的时隙号信息和TOA1信息提取出来，并计算普通站接收到RTT应答报文时的TOA记为TOA2。此时根据TOA1和TOA2计算出需要调整的时隙偏移量T1，通过调整PL的时隙脉冲位置即可完成普通站与时基站的时隙脉冲精准对齐。
如图6所示，t1为普通站发送RTT请求的空中传输时延，t2为普通站接收RTT应答报文的空中传输时延，t1和t2的值均为t，T为时隙偏移差（时基站与普通站时隙起始位置的差值）、T1为时隙偏移量。则：
经计算得，
将T1视为是一个有符号的数（正数时向右调整，负数时向左调整），且时隙时间以7.8125ms重复（时隙脉冲是在一个时隙范围内调整，因此可以忽略N*7.8125ms，N为整数），经整理后的时隙偏移量T1为：
同步维护阶段：同步维护阶段用于完成普通站的时间定时校准，防止普通站因时钟漂移导致的网络时间不同步。普通站每间隔16s发送RTT报文给时基站来重复精同步过程，或当普通站发现本地时间与网络时间出现较大误差时将作出相应的调整。本地时隙号与网络时隙号不匹配时该节点退出精同步状态重新进行同步，当普通站的时隙脉冲与时基站的时隙脉冲偏差较大（根据硬件电路时钟精度及软件设计需求，偏差范围为±5us）时，普通站将使用RTT计算的时隙偏移量T1来调整修正时隙偏差。
节点在未同步状态、粗同步状态和精同步状态之间动态切换，根据不同的时间同步状态，完成入网报文、RTT报文的处理，实现TDMA网络节点的时间同步。节点的同步状态转移如图7所示，条件①为初始化完成节点进入未同步状态等待接收入网报文；条件②为普通站接收到入网报文后，节点进行粗同步处理，并进入粗同步状态；条件③为节点在粗同步下发送RTT请求并收到来自时基站的RTT应答后完成精同步过程，完成精同步后进入精同步状态；条件④为节点参数出现变化需要重新进行同步或节点长时间未收到时间基准报文进行自动退同步状态；条件⑤为粗同步未完成（时间再次调整）或节点参数发生变化导致节点同步状态退回未同步状态；条件⑥为普通站发生角色转换变成时基站并且同步状态切换为精同步状态；条件⑦为节点在进行同步维护过程中长时间未收到RTT应答报文后同步状态退回粗同步状态。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (10)
1.一种基于RTT的时间同步方法，其特征在于：包括粗同步阶段和精同步阶段；在进行时间同步操作前，先将单位时间划分为多个时隙，并对每个时隙分别配置时隙号和表示时隙内时间戳的TOA；
精同步阶段，时基站收到普通站发送的RTT请求后，把时基站当前时隙下的TOA和时隙号封装在RTT应答报文中发送给RTT请求节点；普通站接收到RTT应答报文后，提取RTT应答报文中的时隙号信息和TOA信息，并计算普通站接收到RTT应答报文时的TOA；根据时基站的TOA信息和普通站的TOA获取时隙偏移量；将普通站的时隙脉冲位置调整所述时隙偏移量即完成普通站与时基站的时隙脉冲精准对齐。
2.根据权利要求1所述的基于RTT的时间同步方法，其特征在于，在精同步阶段之前，还包括粗同步阶段：普通站接收时基站发送的入网报文并提取入网报文中时基站的时隙号，根据入网报文到达时刻和时隙起始位置计算TOA，普通站在下一个时隙调整时隙脉冲的位置和时隙号，位置偏移量为TOA，完成粗同步过程。
3.根据权利要求1所述的基于RTT的时间同步方法，其特征在于，还包括本地同步阶段：通过时隙参考信号TOD和本地秒脉冲，将节点的网络时间调整为与本地时间一致，并将本地时间秒脉冲与网络时间秒脉冲对齐。
4.根据权利要求1所述的基于RTT的时间同步方法，其特征在于，还包括同步维护阶段：普通站每间隔一定时间发送RTT报文给时基站，或在普通站本地时间与网络时间差值超出预设阈值时，重复精同步过程。
5.根据权利要求1所述的基于RTT的时间同步方法，其特征在于：将单位时间秒划分为128个时隙，则24小时共计11059200个时隙，并将目标时区的00:00:00设定为0号时隙号。
6.根据权利要求1所述的基于RTT的时间同步方法，其特征在于：把时基站当前时隙下的TOA记为TOA1，普通站接收到RTT应答报文的TOA记为TOA2，则时隙偏移量T1为：
整理后为：/>t1为普通站发送RTT请求的空中传输时延，t2为普通站接收RTT应答报文的空中传输时延，t1和t2的值均为t，T为时隙偏移差即时基站与普通站时隙起始位置的差值。
7.根据权利要求1所述的基于RTT的时间同步方法，设备入网时先进行设备初始化，其特征在于：初始化完成节点进入未同步状态并等待接收入网报文；普通站接收到入网报文后，节点进行粗同步处理，并进入粗同步状态；节点在粗同步状态下发送RTT请求并收到来自时基站的RTT应答后，进行并完成精同步过程。
8.根据权利要求1所述的基于RTT的时间同步方法，其特征在于：节点参数出现变化或节点超出预设时间未收到时间基准报文，则进行自动退同步状态。
9.根据权利要求7所述的基于RTT的时间同步方法，其特征在于：普通站转换变成时基站时，同步状态切换为精同步状态。
10.根据权利要求4所述的基于RTT的时间同步方法，其特征在于：间隔时间为16s，预设阈值为±5us。
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