一种基于超宽带无线通信的自适应组网的时间同步系统及
方法
技术领域
背景技术
[0002] 随着通信技术的不断发展，通信的准确可靠性要求越来越高。在通信网络中，
节点间需要时间同步，若时间同步处理不恰当，导致节点间传递的成功率较低或直接断线，满足不了超宽带的业务需求。
[0003] 在目前技术中，如图1所示，为了提高时间同步的可靠性，节点间通常采用有线同步，利用同步
控制器通过有线通信的方式，将时间信息传输到每一个节点，使得每个节点处于同一时间体系，以实现多个节点时间同步的高可靠性。
[0004] 但是超宽带具有传输速率高、通信距离短等特点，不适合长距离高速无线通信；另外通过有线连接的节点通信，每个节点都需要通过有线的方式连接到同步控制器，线路规划变得复杂，存在部署成本高、可扩展性差、灵活性差等
缺陷。因此，亟需一种安全可信、成本可控、灵活性高、长距离传输的基于超宽带无线通信的时间同步技术手段来解决以上问题。
发明内容
[0005] 针对
现有技术的不足，本发明提供一种基于超宽带无线通信的自适应组网的时间同步系统及方法，在双向通信的
基础上，通过节点间自适应分级处理的方式为未同步的节点进行时间同步的系统及方法。本发明采用以下技术方案：
[0006] 本发明第一方面提供了一种基于超宽带无线通信的自适应组网的时间同步系统，包括：不同节点等级的多个节点设备，所述节点设备包括至少一个主节点和至少一个从节点，不同主节点之间通过有线连接，主节点与从节点和/或从节点与从节点之间通过超宽带无线通信连接；所述从节点包含完成时间同步的从节点和没有完成时间同步的从节点，所述没有完成时间同步的从节点接收周围所有节点的广播信息，根据优选机制，从当前接收到的广播信息中的选取出至少1个节点，向所优选的至少1个节点发起时间同步，同时可以向不大于本节点等级的多个从节点提供时间同步。
[0007] 进一步地，所述主节点包含基准发射模
块、基准接收模块、基准处理模块和基准时间单元；所述的基准发射模块以本地时钟为基准进行周期广播基准
帧信息；所述的基准接收模块接收主节点周围所有节点的广播信息；所述的基准处理模块，对接收广播信息进行处理，解析出从节点的时间信息，计算出从节点与主节点的时间偏差和距离值；所述的基准时间单元以本地时钟为基准时钟。
[0008] 进一步地，所述的从节点包含同步发射模块、同步接收模块、同步处理模块和同步时间单元；所述的同步发射模块以从节点发射机制广播同步帧信息；所述的同步接收模块接收该节点周围所有节点的广播信息；所述的广播信息包含主节点的基准帧信息和/或从节点的同步帧信息；所述的同步处理模块，对接收的广播信息进行处理，解析出主节点和/或从节点的时间信息，计算出从节点与主节点的时间差信息，更新下一个发射时刻的同步帧信息；所述的同步时间单元以当前节点与主节点的时间差信息对本地时钟进行驯服，完成与主节点的时间同步。
[0009] 进一步地，所述的从节点发射机制为从节点在主节点一个发射周期内，以主节点的发射时刻为起点，延时当前从节点编号与单个节点发射间隔的乘积的时间后，广播当前节点的同步帧信息。
[0010] 进一步地，所述的优选机制按照同时满足节点等级原则、可靠性原则和距离原则进行筛选；所述的节点等级原则为优先节点等级最高的节点；所述的可靠性原则为优选接收节点信息成功率需满足预设
阀值的节点；所述的距离原则为在多个相同的节点等级的节点中优选距离最近的节点。
[0011] 本发明还提供一种基于超宽带无线通信的自适应组网的时间同步方法，主节点和从节点交互时间同步信息，获取于基准节点的时钟信息，所述时间同步信息通过超宽带无线信道传输，其中所述主节点和从节点交互时间同步信息，获取于基准节点的时钟信息，具体包括：
[0012] S1：主节点将当次广播的发射时间t1通过超宽带无线信道广播出去；
[0013] S2：从节点接收到主节点的广播信息，获取广播信息中t1，记录当次广播信息的接收时间为t2；
[0014] S3：从节点将当次广播的发射时间t3、以及所述的t1和t2通过超宽带无线信道广播出去；
[0015] S4：主节点接收从节点的广播信息，获取广播信息中t1、t2和t3，记录当次广播信息的接收时间为t4，根据t1、t2、t3和t4计算时间偏移量和距离值；
[0016] S5：主节点将本节点当次广播发射时间t5、以及所述的时间偏移量和距离值通过超宽带无线信道广播出去；
[0017] S6：从节点接收到主节点的广播信息，获取广播信息中t5、时间偏移量和距离值，记录当次广播信息的接收时间为t6，从节点根据t1、t2、t5和t6计算得到时间变化偏移量，用于本地时钟驯服。
[0018] 进一步地，所述主节点可以和多个从节点交互时间同步信息。
[0019] 进一步地，所述主节点可以是同步后的从节点。
[0020] 进一步地，所述从节点可以和至少1个主节点交互时间同步信息。
[0021] 进一步地，所述从节点包含同步后的从节点或未同步的从节点。
[0022] 现有系统及方法相比，本发明的优点在于：
[0023] 1、通过本发明提出的基于超宽带无线通信的自适应组网的时间同步系统及方法，经过逐步向下同步，能实现远距离的节点时间同步。
[0024] 2、通过本发明提出的基于超宽带无线通信的自适应组网的时间同步系统及方法，安装方便、组网灵活、可扩展性好、部署成本低。
附图说明
[0025] 图1为现有技术提供的一种时间同步方案网络示意图；
[0026] 图2为本发明一种
实施例所示的系统示意图；
[0027] 图3为本发明一种实施例所示的系统示意图；
[0028] 图4为本发明一种实施例所示的时间同步方法
流程图；
[0029] 图5为本发明一种实施例所示的主节点处理单元组成图；
[0030] 图6为本发明一种实施例所示的时间同步方法流程图；
[0031] 图7为本发明一种实施例所示的两节点同步处理时的交互时间流程图。
具体实施方式
[0032] 本发明实施例提供一种基于超宽带无线通信的自适应组网的时间同步系统及方法。
[0033] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，都应当属于本发明保护的范围。
[0034] 以下将结合
说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0035] 本发明实施例中，提供的一种基于超宽带无线通信的自适应组网的时间同步系统，如图2所示，包括不同节点等级的多个节点设备，所述节点设备包括至少一个主节点和至少一个从节点，不同主节点之间通过有线连接，主节点与从节点和/或从节点与从节点之间通过超宽带无线通信连接；所述从节点包含完成时间同步的从节点和没有完成时间同步的从节点，所述没有完成时间同步的从节点接收周围所有节点的广播信息，根据优选机制，从当前接收到的广播信息中的选取出至少1个节点，向所优选的至少1个节点发起时间同步，同时可以向不大于本节点等级的多个从节点提供时间同步。不同节点等级的多个节点设备，所述的多个节点设备包括两个主节点和多个从节点；如主节点的节点等级最高，编号为0；为了防止主节点失效，导致系统崩溃，采用两个主节点向从节点发送同步信息，为了保证主节点间的时间同频同步，通过有线30连接；主节点广播基准帧信息，为周围的从节点提供时间同步信息，受超宽带传输距离的限制，主节点1可以为距离较近的从节点1和从节点2提供时间同步信息；从节点1接收周围所有节点的信息，向主节点1和主节点2发起时间同步，根据优选机制将主节点1作为主校准节点，将主节点2作为备份校准节点，从节点1根据主校准节点的时间信息对本节点时钟进行驯服，完成与主节点1的时间同步，对备份校准节点的时间信息不做处理，当主校准节点出现异常时，才使用备份校准节点的时间信息进行本节点时钟驯服，完成与主节点2的时间同步。同步后的从节点1节点等级为1，可以向从节点2和从节点3提供时间同步；从节点2根据优选机制将主节点1作为主校准节点，将从节点1作为备份校准节点，同步后的从节点2的节点等级为1，可以向从节点3和从节点4提供时间同步信息；以此类推，直到所有的从节点完成时间同步和节点等级分配。设不同节点等级为主节点的节点等级最高，为等级0，没有完成时间同步的从节点的节点等级最低，为x，接收主节点信息后完成与主节点时间同步的从节点的节点等级在主节点的节点等级的基础上加1，为等级1，接收节点等级1从节点的信息后完成时间同步的从节点的节点等级在节点等级1的基础上加1，为等级2，直到所有的从节点n完成节点等级分配。关于等级的设定，不限于0、x，可以定用户选择设置或定制为其他的数值或代码。该系统包括至少一个主节点和至少一个从节点，其中，以主节点发送时间为基础，为了
预防各节点发射时间的冲突，其它从节点的发送时间以本地标识为准；其它从节点将会根据在系统中的等级原则、可靠性原则和距离原则，自适应地选择与已同步的节点进行时间同步处理，该从节点与已同步节点时间同步完成后，将会对相邻的节点发送同步信息，直到所有的节点同步完成。
[0036] 为保证串行内节点的时间同步，同步的节点与未同步的从节点进行同步处理主要分如下两个方面：
[0037] 1)主校准节点和从节点通过超宽带无线通信10进行数据交互；
[0038] 2)备份校准节点和从节点通过超宽带无线通信20进行数据交互。
[0039] 这种串行的网络拓扑结构适用于隧道等狭长环境。
[0040] 本发明另一实施例中，如图3所示，包括不同节点等级的多个节点设备，所述的多个节点设备包括2个主节点和多个按网状排列的从节点；所述的不同节点等级为主节点的节点等级最高，编号为0，向相邻的从节点发射同步信息；所述的从节点接收到的信息主要来自于主校准节点、备份校准节点，根据不同的环境进行自适应分级，完成时间同步；为保证主节点间的时间同频同步，主节点间通过有线30连接，2个主节点的设计可以有效防止当一个主节点出现异常时对整个系统造成灾难性的影响；主节点广播基准帧信息，为周围的从节点提供时间同步信息，受超宽带传输距离的限制，主节点1可以为距离较近的从节点1、从节点7和从节点10提供时间同步信息；从节点7接收周围所有节点的信息，向主节点1和主节点2发起时间同步，根据优选机制将主节点1作为主校准节点，将主节点2作为备份校准节点，从节点7根据主校准节点的时间信息对本节点时钟进行驯服，完成与主节点1的时间同步，对备份校准节点的时间信息不做处理，当主校准节点出现异常时，才使用备份校准节点的时间信息进行本节点时钟驯服，完成与主节点2的时间同步。同步后的从节点7节点等级为1，可以向从节点8和从节点11提供时间同步；从节点8根据优选机制将从节点7作为主校准节点，将从节点10作为备份校准节点，同步后的从节点8的节点等级为2，可以向从节点9和从节点12提供时间同步信息；从节点12和从节点11之间被障碍物40阻碍，超宽带无线
信号不能穿透，通过自适应分级处理，从节点12根据优选机制，将从节点8作为主校准节点，将从节点9作为备份校准节点，从节点12根据主校准节点的时间信息对本节点时钟进行驯服，完成与从节点8的时间同步，对备份校准节点的时间信息不做处理，当主校准节点出现异常时，才使用备份校准节点的时间信息进行本节点时钟驯服，完成与从节点9的时间同步。当从节点12完成时间同步后，从节点12的节点等级为3；当从节点12无法接受到从节点8的信息时，从节点12的主校准节点切换为从节点9，节点等级变为4，同步后的从节点12可以向从节点16提供时间同步信息；以此类推，直到所有的从节点完成时间同步和节点等级分配。
[0041] 为保证网状内节点的时间同步，同步的节点与未同步的从节点进行同步处理主要分如下两个方面：
[0042] 1)主校准节点和从节点通过超宽带无线10进行数据交互；
[0043] 2)备份校准节点和从节点通过超宽带无线20进行数据交互。
[0044] 这种网状排列结构适用于地下
停车场、商场等复杂环境。
[0045] 从节点接收到基准帧信息时，从节点的节点等级为1；从节点同步完成时，从节点的节点等级等于接收到的同步帧数据中的节点等级编号加1。成功接收到主节点基准帧信息或完成同步的从节点的同步帧信息后，开始向接收信息中节点等级最高的两个节点发起时钟同步，同步的从节点接收周围所有节点的广播信息，根据优选机制，从当前接收到的信息中的选取出最优的两个节点，并向这两个节点发起时间同步，两个节点中一个为主校准节点，另一个为备份校准节点。所述选取最优节点的优选机制按照同时满足节点等级原则、可靠性原则和距离原则进行帅选，其中，节点等级原则为优先节点等级最高的节点；可靠性原则取决于接收成功率与预设
阈值的比较，接收成功率需要经过一个短时间的观测期，统计接收到次数和未接收到的次数，最终计算得到，当接收成功率大于或等于预设阈值时，认定该节点可靠，赋值为1，可以发起时间同步
请求，反之为不可靠，赋值为0，不可以发起时间同步请求；距离原则表示为在存在多个相同节点等级的节点时，优选两节点之间的距离最近的节点。
[0046] 根据优选机制的判别条件，决定节点信息是否需要交换，所述的优选机制的具体方案如表1所示，其中A1、A2分别表示主校准和备份校准的节点等级编号；B1、B2分别表示主校准和备份校准可靠性标志，当可靠性等于1时则代表可靠，否则不可靠；C1、C2分别表示校准和备份校准与同步基站的距离。
[0047] 表1
[0048]等级比较 可靠性 距离比较 是否交换
A1
A1A1C2 是
A1A1＝A2 B1＝1B2＝1 无关 否
A1＝A2 B1＝0B2＝1 无关 是
A1＝A2 B1＝0B2＝0 C1>C2 是
A1＝A2 B1＝1B2＝0 无关 否
A1>A2 B1＝1B2＝1 无关 是
A1>A2 B1＝0B2＝0 C1>C2 是
A1>A2 B1＝0B2＝1 无关 是
A1>A2 B1＝1B2＝0 无关 否
[0049] 从节点通过分级处理，逐级进行时间同步处理，扩展网络节点时间同步处理的距离；选取最优的两个完成时间同步的节点进行时间同步处理，提高了时间同步的
精度。
[0050] 以下介绍本发明实施提供的一种主节点的一实施例，图4示出了该实施例的示意图，所述的主节点包括：基准发射模块、基准接收模块、基准处理模块和基准时间单元；
[0051] 所述的基准发射模块以本地时钟为基准进行周期广播基准帧信息；
[0052] 所述的基准接收模块接收主节点周围所有节点的广播信息；
[0053] 所述的基准处理模块，对接收广播信息进行处理，解析出从节点的时间信息，计算出从节点与主节点的时间差，更新下一个发射时刻的基准帧信息；
[0054] 所述的基准时间单元以本地时钟为基准时钟。
[0055] 以下介绍本发明实施提供的一种从节点的一实施例，图5示出了该实施例的示意图，所述的从节点包括：同步发射模块、同步接收模块、同步处理模块和同步时间单元；
[0056] 所述的同步发射模块以从节点发射机制广播同步帧信息；
[0057] 所述的同步接收模块接收该节点周围所有节点的广播信息；
[0058] 所述的广播信息包含主节点的基准帧信息和/或从节点的同步帧信息；
[0059] 所述的同步处理模块，对接收的广播信息进行处理，解析出主节点和/或从节点的时间信息，计算出从节点与主节点的时间差信息，更新下一个发射时刻的同步帧信息；
[0060] 所述的同步时间单元以当前节点与主节点的时间差信息对本地时钟进行驯服，完成与主节点时间同步。
[0061] 以下介绍本发明实施例提供的一种基于超宽带无线通信的自适应组网的时间同步方法的一方法实施例，图6示出了该实施例的流程图，包括：
[0062] S1：主节点将当次广播的发射时间t1通过超宽带无线信道广播出去；
[0063] S2：从节点接收到主节点的广播信息，获取广播信息中t1，记录当次广播信息的接收时间为t2；
[0064] S3：从节点将当次广播的发射时间t3、以及所述的t1和t2通过超宽带无线信道广播出去；
[0065] S4：主节点接收从节点的广播信息，获取广播信息中t1、t2和t3，记录当次广播信息的接收时间为t4，根据t1、t2、t3和t4计算时间偏移量和距离值，其中时间偏移量计算公式为 距离值计算公式为 c为光速；
[0066] S5：主节点将本节点当次广播发射时间t5、以及所述的时间偏移量和距离值通过超宽带无线信道广播出去；
[0067] S6：从节点接收到主节点的广播信息，获取广播信息中t5、时间偏移量和距离值，记录当次广播信息的接收时间为t6，从节点根据t1、t2、t5和t6计算得到时间变化偏移量，用于本地时钟驯服。
[0068] 在本实施例中，所述主节点可以和多个从节点交互时间同步信息，这样一个主节点可以为多个从节点提供时间同步，可以有效地减少整个系统的级联层级，提高整个系统的时间同步精度。
[0069] 在本实施例中，所述主节点可以是同步后的从节点。同步后的从节点可以当主节点使用，同步其他从节点。
[0070] 在本实施例中，从节点可以同时与2个以上的主节点交互时间同步信息，实现同步备份，增加了系统布置的灵活性；
[0071] 图5示出了整个时间同步方法中主节点和从节点交互时间同步信息，其中t1、t4和t5是主节点的时钟进行记录的时间值，t2、t3和t6是从节点的时钟进行记录的时间值。
[0072] 在本实施例中，在步骤S4中，两节点间的距离值可用于从节点选择两个最优节点发起时间同步的判断条件。
[0073] 在本实施例中，在步骤S6中，主节点的时间变化量为t1-t5，从节点的时间变化量为t2-t6，则两节点交互的时间变化偏移量为((t1-t5)-(t2-t6))，将该偏移量用于本地时钟驯服，通过不断地主节点和从节点的双向通信，更新得到时间变化偏移量，用于从节点时间调整，使从节点的时间与主节点的时间同步。
[0074] 在另一实施例中，所述从节点包含同步后的从节点或未同步的从节点，例如图3所示，从节点7可以与主节点1交互时间同步信息，还可以与从节点8，从节点9等从节点进行交互时间同步信息，同步后的从节点7节点等级为1，可以向从节点8和从节点11提供时间同步；从节点8根据优选机制将从节点7作为主校准节点，将从节点10作为备份校准节点，同步后的从节点8的节点等级为2，可以向从节点9和从节点12提供时间同步信息；从节点12和从节点11之间被障碍物40阻碍，超宽带无线信号不能穿透，通过自适应分级处理，从节点12根据优选机制，将从节点8作为主校准节点，将从节点9作为备份校准节点，从节点12根据主校准节点的时间信息对本节点时钟进行驯服，完成与从节点8的时间同步，对备份校准节点的时间信息不做处理，当主校准节点出现异常时，才使用备份校准节点的时间信息进行本节点时钟驯服，完成与从节点9的时间同步。当从节点12完成时间同步后，从节点12的节点等级为3；当从节点12无法接受到从节点8的信息时，从节点12的主校准节点切换为从节点9，节点等级变为4，同步后的从节点12可以向从节点16提供时间同步信息；以此类推，直到所有的从节点完成时间同步和节点等级分配。进而提高从节点布置灵活性。
[0075] 综上，通过本发明提出的基于超宽带无线通信的自适应组网的时间同步系统，打破了有线连接的节点通信系统的局限性，可以随意安置节点的
位置，提高了节点布置的灵活性和方便性，提高了时间同步的精度，能应用于多个场景，如隧道、停下停车场和商场等。
[0076] 虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或
修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
