[發明專利]一種無線分布式網絡的時鐘同步裝置及方法

在審

• 申請號: 202110445789.1
• 申請日: 2021-04-25
• 公開（公告）號: CN113055117A
• 公開（公告）日: 2021-06-29
• 發明（設計）人: 李逸文;林水生;張輝;李成龍
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H04J3/06
• 分類號: H04J3/06;H04W84/18
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 陳一鑫

本發明涉及一種無線分布式通信網絡的時鐘同步裝置及方法，時鐘同步裝置包括主節點和多級從節點，搭建以主節點為中心的多層次無線分布式網絡。主節點通過無線射頻模塊與一級從節點通信，一級從節點通過無線射頻模塊與二級從節點通信，二級從節點再與三級從節點通信，依次類推到多級從節點。時鐘同步方法包括：主節點根據外部參考時鐘信號模塊對本地時鐘進行校正，保證主節點時鐘的精度和可靠性；多個一級從節點通過無線數據幀的交互，獲取主節點的同步信息，計算得到相對相位偏差和相對頻率偏差，并通過時鐘修正模塊修正一級從節點的時鐘，實現多個一級從節點與主節點的同步。按照同樣的方法，一級從節點與其關聯的多個二級從節點同步，從而實現整個網絡的逐級同步。

技術領域

本發明涉及通信技術領域，特別是涉及一種無線分布式網絡的時鐘同步裝置及方法。

背景技術

無線分布式網絡是一種自組織、多跳路由的無線網絡，無線分布式網絡中的節點具有獨立的時鐘源，并通過計數時鐘脈沖維持本地時間概念。在很多無線分布式網絡數據采集和測量的應用中，需要時間同步來保障全局時鐘的一致性。網絡中各節點之間的時間存在差異，主要有相位偏差offset和頻率偏差skew兩個原因，相位偏差offset是指各節點開始計時的初始時間不同導致的計數值偏差，頻率偏差skew是指節點晶振的實際工作頻率受周圍環境如溫度、濕度等變化的影響，導致與標準工作頻率有所波動。

以下專利介紹了目前無線分布式網絡的時鐘同步方法：

專利《一種時鐘同步方法及裝置》(CN 110557826 A)利用預先構建的支持向量機模型，預測無線通信過程中主時鐘設備與從時鐘設備的不對稱傳輸時延，計算相位偏差，再對時鐘設備進行校準，提高了主從時鐘設備的時間同步精度。

專利《一種高精度、低開銷的無線傳感器網絡時鐘同步方法》(CN 107959968 A)提出通過引入SFD中斷和配置一致的消息長度等方式降低傳輸時延的不確定性，在此基礎上計算相位偏差并校正時鐘，實現了一跳范圍內多個節點與主節點的快速、高精度同步。

專利《一種主從設備的對時方法》(CN 111970080 A)，基于對時主站和多個從設備完成，對時主站中設置衛星授時設備，跟蹤對時，每隔T毫秒廣播包含當前時間戳信息的對時命令，從設備接收對時命令并校正時鐘。

上述的同步算法主要討論了基于單跳網絡，主節點與從節點互相發送報文，從節點獲取并記錄主、從節點的同步時間信息，從而計算節點間的相位偏差并進行軟件補償，實現時鐘同步。

但是，由于不同節點的晶振實際工作頻率存在偏差，相位偏差會隨著時間推移逐漸積累，因此同步保持時間較短，節點的時鐘同步需要周期性進行。作為網絡基準的主節點的實際晶振頻率與標準頻率存在偏差，限制了同步精度。同時，傳統的時間同步裝置只包含一個主節點和若干從節點所構建的單跳網絡，節點數目較少，網絡可拓展性較差，同步范圍受限。綜上分析，現有的時鐘同步裝置和方法無法有效補償相位偏差offset和頻率偏差skew。

發明內容

本申請提供一種基于無線分布式網絡的逐級時鐘同步裝置及方法，建立分級的同步網絡，主節點首先根據外部參考時鐘校正本地時鐘，從節點通過無線數據幀的交互計算得到準確的相位偏差和頻率偏差，并對時鐘進行校正，從而提高主節點和多級從節點的時間同步精度，擴大同步網絡覆蓋的范圍。

本發明技術方案為一種無線分布式網絡的時鐘同步裝置，該裝置包括網絡中的一個主節點和從節點，所述從節點包括一級從節點、二級從節點、……、N級從節點；所述一級從節點直接連接主節點，二級從節點連接一級從節點，……，N級從節點連接N-1級從節點；

所述主節點包括：

外部參考時鐘信號模塊，用于從外部精確授時源獲得精準的參考時鐘信號；

第一頻率偏差計算模塊，用于根據所述參考時鐘信號，計算所述主節點的本地時鐘與所述參考時鐘信號的相對頻率偏差；