CN103166730A - 基于ieee1588协议的无线自组织网络时钟同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于IEEE1588协议的无线自组织网络时钟同步方法，用于解决现有时钟同步方法时钟同步精度差的技术问题。技术方案是首先进行全网初始化，确定主时钟节点和从时钟节点；进行主从时钟节点间的时钟同步通信时延测量，获得出主从通信时延、从主通信时延以及主从节点间的单向时延；将单向时延进行最小退避窗口下的限幅滤波处理，将限幅处理后的单向时延通过一阶无限冲激响应滤波器进行滤波估计处理；计算主从节点间的时钟偏差，并根据离散线性卡尔曼滤波算法对时钟偏差进行最优化估计；构建基于PI控制器的时钟伺服***实现从时钟高精度跟踪主时钟。保证了无线自组织网络下时钟间时钟偏差的稳定性，达到了较高的时钟同步精度。

Description

基于IEEE1588协议的无线自组织网络时钟同步方法

技术领域

本发明涉及一种无线自组织网络时钟同步方法，特别是涉及一种基于IEEE1588协议的无线自组织网络时钟同步方法。

背景技术

时钟同步是分布式***的核心技术之一，分布式网络测控***的性能很大程度上取决于网络所能提供的时钟同步精度。随着分布式网络测控***的广泛应用，为了满足网络测控***对高精度同步时钟的需求，IEEE（Institute of Electrical and ElectronicsEngineers，美国电气和电子工程师协会）在2002年发布了IEEE1588精确时钟同步协议标准（Precision Time Protocol），简称PTP。2008年又制定了新版本的IEEE1588协议，即IEEE1588v2。

无线自组织网路（即Ad Hoc网络），是一种特殊的无线移动通信网络。它具有不依赖于任何网络基础设施，具有很强的自组织性、鲁棒性和抗毁性等特点，在军事、抢险、救灾及应急通信领域有着广泛的应用前景。无线自组织网路作为一种新型的分布式网络测控***，其应用领域越来越广泛。时钟同步是无线传感器网络的一项重要支撑技术，网络节点间的协作感知、数据融合、定位技术、能量管理都需要时钟同步的支持，才能正常开展。

在无线自组织网络中，如何实现时钟同步是一个难题。由于节点内部的硬件时钟的老化，时钟都具有一定的误差，但是所有的节点处于分布式的状态，没有固定的基础设施或中心节点来对所有的节点进行有效的时钟同步，因此节点间的本地时间存在有偏差，导致无线自组织网络不能很好的支持实时业务，使得无线自组织网络的应用受到了一定的制约和限制。

将IEEE1588协议应用于无线自组织网络，为无线自组织网络中的设备提供高精度时钟信息，协调各设备之间的动作，将为无线自组织网络的推广应用起到很好的推动作用。

文献1“公开号是CN102664696A的中国发明专利”公开了一种面向无线传输环境的IEEE1588协议优化***及其方法，通过主从时钟节点模块、信道调制解调模块、发射天线模块、接收天线模块、功率调整模块、同步处理模块以及信号处理模块的硬件，实现了应用于无线环境中的IEEE1588时钟同步协议。

文献2“公开号是CN102104475A的中国发明专利”公开了一种基于IEEE1588的同步***及其同步方法，该方法通过增设主从时钟模块、CPU管理控制模块，构建一个频率可调的时钟计数器实现频率补偿，实现了一个面向无线通信技术领域的同步***。

但文献公开高精度的时钟同步技术都是依靠硬件方式实现，在无线自组织网络中应用实现的硬件和成本开销比较大，并且由于无线网络存在不对称链路，明显与IEEE1588协议正向和反向链路延迟相等的假定相违背，而上述这些专利发明并没有针对性的解决此矛盾。

发明内容

为了克服现有时钟同步技术时钟同步精度差的不足，本发明提供一种基于IEEE1588协议的无线自组织网络时钟同步方法。该方法针对无线网络中不对称链路的特点，对IEEE1588时钟同步原理进行了相应的改进。首先进行全网初始化，确定主时钟节点和从时钟节点；进行主从时钟节点间的时钟同步通信时延测量，获得出主从通信时延、从主通信时延以及主从节点间的单向时延；将单向时延进行最小退避窗口下的限幅滤波处理，将限幅处理后的单向时延通过一阶无限冲激响应滤波器进行滤波估计处理；计算主从节点间的时钟偏差，并根据离散线性卡尔曼滤波算法对时钟偏差进行最优化估计；构建基于PI控制器的时钟伺服***实现从时钟高精度跟踪主时钟。可以保证无线自组织网络下时钟间时钟偏差的稳定性，达到较高的时钟同步精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于IEEE1588协议的无线自组织网络时钟同步方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一，全网初始化，确定主时钟节点和从时钟节点；

步骤二，进行主从时钟节点间的时钟同步通信时延测量，获得出主从通信时延、从主通信时延以及主从节点间的单向时延；

步骤三，将步骤二中获得的单向时延进行最小退避窗口下的限幅滤波处理，即只允许属于最小退避窗口下的单向时延限幅过滤通过，对于不属于最小退避窗口下单向时延，采用低通滤波进行处理。判断的依据是单向时延是否小于等于最小退避窗口下的单向时延限幅值；

所述的最小退避窗口下的单向时延限幅值，由应用层产生数据到形成MAC层封包的时间、最小退避窗口时MAC层等待信道空闲的时间、发送节点物理层发送数据帧的所用时间、数据帧在无线信道中传输所产生的时延、接收方物理层为了完成数据帧的接收所花费的时间、接收方将MAC层封包解封装并提取数据交给相应应用层进程的时延六部分组成。

步骤四，将限幅处理后的单向时延通过一阶无限冲激响应滤波器进行滤波估计处理；所采取的一阶无限冲激响应滤波器的公式如下：

s*y(k)-(s-1)*y(k-1)＝[delay(k)+delay(k-1)]/2    （1）

式中，delay(k)为k时刻经步骤三得到的限幅处理后的单向时延，y(k)为k时刻经过步骤四后得到的单向时延，s为滤波器刚度，取整数。通过调整s调整滤波器的截止频率。***刚开始时，s＝1，随着时间增加，逐渐增加s直到最大值。

步骤五，计算主从节点间的时钟偏差，并根据离散线性卡尔曼滤波算法实现对时钟偏差的最优化估计。其中，实施离散线性卡尔曼滤波估计算法所需要的状态方程和观测方程，如下式：

式中，当前***状态为k，offset(k)为主从时钟节点当前状态的时钟偏差状态值，offset(k-1)为主从时钟节点上一状态的时钟偏差状态值，offset(k)_测为主从时钟节点当前状态的时钟偏差观测值，Δε(k)为主从时钟节点当前状态相对于上一状态的时钟源晶振抖动差，δd(k)为当前状态主从时延相对于单向时延的差值。

所用离散线性卡尔曼滤波算法方程组如下：

其中，offset(k|k-1)为上一状态预测的结果，offset(k-1|k-1)为上一状态最优的结果，offset(k|k)为当前状态的最优化估算值，P(k|k-1)为offset(k|k-1)对应的协方差，P(k|k)为offset(k|k)对应的协方差，K_g为卡尔曼增益，Q和R分别为过程噪声和测量噪声的方差。

步骤六，构建基于PI控制器的时钟伺服***实现从时钟跟踪主时钟。

所述的PI控制器由比例P和积分I两个环节构成的闭环控制***，其中比例项P用来消除输入误差，即主从时钟之间的时间偏移，积分项I用于消除***的稳态误差，即减少主从时钟的速率差。PI控制器方程式为

$\left\{\begin{array}{c}y\left(k\right)=\mathrm{offset}\left(k\right)/A_p+a\left(k\right)\\ a\left(k\right)=\mathrm{offset}\left(k\right)/A_I+a(k-1)\end{array}---\left(4\right)\right.$

式中，offset(k)为当前时钟偏差，A_p为比例项P参数，A_I为积分项I参数，y(k)为将要调整的时钟滴答频率。

本发明的有益效果是：由于该方法针对无线网络中不对称链路的特点，对IEEE1588时钟同步原理进行了相应的改进。首先进行全网初始化，确定主时钟节点和从时钟节点；进行主从时钟节点间的时钟同步通信时延测量，获得出主从通信时延、从主通信时延以及主从节点间的单向时延；将单向时延进行最小退避窗口下的限幅滤波处理，将限幅处理后的单向时延通过一阶无限冲激响应滤波器进行滤波估计处理；计算主从节点间的时钟偏差，并根据离散线性卡尔曼滤波算法对时钟偏差进行最优化估计；构建基于PI控制器的时钟伺服***实现从时钟高精度跟踪主时钟。保证了无线自组织网络下时钟间时钟偏差的稳定性，达到了较高的时钟同步精度。

附图说明

图1是本发明方法中时钟同步伺服***结构图。

图2是本发明方法中最小退避窗口下单向时延限幅值的组成图。

具体实施方式

下面结合图1、图2对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分了解本发明的目的、特征和效果。

首先主从时钟节点进行通信测量获得主从时延t_ms和从主时延t_sm，经过运算获得主从时钟之间单向时延。其次对单向时延进行最小退避窗口下的限幅过滤处理，保障IEEE1588协议适用于无线自组织网络。然后在对时钟偏差的处理中，进行基于离散线性卡尔曼滤波估计的时钟偏差稳定化处理，去除无线自组织网络中时延不稳定导致的测得时钟偏差抖动较大的影响，保障本发明在同步精度和偏移误差上的较高精度。最后由PI控制器输出调整本地时钟的频率，以实现主从时钟的时钟同步。

本发明的基于IEEE1588协议的无线自组织网络时钟同步方法具体步骤如下：

步骤一，全网初始化，选取最佳主时钟，确定主时钟节点和从时钟节点。其中，所建立的无线自组织网络中只有一个主时钟节点和若干个从时钟节点；

步骤二，进行主从时钟节点间的时钟同步通信时延测量，获得出主从通信时延、从主通信时延以及主从节点间的单向时延。通信时延测量包括偏移测量阶段和延迟测量阶段；

步骤三，将步骤二中获得的单向时延进行最小退避窗口下的限幅滤波处理，即只允许属于最小退避窗口下的单向时延限幅过滤通过，对于不属于最小退避窗口下单向时延，采用低通滤波进行处理。所用的判断的依据是单向时延是否小于等于最小退避窗口下的单向时延限幅值；

所述的最小退避窗口下的单向时延限幅值如图2所示，由发送处理时延、访问时延、传输时延、传播时延、接收时延和接收处理时延组成。其中，发送处理时延表示数据包从应用层到MAC层的发送时延，即应用层产生数据到形成MAC层封包的时间；访问时延表示最小退避窗口时MAC层等待信道空闲的时间，即退避窗口为CW_min时的等待信道空闲的时间；传输时延表示发送节点物理层发送数据帧的所用时间；传播时延表示数据帧在无线信道中传输所产生的时延；接收时延表示接收方物理层为了完成数据帧的接收所花费的时间；接收处理时延表示节点处理数据帧需要的时间，即将MAC层封包解封装、提取数据交给相应应用层进程的时延。

步骤四，将限幅处理后的单向时延通过一阶无限冲激响应滤波器进行滤波估计处理。所采取的一阶无限冲激响应滤波器的公式如下：

s*y(k)-(s-1)*y(k-1)＝[delay(k)+delay(k-1)]/2    （1）

其中delay(k)为k时刻经步骤三得到的限幅处理后的单向时延，y(k)为k时刻经过步骤四后得到的单向时延，s为滤波器刚度，取整数。通过调整s，可以调整滤波器的截止频率。***刚开始时，s＝1，随着时间增加，逐渐增加s直到最大值。

步骤五，计算主从节点间的时钟偏差，并根据离散线性卡尔曼滤波算法对时钟偏差进行最优化估计。其中，实施离散线性卡尔曼滤波估计算法所需要的状态方程和观测方程，如下式：

其中当前***状态为k，offset(k)为主从时钟节点当前状态的时钟偏差状态值，offset(k-1)为主从时钟节点上一状态的时钟偏差状态值，offset(k)_测为主从时钟节点当前状态的时钟偏差观测值，Δε(k)为主从时钟节点当前状态相对于上一状态的时钟源晶振抖动差，δd(k)为当前状态主从时延相对于单向时延的差值。

所用离散线性卡尔曼滤波算法方程组如下：

其中，offset(k|k-1)为上一状态预测的结果，offset(k-1|k-1)为上一状态最优的结果，offset(k|k)为当前状态的最优化估算值，P(k|k-1)为offset(k|k-1)对应的协方差，P(k|k)为offset(k|k)对应的协方差，K_g为卡尔曼增益，Q和R分别为过程噪声和测量噪声的方差。

步骤六，构建基于PI控制器的时钟伺服***实现从时钟高精度跟踪主时钟。

所述的PI控制器由比例P和积分I两个环节构成的闭环控制***，其中比例项P用来消除输入误差，即主从时钟之间的时间偏移，积分项I用于消除***的稳态误差，即减少主从时钟的速率差。PI控制器方程式为

$\left\{\begin{array}{c}y\left(k\right)=\mathrm{offset}\left(k\right)/A_p+a\left(k\right)\\ a\left(k\right)=\mathrm{offset}\left(k\right)/A_I+a(k-1)\end{array}---\left(4\right)\right.$

其中offset(k)为当前时钟偏差，A_p为比例项P参数，A_I为积分项I参数，y(k)为将要调整的时钟滴答频率。

本发明所描述的一种基于IEEE1588协议的无线自组织网络时钟同步方法，针对无线网络中不对称链路的特点，对IEEE1588时钟同步原理进行了相应的改进，同时为了维持时钟间时钟偏差的稳定性，采用离散线性卡尔曼滤波算法对时钟偏差进行最优化估计，不依赖于硬件，以纯软件的形式实现了IEEE1588协议在无线自组织网络中的有效应用，并能在同步精度、同步时间及偏移误差上达到较高的指标，同时也使得无线自组织网络的时钟同步硬件开销和成本开销大大节约。

Claims (1)

1.一种基于IEEE1588协议的无线自组织网络时钟同步方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，全网初始化，确定主时钟节点和从时钟节点；

步骤二，进行主从时钟节点间的时钟同步通信时延测量，获得出主从通信时延、从主通信时延以及主从节点间的单向时延；

步骤三，将步骤二中获得的单向时延进行最小退避窗口下的限幅滤波处理，即只允许属于最小退避窗口下的单向时延限幅过滤通过，对于不属于最小退避窗口下单向时延，采用低通滤波进行处理；判断的依据是单向时延是否小于等于最小退避窗口下的单向时延限幅值；

所述的最小退避窗口下的单向时延限幅值，由应用层产生数据到形成MAC层封包的时间、最小退避窗口时MAC层等待信道空闲的时间、发送节点物理层发送数据帧的所用时间、数据帧在无线信道中传输所产生的时延、接收方物理层为了完成数据帧的接收所花费的时间、接收方将MAC层封包解封装并提取数据交给相应应用层进程的时延六部分组成；

步骤四，将限幅处理后的单向时延通过一阶无限冲激响应滤波器进行滤波估计处理；所采取的一阶无限冲激响应滤波器的公式如下：

s*y(k)-(s-1)*y(k-1)＝[delay(k)+delay(k-1)]/2    （1）

式中，delay(k)为k时刻经步骤三得到的限幅处理后的单向时延，y(k)为k时刻经过步骤四后得到的单向时延，s为滤波器刚度，取整数；通过调整s调整滤波器的截止频率；***刚开始时，s＝1，随着时间增加，逐渐增加s直到最大值；

步骤五，计算主从节点间的时钟偏差，并根据离散线性卡尔曼滤波算法实现对时钟偏差的最优化估计；其中，实施离散线性卡尔曼滤波估计算法所需要的状态方程和观测方程，如下式：

式中，当前***状态为k，offset(k)为主从时钟节点当前状态的时钟偏差状态值，offset(k-1)为主从时钟节点上一状态的时钟偏差状态值，offset(k)_测为主从时钟节点当前状态的时钟偏差观测值，Δε(k)为主从时钟节点当前状态相对于上一状态的时钟源晶振抖动差，δd(k)为当前状态主从时延相对于单向时延的差值；

所用离散线性卡尔曼滤波算法方程组如下：

式中，offset(k|k-1)为上一状态预测的结果，offset(k-1|k-1)为上一状态最优的结果，offset(k|k)为当前状态的最优化估算值，P(k|k-1)为offset(k|k-1)对应的协方差，P(k|k)为offset(k|k)对应的协方差，K_g为卡尔曼增益，Q和R分别为过程噪声和测量噪声的方差；

步骤六，构建基于PI控制器的时钟伺服***实现从时钟跟踪主时钟；

所述的PI控制器由比例P和积分I两个环节构成的闭环控制***，其中比例项P用来消除输入误差，即主从时钟之间的时间偏移，积分项I用于消除***的稳态误差，即减少主从时钟的速率差；PI控制器方程式为

$\left\{\begin{array}{c}y\left(k\right)=\mathrm{offset}\left(k\right)/A_p+a\left(k\right)\\ a\left(k\right)=\mathrm{offset}\left(k\right)/A_I+a(k-1)\end{array}---\left(4\right)\right.$

式中，offset(k)为当前时钟偏差，A_p为比例项P参数，A_I为积分项I参数，y(k)为将要调整的时钟滴答频率。

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