CN106992831B - 一种通信网络时间同步设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通信网络时间同步设备，包含发射通道和接收通道，其特征在于所述发射通道对业务数据进行处理输出动态群延迟发射信号，脉冲发射模式为跳时，包含多突发跳时发射模块和可控群延迟发射滤波器；所述接收通道对匹配抽取接收复基带信号进行处理，输出用于询问接收时刻T₁、应答接收时刻T₃测量的精确测量脉冲T_measure，包含单突发定时同步模块、升采样模块和多突发联合同步模块。本发明实现了在硬件逻辑资源受限条件下通过低复杂度高精度的计算达到通信网络时间同步的目的。

Description

一种通信网络时间同步设备

技术领域

本发明涉及航空无线通信领域，尤其涉及一种基于联合相关运算的低复杂度高精度的通信网络时间同步设备。

背景技术

航空网络的通信网络时间同步能够解决通信网络内部高精度的相对时间同步问题，为协同探测、协同干扰和协同攻击提供统一的时间基线，再通过导航授时等大范围时空统一手段实现广域空间内各类航空器节点的“时空统一”。往返计时(RTT)同步是一种基于到达时间(TOA)测量的双向比对同步算法。具有时间同步精度高、实时性好和受应用环境影响小的特点，在国际原子时比对、航天测控和雷达等对时间同步精度要求较高的场合获得了广泛的应用。其工作原理为利用双向TOA传递校时信息来校正网络节点间的时间误差，其实施流程如图1所示。

其中，ε为通信网络时间同步误差；T₀为同步询问机发起RTT-I的时刻；T₁为同步应答机测量的其接收到RTT-I波形的时刻；T₂为同步应答机应答RTT-R的时刻；T₃为同步询问机测量的其接收到RTT-R波形的时刻；d₁、d₂分别为RTT-I和RTT-R波形的无线空间传输的时延，受同步端机相对机动影响，二者可能存在一定差距；T_RTT为单次RTT流程的持续时间；P_RTT为同步询问机的最小询问时间间隔。上述参量满足式1、2所示的关系。

T₁＝T₀+d₁+ε (1)

T₃＝T₂+d₂-ε (2)

联立式1、2，可解得：

式3为通信网络时间同步误差(或通信网络时间同步精度)的表达式。分析式3可知，通信网络时间同步的误差主要受由以下三个因素影响：

(1)频率准确度引起的守时误差

同步询问机在单次RTT流程完成时间同步后，在询问时间间隔P_RTT内需要利用本地时钟计数对通信网络内的节点进行守时，其守时误差与单次RTT询问时间间隔P_RTT和频率准确度S有关，需通过减小P_RTT和提高晶振工艺来改善；

(2)相对机动引起的无线空间传输时延误差ε(d)

受航空器相对机动影响，RTT-I波形和RTT-R波形的无线空间传输时延d₁、d₂并不相等。考虑相向/相离飞行的极端情况，d₂-d₁与单次RTT的持续时间T_RTT和航空器相对机动速度有关。该误差不可测量，计算时赋值为0，需通过减小T_RTT或调度航空器进行降速校时处理来改善；

(3)接收定时同步引起的测量误差ε(τ)

同步询问/应答机在单次RTT同步流程中，发射时刻T₀、T₂由发射模块进行测量，与信道、运动环境无关；接收时刻T₁、T₃由接收同步模块进行测量，与波形体制、信道环境和同步算法存在较大的关系。

综上，通信网络的时间同步精度与晶振频率准确度、单次RTT持续时间、单次RTT询问间隔时间和接收定时同步引入的测量误差等有关，前三个要素主要与硬件资源和航空组网通信***设计有关，而接收定时同步引入的测量误差与接收定时同步算法有关；特别地，在低信噪比、硬件逻辑资源受限的航空无线通信***环境下，需设计性能良好的定时同步算法来降低接收定时同步引起的测量误差ε(τ)，用于接收时刻T₁、T₃的测量，以提高通信网络的时间同步精度。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种通信网络时间同步设备，该通信网络时间同步设备实现了在硬件逻辑资源受限条件下通过低复杂度高精度的计算达到通信网络时间同步的目的。本发明面对高动态、低信噪比的航空组网应用环境下协同探测、协同干扰和协同攻击对时间同步精度要求较高的需求，重点解决三类技术矛盾：时间同步序列长度和同步算法工程实现复杂度的矛盾；芯片逻辑处理能力和脉冲检测算法复杂度的矛盾；航空器机动引起的未知群延迟与通信网络时间同步模型复杂度的矛盾。

本发明的发明目的通过以下技术方案实现：

一种通信网络时间同步设备，包含发射通道和接收通道，发射通道包含多突发跳时发射模块和可控群延迟发射滤波器，接收通道包含单突发定时同步模块、升采样模块和多突发联合同步模块；

多突发跳时发射模块用于在一个基础时隙内将接收到的业务数据组成N个突发数据帧，并输出各个突发数据帧的群延迟控制量D_i和突发数据帧给可控群延迟发射滤波器；其中i＝1,2…N，D_N为N/2，其他群延迟控制量D_i为任意值；

可控群延迟发射滤波器用于先计算群延迟控制量时间T_i：T_i＝(D_i-N/2)T_D/N，根据数学映射关系：得到M_i，根据μ_i＝T_c*M_i-T_i得到拉格朗日内插滤波器的参数μ_i；再根据参数μ_i对突发数据帧进行拉格朗日内插滤波改变突发数据帧的群延迟；最后根据M_i选择相应的延迟通道将群延迟后的突发数据帧进行跳时发射；其中，T_D代表解调时钟宽度，T_C代表调制时钟宽度；

单突发定时同步模块用于先对接收到的N个突发数据帧分别进行匹配抽取复基带信号，对复基带信号进行相关运算获得复相关值，输出脉冲检测信号，再对脉冲检测信号以解调时钟T_D的整数倍进行时域扩展；

升采样模块用于使用调制时钟T_C对时域扩展后的脉冲检测信号进行升采样；

多突发联合同步模块用于先将升采样后的各脉冲检测信号写入到对应的双口RAM进行缓存，将N个双口RAM输出的脉冲检测信号在时间轴上对齐；再对对齐的脉冲检测信号通过求和运算输出联合脉冲检测相关值J_corr；然后设置检测门限为N/2，对联合脉冲检测相关值J_corr进行门限滤波处理获得FJ_corr，最后将首个超出检测门限的FJ_corr位置作为起始定时位置T_start，并对FJ_corr进行重心计算获得定时偏移位置T_shift，输出调制时钟脉宽的测量时钟T_measure；其中，L代表调制时钟脉宽的个数，k为级数运算的自变量，k＝0.1.2…L-1。

依据上述特征，可控群延迟发射滤波器包含数学映射模块、拉格朗日内插滤波器、D触发器和选择器，其中D触发器的个数为M_max-M_min，M_max为M_i的最大值，M_min为M_i的最小值。

依据上述特征，单突发定时同步模块中时域扩展后的脉冲检测信号的持续时间为MT_rms，T_rms为接收灵敏度工作条件下定时误差的根均方计算机仿真结果，M的取值范围为M∈[5,6]。

本发明有如下几个技术要点：

1.时间同步序列是通信网络时间同步精度的必要条件。本发明在多突发跳时发射模块中用多组短同步序列替换理论需求的长同步序列，缩短接收同步序列匹配滤波器长度，节约逻辑处理资源；改善通信***抗多普勒频移的能力；时间同步序列的多组时频分集传输具有更强的抗衰落和抗干扰能力。

2.受无线空间传输路径影响，同步询问机和同步应答机的接收通道数字采样存在缓变的群延迟误差，本发明通过在发射端设计可控群延迟发射滤波器，使发射群延迟信息在一帧业务内符合均匀分布，保证在任意时刻接收的询问/应答波形的数字抽样误差具有相同的统计特性。

3.对时域扩展后的脉冲检测信号进行升采样，处理时钟由解调时钟T_D切换为调制时钟T_C，为多突发联合检测提供宽的时间扩展范围和高的时间分辨率。

4.多突发联合同步模块采用双口RAM对高倍过采样的检测脉冲信号进行写入缓存，利用门限滤波和重心位置计算提取精确测量脉冲T_measure。

附图说明

图1为RTT时间同步实施流程示意图；

图2为实施例所述通信网络时间同步设备的结构示意图；

图3多突发跳时发射示意图

图4可控群延迟发射滤波器结构图

图5脉冲检测、时域扩展和升采样时序示意图

图6多突发联合同步模块示意图

图7基于双口RAM的扩展检测脉冲时序图

图8基于重心位置计算的精确测量脉冲示意图

图9本实施例的单突发波形定时同步误差RMS

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本实施例提供了一种通信网络时间同步设备，包含发射通道和接收通道，发射通道对询问请求时间和测量时间进行处理输出动态群延迟发射复基带信号，脉冲发射模式为跳时，发射通道主要包含多突发跳时发射模块和可控群延迟发射滤波器，同步询问机首先发射询问请求并记录询问发射时刻T₀，同步应答机发射应答并记录应答发射时刻T₂和并通过其接收通道测量询问接收时间T₁。

接收通道对匹配抽取接收复基带信号进行处理，输出用于询问接收时刻T₁、应答接收时刻T₃测量的精确测量脉冲T_measure。接收通道主要包含单突发定时同步模块、升采样模块和多突发联合同步模块。

为便于说明，在本实施例中，设定同步询问机和同步应答机均采用符号率R_S为15.625Msps(符号周期T_S为64ns)的高斯最小频移键控(GMSK)作为波形调制技术；时间同步帧长度为800us；采用长度为63(对应4.032us)的m序列作为突发同步序列；采用10倍符号速率(156.25MHz)的时钟作为调制时钟(用于调制、时间测量)，其调制周期宽度T_C为6.4ns；采用4倍符号速率的时钟作为GMSK解调时钟(用于解调，脉冲扩展)，其解调周期宽度T_D为16ns。本实施例的实施方案流程如下：

(1)多突发跳时发射模块

如图3所示，多突发跳时发射模块在时域上以800us为单位划分基础时隙，在一个基础时隙内将业务数据(业务数据为同步询问机发射的询问或同步应答机发射的应答)拆分为N个数据块，每个数据块***m序列作为复基带信号组成突发数据帧并输出给可控群延迟发射滤波器，同时还输出N个突发数据帧的群延迟控制量D_i(i＝1,2…N)，群延迟控制量D_i是数组0～N-1的全排列。令D_N为N/2，其余群延迟控制量为任意值，从而保证在任意时刻接收的询问/应答波形的解调时钟抽样误差具有均匀分布特性，利于接收算法的时钟统一校正。

考虑数字信号处理的逻辑实现，N取值一般为2ⁿ，n＝3,4,5…。本实施例选用N为16，序列D_i为[0,1,2,3,4,5,6,7,9,10,11,12,13,14,15,8]。

(2)可控群延迟发射滤波器

群延迟控制量时间T_i与解调时钟宽度T_D、基础时隙内的突发数据帧的个数N和群延迟控制量D_i的关系为：T_i＝D_iT_D/N。一般T_i的均值由解调时钟宽度T_D的整数倍进行表示，需要对D_i进行减N/2处理，T_i修正为：T_i＝(D_i-N/2)T_D/N，T_i均值与0相差T_D/(2N)。

由于群延迟控制量时间T_i的取值存在超出调制时钟宽度T_C的情况，突发数据帧根据群延迟控制量时间T_i进行可控群延迟发射滤波处理，处理流程可分解为数学映射、拉格朗日内插滤波、延迟和选择操作。数学映射是根据T_i得到μ_i和M_i的过程，可控群延迟发射滤波器参数μ_i和M_i满足：T_i＝μ_i+T_c*M_i，数学映射关系为：其中μ_i为拉格朗日内插滤波器的参数。拉格朗日内插滤波是利用基于μ_i的内插运算改变发射突发数据帧群延迟。延迟和选择操作是利用得到的M_i选择相应延迟通道，以处理时钟为单位改变发射突发数据帧群延迟的作用，延迟和选择操作由D触发器和选择器来实现，由D触发器建立延迟通道，对拉格朗日内插滤波的输出进行延迟，D触发器的个数为M_max-M_min，在本实施例中，Mi的取值为-1/0/1，D触发器的个数为2，选择器从D触发器的输出和拉格朗日内插滤波的输出中进行选择输出。

在本实施例中，依据修正的T_i及各参数取值，T_i为[-8，-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,1,2,3,4,5,6,7,0]ns，调制时钟T_C为6.4ns时，T_i改写为[-1.6，-0.6,0.4,1.4,2.4,-3,-2,-1,1,2,3,-2.4,-1.4,-0.4,0.6,0]+6.4*[-1 -1 -1 -1 -1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0]ns。

(3)单突发定时同步模块

单突发定时同步模块对接收到的突发数据帧中复基带信号进行匹配抽取，对复基带信号进行相关运算获得复相关值，输出脉冲检测信号。根据同步序列复相关值的冲击特性，采用早-迟相关峰估计进行接收灵敏度工作条件下定时误差的根均方(T_rms)计算机仿真，然后对脉冲检测信号以T_D的整数倍进行时域扩展，时域扩展后的脉冲检测信号的持续时间为MT_rms。脉冲检测位置信息近似服从正态分布，计算机仿真结果表明M取值为M∈[5,6]时可保证后续多突发联合同步模块以大概率同时捕获所有突发。

(4)升采样模块

对时域扩展后的脉冲检测信号进行升采样，处理时钟由解调时钟T_D切换为调制时钟T_C，可提高后续时间测量的精度，时钟切换的测量误差可在硬件程序固化后通过上层软件定点修改。其时序图如图5所示。

(5)多突发联合同步模块

根据图6所示结构，多突发联合同步模块包含N个双口RAM缓存、求和运算、门限滤波和重心位置计算等部分。多突发联合同步模块对升采样后的扩展脉冲检测信号进行多通道双口RAM缓存，根据锁存的跳时时间间隔控制扩展脉冲检测信号的读取时间，使多路缓存输出的扩展脉冲检测信号在时间轴上对齐。如图6、图7所示，对突发数据帧的缓冲和对齐过程如下：

1，这N个突发数据帧将分别在时刻TH(N-1)、TH(N-2)…TH(1)、TH(0)(以TH(0)点作为对齐点进行描述)，到达接收机并被单突发定时同步模块检测获得，时域扩展后的检测信号依然服从该跳时序列；

2，以第一个脉冲为例，若想使第1个脉冲对齐第N个突发数据帧，则需要将第一个脉冲延迟(TH(0)-TH(N-1))的时间；同理对于第K个脉冲，需要将其延迟(TH(0)-TH(N-k))的时间；

3，双口RAM根据输入的(TH(0)-TH(N-k))对检测信号进行缓存，具体实现方式是实时写入，并按“读地址＝写地址-延迟”的公式获得读地址来延迟读出。

对齐的扩展脉冲检测信号通求和运算输出联合脉冲检测相关值(J_corr)；设置检测门限为N/2，对J_corr进行门限滤波处理获得FJ_corr，能够有效对抗脉冲检测虚警和漏警引起J_corr异常的问题，保证复杂电磁环境下的可靠突发信号捕获，其时序如图7所示。

FJ_corr波形局部放大如图8所示。重心位置计算模块将首个超出检测门限的FJ_corr位置作为起始定时位置T_start，并对FJ_corr进行重心计算获得定时偏移位置T_shift，输出调制时钟脉宽的测量时钟T_measure，T_measure用于RTT流程中接收时间T₁、T₃的测量。

假定FJ_corr持续L个调制时钟脉宽，k为级数运算的自变量，k＝0.1.2…L-1，T_shift由式4给出。

本模块仅对1比特的扩展脉冲检测信号进行缓存和运算处理，能够有效降低双口RAM的存储深度和加法器的运算位数，对处理平台的硬件资源的要求较低。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种通信网络时间同步设备，包含发射通道和接收通道，其特征在于所述发射通道包含多突发跳时发射模块和可控群延迟发射滤波器，所述接收通道包含单突发定时同步模块、升采样模块和多突发联合同步模块；

所述多突发跳时发射模块用于在一个基础时隙内将接收到的业务数据组成N个突发数据帧，并输出各个突发数据帧的群延迟控制量D_i和突发数据帧给可控群延迟发射滤波器；其中i＝1,2…N，D_N为N/2，其他群延迟控制量D_i为任意值，N取值为2ⁿ，n＝3,4,5…；

所述可控群延迟发射滤波器用于先计算群延迟控制量时间T_i：T_i＝(D_i-N/2)T_D/N，根据数学映射关系：得到M_i，根据μ_i＝T_c*M_i-T_i得到拉格朗日内插滤波器的参数μ_i；再根据参数μ_i对突发数据帧进行拉格朗日内插滤波改变突发数据帧的群延迟；最后根据M_i选择相应的延迟通道将群延迟后的突发数据帧进行跳时发射；其中，T_D代表解调时钟宽度，T_C代表调制时钟宽度；

所述单突发定时同步模块用于先对接收到的N个突发数据帧分别进行匹配抽取复基带信号，对复基带信号进行相关运算获得复相关值，输出脉冲检测信号，再对脉冲检测信号以解调时钟T_D的整数倍进行时域扩展；

所述升采样模块用于使用调制时钟T_C对时域扩展后的脉冲检测信号进行升采样；

所述多突发联合同步模块用于先将升采样后的各脉冲检测信号写入到对应的双口RAM进行缓存，将N个双口RAM输出的脉冲检测信号在时间轴上对齐；再对对齐的脉冲检测信号通过求和运算输出联合脉冲检测相关值J_corr；然后设置检测门限为N/2，对联合脉冲检测相关值J_corr进行门限滤波处理获得门限滤波输出联合脉冲检测相关值FJ_corr，最后将首个超出检测门限的门限滤波输出联合脉冲检测相关值FJ_corr位置作为起始定时位置T_start，并对门限滤波输出联合脉冲检测相关值FJ_corr进行重心计算获得定时偏移位置T_shift，输出调制时钟脉宽的测量时钟T_measure；其中，L代表调制时钟脉宽的个数，k为级数运算的自变量，k＝0.1.2…L-1。

2.根据权利要求1所述的一种通信网络时间同步设备，其特征在于所述可控群延迟发射滤波器包含数学映射模块、拉格朗日内插滤波器、D触发器和选择器，其中D触发器的个数为M_max-M_min，M_max为M_i的最大值，M_min为M_i的最小值。

3.根据权利要求1所述的一种通信网络时间同步设备，其特征在于所述单突发定时同步模块中时域扩展后的脉冲检测信号的持续时间为MT_rms，T_rms为接收灵敏度工作条件下定时误差的根均方计算机仿真结果，M的取值范围为M∈[5,6]。