CN109547146B - 一种基于超宽带无线通信的无线时钟同步方法及装置 - Google Patents

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CN109547146B CN201910032800.4A CN201910032800A CN109547146B CN 109547146 B CN109547146 B CN 109547146B CN 201910032800 A CN201910032800 A CN 201910032800A CN 109547146 B CN109547146 B CN 109547146B
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Abstract

本申请提供了一种基于超宽带无线通信的无线时钟同步方法及装置，属于通信技术领域，所述方法应用于基于超宽带通信技术的无线传感器网络中的从节点，所述无线传感器网络还包括主节点，所述方法包括：当接收到主节点发送的同步数据包时，生成接收时间戳，同步数据包携带有发送时间戳；获取主节点的基准时钟信号的信号表达式，并根据接收时间戳、发送时间戳、基准时钟信号的信号表达式、以及从节点的时钟信号的信号表达式，计算从节点的时钟信号与主节点的基准时钟信号之间的相位差；根据相位差和预设的补偿控制器，计算控制量；根据控制量，调节从节点的时钟信号的频率。采用本申请，能够提高无线传感器网络中各网络节点的同步精度。

Description

一种基于超宽带无线通信的无线时钟同步方法及装置
技术领域
本申请涉及通信技术领域，特别是涉及一种基于超宽带无线通信的无线时钟同步方法及装置。
背景技术
在无线传感器网络中，由于不同网络节点包含的晶振间存在差异且易受环境因素的影响，因此，不同网络节点的晶振产生的时钟信号与基准时钟信号之间会存在频率和相位的漂移，为保证无线传感器网络的有效工作，需要对无线传感器网络中各网络节点的时钟信号进行同步。
现有技术中，可以基于蓝牙无线通信技术对各网络节点的时钟信号进行同步，具体处理过程包括：无线传感器网络中的每个从节点可以接收主节点发送的同步数据包，同步数据包携带有发送时间戳；然后，从节点可以在接收到同步数据包后生成接收时间戳；之后，从节点可以根据发送时间戳和接收时间戳，计算时钟信号的补偿量，并根据该补偿量调节时钟信号的频率，由此，实现各网络节点的时钟信号的同步。
然而，蓝牙无线通信技术的带宽有限，无法精确的记录同步数据包的发送时间戳和接收时间戳，导致无线传感器网络中各网络节点的同步精度低。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种基于超宽带无线通信的无线时钟同步方法及装置，以实现提高无线传感器网络中各网络节点的同步精度。具体技术方案如下：
第一方面，提供了一种基于超宽带无线通信的无线时钟同步方法，所述方法应用于基于超宽带通信技术的无线传感器网络中的从节点，所述无线传感器网络还包括主节点，所述方法包括：
当接收到所述主节点发送的同步数据包时，生成接收时间戳，所述同步数据包携带有发送时间戳；
获取所述主节点的基准时钟信号的信号表达式，并根据所述接收时间戳、所述发送时间戳、所述基准时钟信号的信号表达式、以及所述从节点的时钟信号的信号表达式，计算所述从节点的时钟信号与所述主节点的基准时钟信号之间的相位差；
根据所述相位差和预设的补偿控制器，计算控制量，所述补偿控制器包括比例调节和积分调节PI控制器；
根据所述控制量，调节所述从节点的时钟信号的频率。
可选的，所述相位差的表达式为：
其中，所述
Figure BDA0001944842910000022
为所述从节点第k次接收到所述同步数据包时，所述从节点的时钟信号与所述基准时钟信号之间的相位差，所述k0为压控系数，所述u(k)为所述从节点第k次接收到所述同步数据包后产生的控制量，所述Tsyn为预设的同步周期，所述Δf为所述从节点的时钟信号与所述基准时钟信号之间的频率差；
所述控制量的表达式为：
Figure BDA0001944842910000023
其中，所述kp为预设的比例系数，所述ki为预设的积分系数。
可选的，所述发送时间戳为上一次接收到的同步数据包的发送时间戳时，所述根据所述接收时间戳、所述发送时间戳、所述基准时钟信号的信号表达式、以及所述从节点的时钟信号的信号表达式，计算所述从节点的时钟信号与所述主节点的基准时钟信号之间的相位差包括：
根据所述上一次接收到的同步数据包的发送时间戳、所述接收时间戳、所述基准时钟信号的信号表达式、以及所述从节点的时钟信号的信号表达式，计算所述从节点的时钟信号与所述主节点的基准时钟信号之间的相位差。
可选的，所述相位差的表达式为：
Figure BDA0001944842910000024
其中，所述
Figure BDA0001944842910000031
为所述从节点第k次接收到所述同步数据包时，所述从节点的时钟信号与所述基准时钟信号之间的相位差，所述k0为压控系数，所述u(k-1)为所述从节点第k-1次接收到所述同步数据包后产生的控制量，所述Tsyn为预设的同步周期，所述Δf为所述从节点的时钟信号与所述基准时钟信号之间的频率差，所述τ为延迟时间，所述延迟时间包括所述从节点接收到同步数据包后计算所述控制量所需的时间。
可选的，所述同步数据包的丢包率为预设数值时，所述根据所述相位差和预设的补偿控制器，计算控制量包括：
根据所述相位差、所述丢包率、以及预设的补偿控制器，计算控制量。
可选的，所述控制量的表达式为
Figure BDA0001944842910000032
其中，所述kp为预设的比例系数，所述ki为预设的积分系数，所述
Figure BDA0001944842910000033
所述
Figure BDA0001944842910000034
所述s(k)＝0表示所述从节点未接收到所述同步数据包，所述s(k)＝1表示所述从节点接收到所述同步数据包。
可选的，所述方法还包括：
基于所述相位差和所述控制量，建立同步反馈***M，所述M的表达式为
Figure BDA0001944842910000035
其中，所述
Figure BDA0001944842910000041
所述
Figure BDA0001944842910000042
所述所述u(k)为所述从节点第k次接收到同步数据包时，计算得到的控制量，所述s(k)用于表示所述从节点是否接收到同步数据包，所述w(k)为随机噪声向量，且有E(w(k))＝0,E(w(k)w(k)T)＝W，所述W为预设的常量矩阵；
判断是否存在使所述同步反馈***M满足
Figure BDA0001944842910000044
的常量矩阵
如果存在所述常量矩阵，则确定所述同步反馈***稳定。
第二方面，提供了一种基于超宽带无线通信的无线时钟同步装置，所述装置应用于基于超宽带通信技术的无线传感器网络中的从节点，所述无线传感器网络还包括主节点，所述装置包括：
生成模块，用于当接收到所述主节点发送的同步数据包时，生成接收时间戳，所述同步数据包携带有发送时间戳；
第一计算模块，用于获取所述主节点的基准时钟信号的信号表达式，并根据所述接收时间戳、所述发送时间戳、所述基准时钟信号的信号表达式、以及所述从节点的时钟信号的信号表达式，计算所述从节点的时钟信号与所述主节点的基准时钟信号之间的相位差；
第二计算模块，用于根据所述相位差和预设的补偿控制器，计算控制量，所述补偿控制器包括比例调节和积分调节PI控制器；
调节模块，用于根据所述控制量，调节所述从节点的时钟信号的频率。
可选的，所述相位差的表达式为：
Figure BDA0001944842910000051
其中，所述
Figure BDA0001944842910000052
为所述从节点第k次接收到所述同步数据包时，所述从节点的时钟信号与所述基准时钟信号之间的相位差，所述k0为压控系数，所述u(k)为所述从节点第k次接收到所述同步数据包后产生的控制量，所述Tsyn为预设的同步周期，所述Δf为所述从节点的时钟信号与所述基准时钟信号之间的频率差；
所述控制量的表达式为：其中，所述kp为预设的比例系数，所述ki为预设的积分系数。
可选的，所述发送时间戳为上一次接收到的同步数据包的发送时间戳时，所述第一计算模块包括：
第一计算子模块，用于根据所述上一次接收到的同步数据包的发送时间戳、所述接收时间戳、所述基准时钟信号的信号表达式、以及所述从节点的时钟信号的信号表达式，计算所述从节点的时钟信号与所述主节点的基准时钟信号之间的相位差。
可选的，所述相位差的表达式为：
Figure BDA0001944842910000054
其中，所述
Figure BDA0001944842910000055
为所述从节点第k次接收到所述同步数据包时，所述从节点的时钟信号与所述基准时钟信号之间的相位差，所述k0为压控系数，所述u(k-1)为所述从节点第k-1次接收到所述同步数据包后产生的控制量，所述Tsyn为预设的同步周期，所述Δf为所述从节点的时钟信号与所述基准时钟信号之间的频率差，所述τ为延迟时间，所述延迟时间包括所述从节点接收到同步数据包后计算所述控制量所需的时间。
可选的，所述同步数据包的丢包率为预设数值时，所述第二计算模块包括：
第二计算子模块，用于根据所述相位差、所述丢包率、以及预设的补偿控制器，计算控制量。
可选的，所述控制量的表达式为
Figure BDA0001944842910000061
其中，所述kp为预设的比例系数，所述ki为预设的积分系数，所述
Figure BDA0001944842910000062
所述
Figure BDA0001944842910000063
所述s(k)＝0表示所述从节点未接收到所述同步数据包，所述s(k)＝1表示所述从节点接收到所述同步数据包。
可选的，所述装置还包括：
建立模块，用于基于所述相位差和所述控制量，建立同步反馈***M，所述M的表达式为
Figure BDA0001944842910000064
其中，所述
Figure BDA0001944842910000065
所述
Figure BDA0001944842910000071
所述
Figure BDA0001944842910000072
所述u(k)为所述从节点第k次接收到同步数据包时，计算得到的控制量，所述s(k)用于表示所述从节点是否接收到同步数据包，所述w(k)为随机噪声向量，且有E(w(k))＝0,E(w(k)w(k)T)＝W，所述W为预设的常量矩阵；
判断模块，用于判断是否存在使所述同步反馈***M满足的常量矩阵
Figure BDA0001944842910000074
确定模块，用于当存在所述常量矩阵时，确定所述同步反馈***稳定。
第三方面，提供了一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；
存储器，用于存放计算机程序；
处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现任一第一方面所述的方法步骤。
第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现任一第一方面所述的方法步骤。
本申请实施例提供的一种基于超宽带无线通信的无线时钟同步方法及装置，可以在接收到主节点发送的同步数据包时，生成接收时间戳；然后，根据接收时间戳、同步数据包携带的发送时间戳、基准时钟信号的信号表达式、以及从节点的时钟信号的信号表达式，计算从节点的时钟信号与主节点的基准时钟信号之间的相位差；之后，根据相位差和补偿控制器，计算控制量，最后根据控制量，调节从节点的时钟信号的频率。由于基于超宽带通信技术进行时钟同步，可以准确记录发送时间戳及接收时间戳，因此，能够提高无线传感器网络中各网络节点的同步精度。
当然，实施本申请的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种基于超宽带无线通信的无线时钟同步方法的方法流程图；
图2为本申请实施例提供的一种马尔科夫链的状态转移图的示意图；
图3为本申请实施例提供的一种基于超宽带无线通信的无线时钟同步方法的方法流程图；
图4a为本申请实施例提供的一种基于超宽带无线通信的无线时钟同步方法的时序示意图；
图4b为本申请实施例提供的一种室内分布节点的***框架示意图；
图5为本申请实施例提供的一种基于超宽带无线通信的无线时钟同步装置的结构示意图；
图6为本申请实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供了一种基于超宽带无线通信的无线时钟同步方法，该方法应用于基于超宽带通信技术的无线传感器网络中的从节点，从节点可以是具有传感功能、数据处理功能、以及通信功能的电子设备，从节点可以包含振动传感器或温度传感器。无线传感器网络还包括主节点，主节点可以是具有数据处理功能和通信功能的电子设备。从节点用于对采集到的数据信息进行数据处理、以及将处理后的数据信息发送至主节点，然后，主节点可以通过接收各从节点发送的数据信息，动态管理整个无线传感器网络。
本申请实施例中，无线传感器网络为采用超宽带通信技术的网络，超宽带通信技术是一种无载波通信技术，利用非正弦波的极短脉冲传输数据，脉冲宽度的量级范围在纳秒与皮秒之间，脉冲的带宽可以达到几GHz，因此，可以精确的记录时间戳。超宽带通信技术基于极短脉冲传输数据，一方面，发射极短脉冲所需的发射功率很小，仅为目前发送连续载波信号的发射功率的几百分之一；另一方面，数据传输速率可以达到480Mbps(Mbit/s，兆比特每秒)，是蓝牙无线通信技术的数据传输速率的159倍，是WI-FI(Wireless Fidelity，无线网络)标准数据传输速率的18.5倍；因此，超宽带通信技术非常适合用于大量数据的传输。
如图1所示，该方法的具体处理过程包括：
步骤101，当接收到主节点发送的同步数据包时，生成接收时间戳。
在实施中，主节点可以按照预设的同步周期，向无线传感器网络中的至少一个从节点发送同步数据包，同步数据包是用于实现时钟信号同步的数据包，可以携带有发送时间戳。同步数据包可以通过现有的用于实现节点间通信的通信数据包实现。
无线传感器网络中的每个从节点可以在接收主节点发送的同步数据包的同时，记录接收该同步数据包的时间，得到该同步数据包的接收时间戳。从节点还可以获取同步数据包携带的发送时间戳。
本申请实施例中，主节点生成发送时间戳、以及从节点生成接收时间戳的具体过程为现有技术，此处不再赘述。
步骤102，获取主节点的基准时钟信号的信号表达式，并根据接收时间戳、发送时间戳、基准时钟信号的信号表达式、以及从节点的时钟信号的信号表达式，计算从节点的时钟信号与主节点的基准时钟信号之间的相位差。
在实施中，从节点可以解析同步数据包，确定主节点的基准时钟信号的信号表达式。在一种可行的实现方式中，从节点可以解析某一同步数据包，得到主节点的基准时钟信号的信号表达式，然后，在本地存储该信号表达式，并在后续接收到同步数据包时，获取本地存储的基准时钟信号的信号表达式。
然后，从节点可以根据该同步数据包的接收时间戳、该同步数据包的发送时间戳、基准时钟信号的信号表达式、以及该从节点当前时钟信号的信号表达式，计算从节点的时钟信号与主节点的基准时钟信号之间的相位差。
本申请实施例提供了一种从节点根据该同步数据包的接收时间戳、该同步数据包的发送时间戳、基准时钟信号的信号表达式、以及该从节点当前时钟信号的信号表达式，计算从节点的时钟信号与主节点的基准时钟信号之间的相位差的过程。
在一种实现方式中，从节点获取的主节点的基准时钟信号ym的信号表达式可以为：
ym(t)＝A1cos(2πfmt) (1)
其中，A1为基准时钟信号的信号幅度，fm为主节点的基准时钟信号的频率，t为无线传感器网络的运行时间。
从节点当前时钟信号ys的信号表达式为：
Figure BDA0001944842910000101
其中，A1为从节点的时钟信号的信号幅度，fs为从节点的时钟信号的频率，k0为压控系数，用于反映压控振荡器输出的时钟信号的频率对控制量的敏感度，
Figure BDA0001944842910000102
为初始相位，u(z)表示随时间变化的压控振荡器的输入电压。从节点可以根据式(1)和式(2)，计算从节点的时钟信号与主节点的基准时钟信号之间的相位差得到：
Figure BDA0001944842910000104
其中，Δf＝fs-fm为从节点的时钟信号与主节点的基准时钟信号之间的频率差。
当同步周期为Tsyn时，在主节点第k次发送同步数据包时，主节点可以生成发送时间戳，经过时间Td从节点可以接收到该同步数据包，并生成接收时间戳。从节点第k次接收到同步数据包时，从节点的时钟信号与主节点的基准时钟信号之间的相位差
Figure BDA0001944842910000111
即式(3)可以表示如下：
Figure BDA0001944842910000112
其中，
Figure BDA0001944842910000113
为发送时间戳对应的基准时钟信号的相位，
Figure BDA0001944842910000114
为接收时间戳对应的时钟信号的相位。
步骤103，根据相位差和预设的补偿控制器，计算控制量。
其中，从节点中可以预先设置有补偿控制器，补偿控制器包括PI(ProportionIntegration比例调节和积分调节)控制器。补偿控制器还可以是PID(ProportionIntegration Differentiation，比例积分微分调节)控制器。
在实施中，从节点可以将相位差输入至补偿控制器中，计算补偿控制器的控制量。在一种可行的实现方式中，控制量可以是压控振荡器的输入电压值。
本申请实施例基于补偿控制器实现时钟同步，将各节点时钟信号的同步问题转化为控制问题。选用PI控制器作为补偿控制器，具有很宽的频率锁定范围，并且便于通过已有的PI控制器控制软件实现对PI控制器的控制。
本申请实施例中，从节点可以基于相位差的表达式(3)，计算接收到第k+1个同步数据包时，添加到压控振荡器两端的控制量。
控制量的表达式也可以表示为：
Figure BDA0001944842910000115
其中，kp为预设的比例系数，ki为预设的积分系数。
从节点第k+1次接收到同步数据包时，从节点的时钟信号与主节点的基准时钟信号之间的相位差
Figure BDA0001944842910000116
的表达式为：
其中，u(k)为从节点第k次接收到同步数据包后产生的控制量。基于式(5)和式(6)，从节点可以构建一个闭环控制***。
步骤104，根据控制量，调节从节点的时钟信号的频率。
在实施中，从节点可以将控制量设置为从节点的压控振荡器的输入电压，通过改变压控振荡器的输入电压，调节从节点的时钟信号的频率。
本申请实施例中，从节点可以在接收到主节点发送的同步数据包时，生成接收时间戳；然后，根据接收时间戳、同步数据包携带的发送时间戳、基准时钟信号的信号表达式、以及从节点的时钟信号的信号表达式，计算从节点的时钟信号与主节点的基准时钟信号之间的相位差；之后，根据相位差和补偿控制器，计算控制量，最后根据控制量，调节从节点的时钟信号的频率。由于基于超宽带通信技术进行时钟同步，可以准确记录发送时间戳及接收时间戳，从而能够确保基于时间戳计算时钟信号的相位差并进行校正的准确度。
现有技术中，由于无线传感器网络中从节点的存储空间、以及计算能力有限，不适于存储大量数据、运行现有复杂的同步算法，导致无线传感器网络中各网络节点的同步精度低，同步精度仅能达到微秒量级。本申请实施例提供的时钟同步方法能够将同步精度提升至亚纳秒量级，具有结构简单、功耗低、以及精度高的特点，非常适用于无线传感器网络，能够大幅度提升无线传感器网络的性能。
可选的，无线传感器网络在运行过程中，可能存在网络延迟。例如，可能会存在数据传输延迟，在一种可行的实现方式中，由于主节点在发送某一同步数据包后，才能生成该同步数据包的发送时间戳，主节点可以生成包含该发送时间戳的下一个同步数据包，并将下一个同步数据包发送至各从节点。还可能存在数据处理延迟，在一种可行的实现方式中，从节点在接收到同步数据包后，需要经过一段时间才能计算出控制量。
因此，从节点可以基于网络延迟，对从节点的时钟信号与主节点的基准时钟信号之间的相位差，以及控制量进行修正。
可选的，当前同步数据包携带的发送时间戳为上一次接收到的同步数据包的发送时间戳时，从节点计算该从节点的时钟信号与主节点的基准时钟信号之间的相位差的具体过程包括：根据上一个同步数据包的发送时间戳、接收时间戳、基准时钟信号的信号表达式、以及从节点的时钟信号的信号表达式，计算从节点的时钟信号与主节点的基准时钟信号之间的相位差。
在实施中，从节点可以在接收到当前同步数据包时，生成当前同步数据包的接收时间戳，并存储在本地；然后，从节点可以获取当前同步数据包携带的发送时间戳，得到上一个同步数据包的发送时间戳。之后，从节点可以获取预先存储的上一个同步数据包的接收时间戳，并根据上一个同步数据包的接收时间戳、发送时间戳、基准时钟信号的信号表达式、以及从节点的时钟信号的信号表达式，计算从节点的时钟信号与主节点的基准时钟信号之间的相位差。相应的，将相位差的表达式(6)修正为：
其中，表示接收到第k+1个同步数据包时从节点计算的相位差，
Figure BDA0001944842910000133
表示第k个同步数据包对应的相位差，τ为延迟时间，延迟时间包括从节点接收到同步数据包后计算控制量所需的时间，u(k-1)为从节点接收到第k-1个同步数据包时计算的控制量，u(k-2)为第k-2个同步数据包对应的控制量，Tsyn为同步周期。
可选的，无线传感器网络中主节点在发送同步数据包时，可能会出现丢包事件，丢包事件的存在也会影响从节点计算相位差和控制量的同步精度。当同步数据包的丢包率为预设数值时，从节点计算控制量的具体处理过程包括：根据相位差、丢包率、以及预设的补偿控制器，计算控制量。
在一种可行的实现方式中，从节点可以创建具有两个状态的马尔科夫链，以表示无线传感器网络中的丢包过程，从节点可以设置状态集合S＝{0,1}，其中，0表示未接收到某一同步数据包，1表示接收到该同步数据包。
从该状态集合取值的马尔科夫链可以表示为Q＝{s(k)；k＝1,2,…}。如图2所示，为本申请实施例提供的一种马尔科夫链的状态转移图，基于图2所示的状态转移图，可以确定状态转移矩阵P为：
Figure BDA0001944842910000134
其中，r为某一同步数据包的丢包率，状态转移矩阵P用于表示从节点接收到该同步数据包的下一个同步数据包的概率。当接收到该同步数据包时，从节点接收到下一个同步数据包的概率p11＝1-r，未接收到下一个同步数据包的概率p10＝r；当从节点未接收到该同步数据包时，从节点接收到下一个同步数据包的概率p01＝1-r，未接收到下一个同步数据包的概率p00＝r。
每一次发送同步数据包的状态转移矩阵均相同，从节点接收到第k个同步数据包的概率为：
Pk＝P (9)
因此，对于主节点第k次发送同步数据包，发送失败的概率π0为r，发送成功的概率π1为1-r。
为了便于描述基于马尔科夫链建立的闭环控制***，定义：
Figure BDA0001944842910000141
Figure BDA0001944842910000142
可选的，基于式(10)和式(11)，从节点可以确定控制量u(k)的表达式为：
Figure BDA0001944842910000143
其中，kp为预设的比例系数，ki为预设的积分系数。
基于式(7)和式(12)，从节点可以建立包含传输延迟、处理延迟、以及丢包率的闭环控制***。
本申请实施例中，基于无线传感器网络中的传输延迟、处理延迟、以及丢包率，对闭环控制***中的相位差和控制量的表达式进行了修正，能够进一步提高时钟同步的精度。
可选的，本申请实施例还提供了一种判断同步方法的稳定性的方式，具体处理过程包括：
步骤301，基于相位差和控制量，建立同步反馈***M；
在实施中，从节点可以基于相位差的表达式、以及控制量的表达式，建立同步反馈***。
在一种可行的实现方式中，可以定义状态向量X(k)，X(k)可以表示如下：
Figure BDA0001944842910000151
其中，
Figure BDA0001944842910000152
用于表示
Figure BDA0001944842910000153
到
Figure BDA0001944842910000154
的和，基于X(k)表示相位差的表达式(7)、以及控制量的表达式(12)，可得同步反馈***M，M的表达式为：
Figure BDA0001944842910000155
其中，
Figure BDA0001944842910000156
w(k)为随机噪声向量，且有E(w(k))＝0,E(w(k)w(k)T)＝W，W为预设的常量矩阵。
步骤302，判断是否存在使同步反馈***M满足
Figure BDA0001944842910000161
的常量矩阵
Figure BDA0001944842910000162
在实施中，从节点可以根据同步反馈***M的表达式，判断是否存在使同步反馈***M满足的常量矩阵
在一种可行的实现方式中，如果同步反馈***M对于任意初始条件X(0)＝X0,s(0)＝s0，均存在与X0、s0无关的常量矩阵
Figure BDA0001944842910000165
使得
Figure BDA0001944842910000166
则从节点可以确定同步反馈***M均方稳定。其中，X0用于表示状态变量的初始状态，s0用于表示马尔科夫随机过程的初始状态，s0的取值可以是0或1。
可以定义：
其中，x为预设的自变量，χA(x)为示性函数，A为预设的事件集合，本申请实施例中，x可以为s(k)，A可以为状态集合S＝{0,1}。
∏(k)＝E(X(k)X(k)T) (16)
∏j(k)＝E(X(k)X(k)Tχ(s(k)＝j)) (17)
Λi＝Ai+BC (18)
其中，∏(k)、∏j(k)、以及Λi为预设的中间变量，i和j均为取值为0或1的下标变量。Ai是式(14)中的As(k)。
基于式(15)、式(16)、式(17)、以及式(18)可以推导得到：
Π(k)＝Π0(k)+Π1(k)(19)
Figure BDA0001944842910000171
其中，Π0(k)、以及Π1(k)为预设的中间变量，N为i的最大值，pij为预设的状态转移概率。
基于向量化运算符的运算规则，可得
Figure BDA0001944842910000172
其中，
Figure BDA0001944842910000173
表示Kronecker克罗内克积，D、E、以及F为矩阵维度分别为k*I、I*m、以及m*n的矩阵，k、I、m、以及n可以为任一预设数值。
基于式(21)，式(20)可以表示为：
Figure BDA0001944842910000174
其中，r为丢包率。
如果存在与X0、s0无关的常量矩阵
Figure BDA0001944842910000175
使得式(22)成立，则同步反馈***M均方稳定。
Figure BDA0001944842910000176
定义矩阵
Figure BDA0001944842910000181
当矩阵Λ的谱半径小于1时，式(22)成立，即同步反馈***M均方稳定，因此，从节点可以计算矩阵Λ的谱半径，并判断矩阵Λ的谱半径是否小于1，如果谱半径小于1，则从节点可以基于矩阵Λ计算常量矩阵
Figure BDA0001944842910000182
得到式(24)。
Figure BDA0001944842910000183
如果矩阵Λ的谱半径大于1，则从节点可以确定不存在常量矩阵。
步骤303，如果存在常量矩阵，则确定同步反馈***M稳定。
在实施中，如果存在该常量矩阵，则从节点可以确定同步反馈***可以稳定的运行。
本申请实施例中，虽然同步反馈***与线性***类似，但无法基于线性***常用的渐进稳定的方式确定***的稳定性，因此，本申请实施例基于均方稳定的方式，判断同步反馈***是否稳定，进而实现为技术人员提示同步反馈***运行的状态信息。
如图4a所示，为本申请实施例提供的一种基于超宽带无线通信的无线时钟同步方法的时序示意图。其中，主节点生成基准时钟信号的周期为Tm，从节点生成时钟信号的周期为Ts，从节点的时钟信号与主节点的基准时钟信号之间的初始相位差为
Figure BDA0001944842910000184
主节点按照同步周期Tsyn发送同步数据包，并生成同步数据包相应的发送时间戳；经过时间Td后，从节点会接收到该同步数据包，并生成接收时间戳；然后，从节点可以根据发送时间戳、接收时间戳、基准时钟信号的信号表达式、以及从节点的时钟信号的信号表达式，确定当前从节点的时钟信号与基准时钟信号之间的相位差；之后，从节点可以计算相应的控制量，以减小从节点的时钟信号与基准时钟信号之间的相位差。经过一段时间后，可以将从节点的时钟信号与基准时钟信号之间的相位差降至0，实现无线传感器网络的无线时钟同步。
如图4b所示，为本申请实施例提供的一种室内分布节点的***框架示意图，该室内分布节点可以执行本申请实施例提供的一种基于超宽带无线通信的无线时钟同步方法。图中虚线部分包含的部件可以选择添加或不添加。
本申请实施例还提供了一种基于超宽带无线通信的无线时钟同步装置，所述装置应用于基于超宽带通信技术的无线传感器网络中的从节点，所述无线传感器网络还包括主节点，如图5所示，所述装置包括：
生成模块510，用于当接收到所述主节点发送的同步数据包时，生成接收时间戳，所述同步数据包携带有发送时间戳；
第一计算模块520，用于获取所述主节点包含的基准时钟信号的信号表达式，并根据所述接收时间戳、所述发送时间戳、所述基准时钟信号的信号表达式、以及所述从节点的时钟信号的信号表达式，计算所述从节点的时钟信号与所述主节点的基准时钟信号之间的相位差；
第二计算模块530，用于根据所述相位差和预设的补偿控制器，计算控制量，所述补偿控制器包括比例调节和积分调节PI控制器；
调节模块540，用于根据所述控制量，调节所述从节点的时钟信号的频率。
可选的，所述相位差的表达式为：
Figure BDA0001944842910000191
其中，所述
Figure BDA0001944842910000192
为所述从节点第k次接收到所述同步数据包时，所述从节点的时钟信号与所述基准时钟信号之间的相位差，所述k0为压控系数，所述u(k)为所述从节点第k次接收到所述同步数据包后产生的控制量，所述Tsyn为预设的同步周期，所述Δf为所述从节点的时钟信号与所述基准时钟信号之间的频率差；
所述控制量的表达式为：
Figure BDA0001944842910000193
其中，所述kp为预设的比例系数，所述ki为预设的积分系数。
可选的，所述发送时间戳为上一次接收到的同步数据包的发送时间戳时，所述第一计算模块包括：
第一计算子模块，用于根据所述上一次接收到的同步数据包的发送时间戳、所述接收时间戳、所述基准时钟信号的信号表达式、以及所述从节点的时钟信号的信号表达式，计算所述从节点的时钟信号与所述主节点的基准时钟信号之间的相位差。
可选的，所述相位差的表达式为：
Figure BDA0001944842910000201
其中，所述
Figure BDA0001944842910000202
为所述从节点第k次接收到所述同步数据包时，所述从节点的时钟信号与所述基准时钟信号之间的相位差，所述k0为压控系数，所述u(k-1)为所述从节点第k-1次接收到所述同步数据包后产生的控制量，所述Tsyn为预设的同步周期，所述Δf为所述从节点的时钟信号与所述基准时钟信号之间的频率差，所述τ为延迟时间，所述延迟时间包括所述从节点接收到同步数据包后计算所述控制量所需的时间。
可选的，所述同步数据包的丢包率为预设数值时，所述第二计算模块包括：
第二计算子模块，用于根据所述相位差、所述丢包率、以及预设的补偿控制器，计算控制量。
可选的，所述控制量的表达式为其中，所述kp为预设的比例系数，所述ki为预设的积分系数，所述
Figure BDA0001944842910000204
所述
Figure BDA0001944842910000205
所述s(k)＝0表示所述从节点未接收到所述同步数据包，所述s(k)＝1表示所述从节点接收到所述同步数据包。
可选的，所述装置还包括：
建立模块，用于基于所述相位差和所述控制量，建立同步反馈***M，所述M的表达式为
其中，所述
Figure BDA0001944842910000212
所述所述
Figure BDA0001944842910000214
所述u(k)为所述从节点第k次接收到同步数据包时，计算得到的控制量，所述s(k)用于表示所述从节点是否接收到同步数据包，所述w(k)为随机噪声向量，且有E(w(k))＝0,E(w(k)w(k)T)＝W，所述W为预设的常量矩阵；
判断模块，用于判断是否存在使所述同步反馈***M满足
Figure BDA0001944842910000215
的常量矩阵
Figure BDA0001944842910000216
确定模块，用于当存在所述常量矩阵时，确定所述同步反馈***稳定。
本申请实施例提供的一种基于超宽带无线通信的无线时钟同步装置，可以在接收到主节点发送的同步数据包时，生成接收时间戳；然后，根据接收时间戳、同步数据包携带的发送时间戳、基准时钟信号的信号表达式、以及从节点的时钟信号的信号表达式，计算从节点的时钟信号与主节点的基准时钟信号之间的相位差；之后，根据相位差和补偿控制器，计算控制量，最后根据控制量，调节从节点的时钟信号的频率。由于基于超宽带通信技术进行时钟同步，可以准确记录发送时间戳及接收时间戳，因此，能够提高无线传感器网络中各网络节点的同步精度。
本申请实施例还提供了一种电子设备，如图6所示，包括处理器601、通信接口602、存储器603和通信总线604，其中，处理器601，通信接口602，存储器603通过通信总线604完成相互间的通信，
存储器603，用于存放计算机程序；
处理器601，用于执行存储器603上所存放的程序时，实现如下步骤：
当接收到所述主节点发送的同步数据包时，生成接收时间戳，所述同步数据包携带有发送时间戳；
获取所述主节点的基准时钟信号的信号表达式，并根据所述接收时间戳、所述发送时间戳、所述基准时钟信号的信号表达式、以及所述从节点的时钟信号的信号表达式，计算所述从节点的时钟信号与所述主节点的基准时钟信号之间的相位差；
根据所述相位差和预设的补偿控制器，计算控制量，所述补偿控制器包括比例调节和积分调节PI控制器；
根据所述控制量，调节所述从节点的时钟信号的频率。
可选的，所述相位差的表达式为：
Figure BDA0001944842910000221
其中，所述
Figure BDA0001944842910000222
为所述从节点第k次接收到所述同步数据包时，所述从节点的时钟信号与所述基准时钟信号之间的相位差，所述k0为压控系数，所述u(k)为所述从节点第k次接收到所述同步数据包后产生的控制量，所述Tsyn为预设的同步周期，所述Δf为所述从节点的时钟信号与所述基准时钟信号之间的频率差；
所述控制量的表达式为：其中，所述kp为预设的比例系数，所述ki为预设的积分系数。
可选的，所述发送时间戳为上一次接收到的同步数据包的发送时间戳时，所述根据所述接收时间戳、所述发送时间戳、所述基准时钟信号的信号表达式、以及所述从节点的时钟信号的信号表达式，计算所述从节点的时钟信号与所述主节点的基准时钟信号之间的相位差包括：
根据所述上一次接收到的同步数据包的发送时间戳、所述接收时间戳、所述基准时钟信号的信号表达式、以及所述从节点的时钟信号的信号表达式，计算所述从节点的时钟信号与所述主节点的基准时钟信号之间的相位差。
可选的，所述相位差的表达式为：
Figure BDA0001944842910000232
其中，所述为所述从节点第k次接收到所述同步数据包时，所述从节点的时钟信号与所述基准时钟信号之间的相位差，所述k0为压控系数，所述u(k-1)为所述从节点第k-1次接收到所述同步数据包后产生的控制量，所述Tsyn为预设的同步周期，所述Δf为所述从节点的时钟信号与所述基准时钟信号之间的频率差，所述τ为延迟时间，所述延迟时间包括所述从节点接收到同步数据包后计算所述控制量所需的时间。
可选的，所述同步数据包的丢包率为预设数值时，所述根据所述相位差和预设的补偿控制器，计算控制量包括：
根据所述相位差、所述丢包率、以及预设的补偿控制器，计算控制量。
可选的，所述控制量的表达式为
Figure BDA0001944842910000241
其中，所述kp为预设的比例系数，所述ki为预设的积分系数，所述所述
Figure BDA0001944842910000243
所述s(k)＝0表示所述从节点未接收到所述同步数据包，所述s(k)＝1表示所述从节点接收到所述同步数据包。
可选的，所述方法还包括：
基于所述相位差和所述控制量，建立同步反馈***M，所述M的表达式为
Figure BDA0001944842910000244
其中，所述
Figure BDA0001944842910000245
所述
Figure BDA0001944842910000246
所述
Figure BDA0001944842910000247
所述u(k)为所述从节点第k次接收到同步数据包时，计算得到的控制量，所述s(k)用于表示所述从节点是否接收到同步数据包，所述w(k)为随机噪声向量，且有E(w(k))＝0,E(w(k)w(k)T)＝W，所述W为预设的常量矩阵；
判断是否存在使所述同步反馈***M满足的常量矩阵
如果存在所述常量矩阵，则确定所述同步反馈***稳定。
上述电子设备提到的通信总线可以是外设部件互连标准(Peripheral ComponentInterconnect，PCI)总线或扩展工业标准结构(Extended Industry StandardArchitecture，EISA)总线等。该通信总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
通信接口用于上述电子设备与其他设备之间的通信。
存储器可以包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以包括非易失性存储器(Non-Volatile Memory，NVM)，例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器的存储装置。
上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessing，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
在本申请提供的又一实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一一种基于超宽带无线通信的无线时钟同步方法的步骤。
在本申请提供的又一实施例中，还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述实施例中任一一种基于超宽带无线通信的无线时钟同步方法。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘Solid State Disk(SSD))等。
本申请实施例提供的一种基于超宽带无线通信的无线时钟同步方法及装置，可以在接收到主节点发送的同步数据包时，生成接收时间戳；然后，根据接收时间戳、同步数据包携带的发送时间戳、基准时钟信号的信号表达式、以及从节点的时钟信号的信号表达式，计算从节点的时钟信号与主节点的基准时钟信号之间的相位差；之后，根据相位差和补偿控制器，计算控制量，最后根据控制量，调节从节点的时钟信号的频率。由于基于超宽带通信技术进行时钟同步，可以准确记录发送时间戳及接收时间戳，因此，能够提高无线传感器网络中各网络节点的同步精度。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并非用于限定本申请的保护范围。凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本申请的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于超宽带无线通信的无线时钟同步方法，其特征在于，所述方法应用于基于超宽带通信技术的无线传感器网络中的从节点，所述无线传感器网络还包括主节点，所述方法包括：
当接收到所述主节点发送的同步数据包时，生成接收时间戳，所述同步数据包携带有发送时间戳；
获取所述主节点的基准时钟信号的信号表达式，并根据所述接收时间戳、所述发送时间戳、所述基准时钟信号的信号表达式、以及所述从节点的时钟信号的信号表达式，计算所述从节点的时钟信号与所述主节点的基准时钟信号之间的相位差；
根据所述相位差和预设的补偿控制器，计算控制量，所述补偿控制器包括比例调节和积分调节PI控制器；
根据所述控制量，调节所述从节点的时钟信号的频率；
其中，所述相位差的表达式为：
其中，所述
Figure FDA0002232696040000012
为所述从节点第k次接收到所述同步数据包时，所述从节点的时钟信号与所述基准时钟信号之间的相位差，所述k0为压控系数，所述u(k)为所述从节点第k次接收到所述同步数据包后产生的控制量，所述Tsyn为预设的同步周期，所述Δf为所述从节点的时钟信号与所述基准时钟信号之间的频率差；
所述控制量的表达式为：
Figure FDA0002232696040000013
其中，所述kp为预设的比例系数，所述ki为预设的积分系数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发送时间戳为上一次接收到的同步数据包的发送时间戳时，所述根据所述接收时间戳、所述发送时间戳、所述基准时钟信号的信号表达式、以及所述从节点的时钟信号的信号表达式，计算所述从节点的时钟信号与所述主节点的基准时钟信号之间的相位差包括：
根据所述上一次接收到的同步数据包的发送时间戳、所述接收时间戳、所述基准时钟信号的信号表达式、以及所述从节点的时钟信号的信号表达式，计算所述从节点的时钟信号与所述主节点的基准时钟信号之间的相位差。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述相位差的表达式为：
其中，所述
Figure FDA0002232696040000022
为所述从节点第k次接收到所述同步数据包时，所述从节点的时钟信号与所述基准时钟信号之间的相位差，所述k0为压控系数，所述u(k-1)为所述从节点第k-1次接收到所述同步数据包后产生的控制量，所述Tsyn为预设的同步周期，所述Δf为所述从节点的时钟信号与所述基准时钟信号之间的频率差，所述τ为延迟时间，所述延迟时间包括所述从节点接收到同步数据包后计算所述控制量所需的时间。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述同步数据包的丢包率为预设数值时，所述根据所述相位差和预设的补偿控制器，计算控制量包括：
根据所述相位差、所述丢包率、以及预设的补偿控制器，计算控制量。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述控制量的表达式为其中，所述kp为预设的比例系数，所述ki为预设的积分系数，所述
Figure FDA0002232696040000024
所述
Figure FDA0002232696040000025
所述s(k)＝0表示所述从节点未接收到所述同步数据包，所述s(k)＝1表示所述从节点接收到所述同步数据包。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
基于所述相位差和所述控制量，建立同步反馈***M，所述M的表达式为
Figure FDA0002232696040000031
其中，所述所述
Figure FDA0002232696040000033
所述所述u(k)为所述从节点第k次接收到同步数据包时，计算得到的控制量，所述s(k)用于表示所述从节点是否接收到同步数据包，所述w(k)为随机噪声向量，且有E(w(k))＝0,E(w(k)w(k)T)＝W，所述W为预设的常量矩阵；
判断是否存在使所述同步反馈***M满足的常量矩阵
Figure FDA0002232696040000036
如果存在所述常量矩阵，则确定所述同步反馈***稳定。
7.一种基于超宽带无线通信的无线时钟同步装置，其特征在于，所述装置应用于基于超宽带通信技术的无线传感器网络中的从节点，所述无线传感器网络还包括主节点，所述装置包括：
生成模块，用于当接收到所述主节点发送的同步数据包时，生成接收时间戳，所述同步数据包携带有发送时间戳；
第一计算模块，用于获取所述主节点的基准时钟信号的信号表达式，并根据所述接收时间戳、所述发送时间戳、所述基准时钟信号的信号表达式、以及所述从节点的时钟信号的信号表达式，计算所述从节点的时钟信号与所述主节点的基准时钟信号之间的相位差；
第二计算模块，用于根据所述相位差和预设的补偿控制器，计算控制量，所述补偿控制器包括比例调节和积分调节PI控制器；
调节模块，用于根据所述控制量，调节所述从节点的时钟信号的频率；
其中，所述相位差的表达式为：
Figure FDA0002232696040000041
其中，所述为所述从节点第k次接收到所述同步数据包时，所述从节点的时钟信号与所述基准时钟信号之间的相位差，所述k0为压控系数，所述u(k)为所述从节点第k次接收到所述同步数据包后产生的控制量，所述Tsyn为预设的同步周期，所述Δf为所述从节点的时钟信号与所述基准时钟信号之间的频率差；
所述控制量的表达式为：
Figure FDA0002232696040000043
其中，所述kp为预设的比例系数，所述ki为预设的积分系数。
8.一种电子设备，其特征在于，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；
存储器，用于存放计算机程序；
处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现权利要求1-6任一所述的方法步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-6任一所述的方法步骤。
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