一种基于时频精度提升的通信传输稳定性优化方法与流程

本发明涉及无线通信，尤其涉及一种基于时频精度提升的通信传输稳定性优化方法。

背景技术：

1、随着第五代移动通信系统5g的商用推进以及第六代移动通信系统6g的研发探索，高精度时频同步技术已成为支撑高精度定位、协同通信、低时延高可靠传输等应用的关键使能技术。在卫星通信、高速铁路通信、无人机集群通信等场景中，由于收发双方或传输介质的动态变化，时频同步面临着严峻挑战。

2、在时间同步技术方面，上海交通大学提出的时间同步精度增强的光纤时间频率传递系统及传递方法（专利号：cn114285516b，授权公告日2023年3月28日）通过主从时间频率单元经光纤链路双向传输确定时间差，采用双向时间传递协议实现亚纳秒级时间同步精度。然而，该技术方案仅针对光纤介质进行设计，未涉及无线通信场景下的多普勒频移和信道时变特性，无法直接应用于卫星通信等无线传输场景。

3、在时频同步方法方面，中国电子科技集团第五十四研究所提出的基于对称线性调频信号的信号检测及时频同步方法（专利号：cn116319209a，公开日2023年6月23日）通过发射对称线性调频信号并利用双线性调频信号相关检测实现时频同步。该方法在低信噪比环境下具有较好的检测性能，但采用固定阈值判决机制，无法根据信道状态动态调整同步参数，在信道条件剧烈变化时同步性能下降明显。

4、在时频网络可靠性方面，中国电子科技集团第五十四研究所提出的基于光纤环网架构的高稳高可靠时频网络实现方法（专利号：cn110958504a，公开日2020年4月3日）通过环形组网和冗余备份机制提升时频网络的可靠性。该方法主要解决网络拓扑冗余问题，通过路径备份和故障切换保证时频信号的不间断传输，但未涉及时频同步精度本身的动态优化。

5、在时频信号调制传输方面，西安邮电大学提出的时间频率信号调制传输方法及系统（专利号：cn120185993a，公开日2025年6月20日）利用fpga实现时频信号调制，并通过全数字双混频鉴相器进行相位补偿。该方法在相位噪声抑制方面具有较好的效果，但补偿策略为被动响应式，只能在检测到相位偏差后进行补偿，缺乏对时频漂移的前瞻性预测能力。

6、在5g/6g非地面网络ntn技术方面，当前主要采用开环预补偿结合闭环微调的双层策略应对多普勒频移问题。开环预补偿根据星历模型计算多普勒频移并进行预补偿，但预补偿精度依赖星历模型精度，在星历更新周期内存在残余误差；闭环微调周期固定约为10秒，无法根据信道质量动态调整补偿频率，在高速移动或信道剧烈变化时跟踪性能不足。

7、综上所述，现有技术存在以下主要缺陷：一是时频同步精度受限于固定参数设置，无法根据信道状态自适应调整；二是缺乏对时频漂移的前瞻性预测能力，只能被动响应已发生的偏差；三是补偿策略单一，无法根据信道质量分级响应；四是反馈调节机制响应滞后，无法实现参数的自适应动态优化。因此，亟需一种能够自适应感知信道状态、前瞻性预测时频漂移、分级响应补偿的时频精度提升方法，以满足高性能通信系统的应用需求。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的在于提供一种基于时频精度提升的通信传输稳定性优化方法，旨在解决现有技术中时频同步精度不足、同步参数固定无法自适应调整、缺乏对时频漂移前瞻性预测等技术问题。

2、技术方案：一种基于时频精度提升的通信传输稳定性优化方法，包括以下步骤：

3、s1、多维度时频误差感知，采集通信链路的时频同步误差数据，包括时间偏差、频率偏差和相位偏差；同时采集信道状态数据，包括信噪比、多普勒频移和信道时延扩展；构建时频误差向量和信道状态向量；

4、s2、自适应卡尔曼滤波时频误差估计，建立时频误差的状态空间模型，状态向量包含时频偏差及其变化率；采用自适应卡尔曼滤波器对时频误差进行最优估计，其中过程噪声协方差根据信噪比偏差程度进行指数调整，量测噪声协方差根据多普勒频移和时延扩展的相对大小进行线性叠加调整；

5、s3、基于指数加权移动平均的时频漂移预测，利用历史时频误差估计序列，采用指数加权移动平均方法对下一时刻时频漂移进行前瞻性预测，遗忘因子根据频率变化率与参考变化率的比值自适应调整；

6、s4、基于信道质量的多级时频补偿，根据信道状态向量中各参数的归一化加权融合结果确定综合信道质量指标，根据其与动态阈值的比较选择补偿策略：不低于高阈值时采用精细补偿，介于高低阈值之间时采用标准补偿，低于低阈值时采用快速捕获；

7、s5、闭环反馈与补偿效果验证，执行时频补偿后根据补偿前后时频误差幅度的比值计算误差改善率；当误差改善率低于预设阈值时触发调整机制，增大过程噪声协方差、增大遗忘因子、缩短同步周期；当连续多次补偿效果达标时采用梯度恢复策略逐步恢复参数至默认值。

8、进一步的，所述步骤s1中的时频同步误差数据通过双向时间传递协议采集，时间偏差通过往返时间测量获得，频率偏差通过相位噪声测量获得，相位偏差通过载波相位跟踪环路获得；信道状态数据通过信道估计模块获取，信噪比通过导频信号功率与噪声功率的比值确定，多普勒频移通过导频信号的相位旋转速率估计获得，信道时延扩展通过功率时延谱的均方根计算获得。

9、进一步的，所述步骤s2中过程噪声协方差的调整方式为以基础过程噪声协方差为基准，乘以与信噪比偏差相关的指数因子，当当前信噪比低于参考信噪比时指数因子大于一，信噪比偏差越大则指数因子越大；量测噪声协方差的调整方式为以基础量测噪声协方差为基准，叠加多普勒频移相对占比的加权项和时延扩展相对占比的加权项，两者占比越大则量测噪声协方差越大。

10、进一步的，所述步骤s3中的遗忘因子在最小值与最大值之间根据频率变化率自适应取值，频率变化率越大则遗忘因子越接近最大值，频率变化率越小则遗忘因子越接近最小值；指数加权移动平均方法将最新时刻的时频误差估计值与上一时刻的预测值按照遗忘因子进行加权融合，遗忘因子越大则最新估计值的权重越大，遗忘因子越小则历史预测值的权重越大。

11、进一步的，所述步骤s4中三种补偿模式均通过数控振荡器实现：精细补偿模式基于预测值计算补偿量并以最小补偿步长进行连续微调；标准补偿模式基于当前估计值计算补偿量并以五倍最小补偿步长进行步进补偿；快速捕获模式以二十五倍最小补偿步长进行大步长补偿并同时将同步周期缩短至正常周期的四分之一以加快同步收敛。

12、进一步的，所述步骤s4中的动态阈值根据近期综合信道质量指标的统计特性自适应调整，高阈值设置为最近若干个综合信道质量指标值的均值与标准差之和，低阈值设置为均值与标准差之差，使阈值随信道状态的整体变化趋势动态浮动。

13、进一步的，所述步骤s5中的梯度恢复策略在连续达到预设次数的补偿效果达标后启动，将过程噪声协方差、遗忘因子和同步周期按照预设梯度逐步恢复至默认值，每次恢复幅度不超过当前值的百分之二十，并在恢复过程中持续监测补偿效果，若补偿效果不达标则立即终止恢复并重新触发调整机制。

14、一种通信传输系统，包括发射端、接收端和时频同步模块，所述时频同步模块包括：时频误差感知单元，用于执行上述方法中的的误差感知；时频误差估计单元，用于执行上述方法中的自适应卡尔曼滤波估计；时频漂移预测单元，用于执行上述方法中的漂移预测；多级时频补偿单元，用于执行上述方法中的多级时频补偿；闭环反馈验证单元，用于上述方法中的闭环反馈验证。

15、进一步的，所述时频同步模块还包括参数自适应调整单元，用于根据闭环反馈验证单元输出的误差改善率动态调整自适应卡尔曼滤波器的过程噪声协方差和量测噪声协方差以及指数加权移动平均的遗忘因子，当误差改善率低于预设阈值时增大上述参数以增强系统对信道变化的跟踪能力，当连续多次补偿效果达标时按照梯度恢复策略逐步将参数恢复至默认值。

16、有益效果：通过自适应卡尔曼滤波器实现时频误差的最优估计，过程噪声协方差和量测噪声协方差根据信道状态动态调整，能够适应不同信道条件下的估计需求，在低信噪比、高多普勒和高时延扩展条件下仍能保持良好的估计精度。通过基于指数加权移动平均的时频漂移预测方法，实现对时频漂移的前瞻性预测，使补偿从被动响应转变为主动预防，遗忘因子的自适应调整使预测模型在信道快速变化和缓慢变化时均能保持良好的性能。通过基于信道质量的多级时频补偿策略，根据综合信道质量指标分级响应，采用精细、标准、快速三种补偿模式，在保证补偿精度的同时兼顾补偿速度，实现精度与时效的平衡。通过闭环反馈与补偿效果验证机制，实现参数的动态自适应调整，补偿效果不达标时自动触发调整，连续达标时梯度恢复至默认值，保证系统的稳定性和鲁棒性。