一种分布式自组网节点的时间同步方法与流程

1.本发明涉及分布式自组网技术领域，具体是一种分布式自组网节点的时间同步方法。


背景技术：

2.在分布式自组网中，整个场景由一个时间基准节点a和n个普通节点b1、b2、b3、
……
、bn组成，为了完成后续的组网、测控等功能，首先网内所有节点需要进行时间同步。在卫星拒止环境下，现有常用的一种时间同步方案，是普通节点b1、b2、b3、
……
、bn分别依次与时间基准节点a进行时间对齐，以时间基准节点a的时钟为时间基准，分别依次调整节点b1、b2、b3、
……
、bn的本地时钟。
3.时间同步分为粗同步和精同步两部分，粗同步即时间基准节点a广播其本地时钟，普通节点b1、b2、b3、
……
、bn收到时间基准节点a的广播帧后直接修改本地时钟为时间基准节点a的时间，此时普通节点与时间基准节点之间的定时误差主要来源于距离差值。精同步即每个普通节点与时间基准节点分别进行双向时间比对，例如节点b1向时间基准节点a发射时间测量消息，时间基准节点a收到后向节点b1回复时间测量响应消息，节点b1收到后通过消息中时间信息的解析、记录，解算出时差，修正本地时间，消除距离带来的时差，将时间进一步对齐，完成精同步；普通节点b2、b3、
……
、bn的精同步步骤依此类推，直至全网所有普通节点依照时间基准节点a的时钟完成时间同步。
4.在分布式自组网中，快速同步是组网测控的第一步，对网络是否能成功组建起着关键作用，如果全网时间没有同步，将直接导致整个网络的混乱。目前针对分布式自组网全网时间同步的研究，大多基于点对点的时间同步方案，采用点对点的时间同步方案，普通节点b1、b2、b3、
……
、bn分别依次与时间基准节点a完成时间同步，耗时长、效率低，且随着网络规模增大，完成全网时间同步的耗时呈倍数上升。现有技术对于多节点的时间同步方法研究较为薄弱，在一定范围内检索，至今没有与分布式多节点的时间同步方法密切相关的报道，所以设计一种适用于分布式自组网节点的时间同步方法势在必行。


技术实现要素：

5.为克服现有技术的不足，本发明提供了一种分布式自组网节点的时间同步方法，解决现有技术存在的完成全网时间同步耗时长、效率低等问题。
6.本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
7.一种分布式自组网节点的时间同步方法，分布式自组网包括一个时间基准节点a和n个普通节点b1、b2、b3、
……
、bn，节点之间可以相互通信，将n个普通节点的依次精同步优化为一次精同步，使n个普通节点可以同时修正本地时间；其中，n≥2且n为整数。
8.作为一种优选的技术方案，包括以下步骤：
9.s1,时间粗同步：时间基准节点a按时间基准节点a自身本地时钟发射广播帧信号至普通节点b1、b2、b3、
……
、bn，普通节点b1、b2、b3、
……
、bn收到时间基准节点a的广播帧
后直接修改自身本地时钟为时间基准节点a的时间，完成时间粗同步；
10.s2，时间精同步：普通节点b1、b2、b3、
……
、bn通过解算出自身与时间基准节点a的时差的方式，修正自身的本地时间。
11.作为一种优选的技术方案，步骤s2包括以下步骤：
12.s21，普通节点b1、b2、b3、
……
、bn发射时间测量帧，记录下本地发射时间；
13.s22，时间基准节点a收到了节点b1、b2、b3、
……
、bn的时间测量帧后，分别记录到达时间，根据收到的节点数量，进行第二次广播帧信息的组装与发射；
14.s23，普通节点b1、b2、b3、
……
、bn收到时间基准节点a第二次发射的广播帧后，记录到达时间，提取时间基准节点a第二次发射的广播帧中的时间信息并进行解析，普通节点b1、b2、b3、
……
、bn各自解算出自身与时间基准节点a的时差，修正自身的本地时间，完成精同步。
15.作为一种优选的技术方案，步骤s21中，普通节点b1、b2、b3、
……
、bn发射时间测量帧时，采用的发射方式为：按照自身节点编号顺序依次发射、随机发射或竞争发射。
16.作为一种优选的技术方案，广播帧和时间测量帧均包括帧头部分和承载信息部分；其中，帧头部分采用直扩定频波形，用直接序列扩频方式在固定频点上发射伪随机码。
17.作为一种优选的技术方案，承载信息部分采用直扩跳频波形，用直接序列扩频方式随发射时间在不同的跳频频点上发射伪随机码。
18.作为一种优选的技术方案，帧头部分包括帧类型、帧长度，承载信息部分包含信息字段、校验位、空闲位。
19.作为一种优选的技术方案，信息字段由多个子字段拼接而成，每个子字段包含源节点编号、目的节点编号、时间位1、时间位2、时间位3；校验位用以对帧类型、帧长度及信息字段进行校验；空闲位用以作预留用。
20.作为一种优选的技术方案，帧类型占8bit，帧长度占8bit,源节点编号占8bit，目的节点编号占8bit，时间位1、时间位2、时间位3各占64bit，校验位占8bit，空闲位占16bit。
21.作为一种优选的技术方案，还包括以下步骤：
22.s3，新节点时间同步：对于迟入网的新节点，如果迟入网的新节点可以与时间基准节点a直接通信，则通过时间基准节点a发射的广播帧进行时间同步，并且在公共预留频点竞争入网；如果迟入网的新节点无法与时间基准节点a直接通信，则通过任意一个普通节点b1、b2、
……
、bn发送的时间测量帧进行解算，先完成新节点与该普通节点的时间同步，然后在公共预留频点进行两跳入网或多跳入网。
23.本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：
24.(1)本发明快速完成全网时间同步；本发明针对分布式自组网中，基于点对点的时间同步方案完成全网时间同步耗时长、效率低的问题，提供一种快速高效的分布式自组网节点的时间同步方法，时间基准节点在精同步的广播帧中拼接多个信息子字段将所有普通节点所需的时间信息一次发射出去，普通节点收到后提取广播帧中的时间信息并进行解析，各自解算出时差，修正本节点的本地时间；本发明将多个普通节点的依次精同步优化为一次精同步，各个节点可以同时修正本地时间，快速对齐时间基准节点，完成全网时间同步；
25.(2)本发明可容忍掉帧且掉帧后再次同步耗时短。本发明通过普通节点在精同步
时发射的时间测量帧中封装的源节点编号和时间位信息，可以与时间基准节点回复的第二次广播帧中跟本节点匹配的信息子字段对应上，因此普通节点只要正确收到第二次广播帧且记录下该帧到达本节点的时间，并提取出其中对应信息子字段中的时间位1、时间位2、时间位3进行解析，就能计算出本节点与时间基准节点的时间差，修正本节点的本地时间，完成精同步；并且在点对点的时间同步方案中，若某个普通节点精同步过程中出现掉帧，该节点只能等待其他普通节点精同步完成后，在下一周期轮到自己时重新发起精同步，轮询等待时间长；而本发明的多节点时间同步方法中，每次精同步时间基准节点会将所有普通节点的多个信息子字段拼接起来一次发射出去，各个节点可以同时完成时间精同步，所以若某个节点某次精同步过程中出现掉帧，只需要下一次重新发起时间测量帧并成功接收到时间基准节点发射的第二次广播帧就能完成精同步，掉帧后再次同步的等待时间大大减少；
26.(3)本发明逐级对齐时钟，缩短新节点入网时间。本发明针对迟入网且不能与时间基准节点直接通信的新节点，提出一种逐级对齐时钟的方案，新节点先通过当前网内任意一个普通节点发送的时间测量帧进行解算，首先完成新节点与该普通节点的时间同步，进行时间基准节点
→
普通节点
→
新节点的时钟逐级扩散，达到全网时间的收敛对齐，然后新节点再在公共预留频点进行两跳入网甚至多跳入网，解决了新节点由于不能直接与时间基准节点通信、没有完成时间同步跟不上直扩定频/直扩跳频的信息发射从而迟迟无法入网的问题。
附图说明
27.图1是本发明具体实施方式多节点时间同步方法步骤示意图；
28.图2是本发明中实施例2的广播帧和时间测量帧的波形及格式示意图；
29.图3是本发明中实施例3的时间位格式示意图；
30.图4是本发明中实施例5的新节点入网流程示意图；
31.图5为本发明所述一种高效可靠的分布式自组网节点的时间同步方法的步骤示意图。
具体实施方式
32.下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
33.实施例1
34.如图1至图5所示，本发明的目的是针对分布式自组网中完成全网时间同步耗时长、效率低的问题，提供一种高效可靠的分布式自组网节点的时间同步方法，以解决分布式自组网全网节点快速同步的问题。
35.本发明的上述目的以以下技术方案予以实现：
36.一种分布式自组网节点的时间同步方法，包括如下技术特征：
37.(1)分布式自组网节点的时间同步方法包含时间粗同步和时间精同步。
38.(1a)时间粗同步：分布式自组网由一个时间基准节点a和n个普通节点b1、b2、b3、
……
、bn组成，所有节点功能、性能完全相同，节点之间可以相互通信，时间基准节点a按节点自身本地时钟发射广播帧信号至节点b1～bn，普通节点b1、b2、b3、
……
、bn收到时间基
准节点a的广播帧后直接修改本地时钟为时间基准节点a的时间，完成时间粗同步。
39.(1b)时间精同步：普通节点b1、b2、b3、
……
、bn发射时间测量帧，可以按照自身节点编号顺序依次发射，也可随机或竞争发射，记录下本地发射时间；时间基准节点a收到了节点b1、b2、b3、
……
、bn的时间测量帧后，分别记录到达时间，根据收到的节点数量，进行第二次广播帧信息的组装与发射；普通节点b1、b2、b3、
……
、bn收到时间基准节点a第二次发射的广播帧后，记录到达时间，提取广播帧中的时间信息并进行解析，各自解算出时差，修正本节点的本地时间，完成精同步。
40.(2)广播帧和时间测量帧的波形一致，由帧头部分和承载信息部分两部分组成。帧头部分采用直扩定频波形，即用直接序列扩频方式在固定频点上发射伪随机码；承载信息部分采用直扩跳频波形，即用直接序列扩频方式随发射时间在不同的跳频频点上发射伪随机码。
41.(2a)帧头部分包含帧类型与帧长度，帧类型为1个字节即8bit，帧长度也为1个字节即8bit。帧类型分为广播帧和时间测量帧；帧长度是标记承载信息部分中信息字段的子字段数量。
42.(2b)承载信息部分包含信息字段、校验位和空闲位。信息字段由多个子字段拼接而成，每个子字段包含源节点编号、目的节点编号、时间位1、时间位2、时间位3，源节点编号和目的节点编号各为1个字节即8bit，每个时间位为8个字节即64bit；校验位对帧类型、帧长度及信息字段进行校验，占1个字节即8bit；空闲位作预留用，占2个字节即16bit，后续网络节点规模扩大或时间精度提高可以使用该空闲位扩充节点编号或时间位。
43.(3)对于迟入网的新节点c1、c2、
……
、cn等，如果可以与时间基准节点a直接通信，可以通过时间基准节点a发射的广播帧进行时间同步，并且在公共预留频点竞争入网；如果新节点无法与时间基准节点a直接通信，则可以通过任意一个普通节点b1、b2、
……
、bn发送的时间测量帧进行解算，先完成新节点与该普通节点的时间同步，然后在公共预留频点进行两跳入网甚至多跳入网。
44.本发明的关键点在于与点对点的时间同步方法中各个普通节点依次分别与时间基准节点完成时间对齐不同，本发明提供一种快速高效的分布式自组网节点的时间同步方法，时间基准节点在精同步的广播帧中拼接多个信息子字段将所有普通节点所需的时间信息一次发射出去，普通节点收到后提取广播帧中的时间信息并各自解算出时差，修正本节点的本地时间，将普通节点的多次精同步优化为一次精同步，各个节点可以同时修正本地时间，对齐时间基准节点，快速完成全网时间同步，且若出现掉帧情况，再次同步等待的时间大大缩短。
45.本发明与点对点的时间同步方法中精同步时普通节点发射时间测量信息只在本地记录发射时间不同，本发明通过普通节点在精同步时发射的时间测量帧中封装好源节点编号和时间位信息，可以与时间基准节点回复的第二次广播帧中跟本节点匹配的信息子字段对应上，因此普通节点只要正确收到第二次广播帧且记录下该帧到达本节点的时间，并提取出其中对应信息子字段中的各时间位进行解析，就能计算出本节点与时间基准节点的时间差，修正本节点的本地时间，完成精同步。
46.本发明针对新节点由于不能直接与时间基准节点通信、没有完成时间同步从而迟迟无法入网的问题，提出一种逐级对齐时钟的方案，进行时间基准节点
→
普通节点
→
新节
点的时钟逐级扩散，新节点先完成与当前网内任意一个普通节点的时间同步，达到全网时间的收敛对齐，然后再在公共预留频点进行两跳入网甚至多跳入网，缩短了新节点的入网时间。
47.实施例2
48.参阅图1。在一种分布式自组网节点的时间同步方法中，采用如下技术方案：
49.(1)分布式自组网节点的时间同步方法包含时间粗同步和时间精同步。
50.(1a)时间粗同步：分布式自组网由一个时间基准节点a和n个普通节点b1、b2、b3、
……
、bn组成，所有节点功能、性能完全相同，节点之间可以相互通信，时间基准节点a按节点自身本地时钟发射广播帧信号至节点b1～bn，普通节点b1、b2、b3、
……
、bn收到时间基准节点a的广播帧后直接修改本地时钟为时间基准节点a的时间，完成时间粗同步。
51.(1b)时间精同步：普通节点b1、b2、b3、
……
、bn发射时间测量帧，可以按照自身节点编号顺序依次发射，也可随机或竞争发射，记录下本地发射时间；时间基准节点a收到了节点b1、b2、b3、
……
、bn的时间测量帧后，分别记录到达时间，根据收到的节点数量，进行第二次广播帧信息的组装与发射；普通节点b1、b2、b3、
……
、bn收到时间基准节点a第二次发射的广播帧后，记录到达时间，提取广播帧中的时间信息并进行解析，各自解算出时差，修正本节点的本地时间，完成精同步。
52.(2)对于迟入网的新节点c1、c2、
……
、cn等，如果可以与时间基准节点a直接通信，可以通过时间基准节点a发射的广播帧进行时间同步，并且在公共预留频点竞争入网；如果无法与时间基准节点a直接通信，则可以通过任意一个普通节点b1、b2、
……
、bn发送的时间测量帧进行解算，先完成与该普通节点的时间同步，然后在公共预留频点进行两跳入网甚至多跳入网。
53.参阅图2。在一种分布式自组网节点的时间同步方法中，广播帧和时间测量帧的波形一致，由帧头部分和承载信息部分两部分组成。帧头部分采用直扩定频波形，即用直接序列扩频方式在固定频点上发射伪随机码；承载信息部分采用直扩跳频波形，即用直接序列扩频方式随发射时间在不同的跳频频点上发射伪随机码。
54.帧头部分包含帧类型与帧长度，帧类型为1个字节即8bit，帧长度也为1个字节即8bit。帧类型分为广播帧和时间测量帧；帧长度是标记承载信息部分中信息字段的子字段数量。
55.承载信息部分包含信息字段、校验位和空闲位。信息字段由多个子字段拼接而成，每个子字段包含源节点编号、目的节点编号、时间位1、时间位2、时间位3，源节点编号和目的节点编号各为1个字节即8bit，每个时间位为8个字节即64bit；校验位对帧类型、帧长度及信息字段进行校验，占1个字节即8bit；空闲位作预留用，占2个字节即16bit，后续网络节点规模扩大或时间精度提高可以使用该空闲位扩充节点编号或时间位。
56.实施例3
57.使用场景同实施例2。在实施例2的帧格式中：
58.帧类型为1个字节即8bit，可表示256种帧类型，在本发明的实施场景中，目前只分为广播帧和时间测量帧；
59.帧长度为1个字节即8bit，标记承载信息部分中信息字段的子字段数量，最大可表示255个子字段数量；
60.信息字段中每个子字段为26个字节即208bit，其中源节点编号和目的节点编号均为1个字节即8bit，可表示编号0～254(255号表示广播)。时间位为8个字节即64bit，参阅图3。其中皮秒占10bit，表示0～999ps；微秒占10bit，表示0～999us；毫秒占10bit，表示0～999ms；秒占6bit，表示0～59s；分占6bit，表示0～59min；时占5bit，表示0～23h；日占17bit，可表示0～131071天，约为360年；
61.校验位占1个字节即8bit，对帧类型、帧长度及信息字段进行校验；
62.空闲位作预留用，占2个字节即16bit，后续网络节点规模扩大或时间精度提高可以使用该空闲位扩充节点编号或时间位。
63.实施例4
64.使用场景同实施例2～实施例3。分布式自组网由一个时间基准节点a和n个普通节点b1、b2、b3、
……
、bn组成，所有节点功能、性能完全相同，节点之间可以相互通信。
65.时间基准节点a首先发射广播帧信号至节点b1～bn，帧类型填入0，表示广播帧；帧长度填入1，表示承载信息部分中信息字段的子字段数量为1；信息字段中只包含1个子字段，其源节点编号填入0，表示时间基准节点；目的节点编号填入255，表示广播地址；时间位1填入时间基准节点a的当前本地时间；时间位2和时间位3填入0；校验位对帧类型、帧长度及信息字段进行和校验后填入结果；空闲位填入0。
66.普通节点b1、b2、b3、
……
、bn收到时间基准节点a的广播帧后首先判断帧类型、源节点编号及目的节点编号是否为时间基准节点a的广播帧，若是则对帧类型、帧长度及信息字段进行和校验，如果结果与校验位不一致则直接丢弃该帧，一致则取出时间位1的时间信息并将其直接修改为本地时钟的时间，完成时间粗同步。此时普通节点b1～bn与时间基准节点a之间的定时误差主要来源于距离差值。
67.普通节点b1、b2、b3、
……
、bn完成时间粗同步后发射时间测量帧，可以按照自身节点编号顺序依次发射，也可随机或竞争发射，记录下本地发射时间。帧类型填入1，表示时间测量帧；帧长度填入1，表示承载信息部分中信息字段的子字段数量为1；信息字段中只包含1个子字段，其源节点编号填入本节点编号(1～n，n不超过254)；目的节点编号填入0，表示时间基准节点；时间位1填入本节点的当前本地时间；时间位2和时间位3填入0；校验位对帧类型、帧长度及信息字段进行和校验后填入结果；空闲位填入0。
68.时间基准节点a收到了普通节点b1、b2、b3、
……
、bn的时间测量帧后，首先判断帧类型、源节点编号及目的节点编号是否为普通节点b1～bn的时间测量帧，若是则对帧类型、帧长度及信息字段进行和校验，如果结果与校验位不一致则直接丢弃该帧，一致则分别记录该时间测量帧的到达时间，填入时间位2，然后根据收到的时间测量帧数量，进行第二次广播帧信息的组装与发射。帧类型填入0，表示广播帧；帧长度填入实际收到的时间测量帧数量，表示承载信息部分中信息字段的子字段数量；信息字段即为刚才收到的各个时间测量帧中信息字段的子字段按源节点编号由小到大顺序依次拼接起来，各子字段的时间位3填入时间基准节点a发射第二次广播帧的本地时间；校验位对帧类型、帧长度及信息字段进行和校验后填入结果；空闲位填入0。
69.普通节点b1、b2、b3、
……
、bn收到时间基准节点a第二次发射的广播帧后，判断帧类型、源节点编号及目的节点编号是否为时间基准节点a的第二次广播帧，若是则对帧类型、帧长度及信息字段进行和校验，如果结果与校验位不一致则直接丢弃该帧，一致则记录
该广播帧的到达时间(假设为t4)，并取出信息字段中源节点编号与本节点编号一致的子字段，分别记录下时间位1(假设为t1)、时间位2(假设为t2)、时间位3(假设为t3)的时间信息，然后根据公式解算出本节点与时间基准节点的时间差δt＝[(t2-t1)-(t4-t3)]/2，修正本节点的本地时间，完成时间精同步。
[0070]
至此分布式自组网的全网所有成员完成了时间同步。
[0071]
实施例5
[0072]
使用场景同实施例2～实施例4。参阅图4，图4中时间基准节点a为时间基准节点，节点b1、b2、b3、b4为普通节点，节点c1、c2为新入网节点。节点b1、b2、b3、b4、c1可以与时间基准节点a直接通信，节点c2只能与节点b2直接通信。
[0073]
对于迟入网的新节点c1，如果可以与时间基准节点a直接通信，可以通过时间基准节点a发射的广播帧进行时间同步，具体的时间同步方法同实施例3，然后在公共预留频点竞争入网。
[0074]
如果迟入网的新节点c2无法与时间基准节点a直接通信，则可以通过普通节点b2发送的时间测量帧进行解算，首先完成新节点c2与该普通节点b2的时间同步，进行时间基准节点
→
普通节点
→
新节点的时钟逐级扩散。
[0075]
即新节点c2接收到普通节点b2的时间测量帧后，首先判断帧类型、源节点编号及目的节点编号是否为普通节点b2的时间测量帧，若是则对帧类型、帧长度及信息字段进行和校验，如果结果与校验位不一致则直接丢弃该帧，一致则取出时间位1的时间信息并将其直接修改为本地时钟的时间。
[0076]
然后新节点c2发射时间测量帧，帧类型填入1，表示时间测量帧；帧长度填入1，表示承载信息部分中信息字段的子字段数量为1；信息字段中只包含1个子字段，其源节点编号填入本节点编号(1～n，n不超过254)；目的节点编号填入普通节点b2的编号；时间位1填入本节点的当前本地时间；时间位2和时间位3填入0；校验位对帧类型、帧长度及信息字段进行和校验后填入结果；空闲位填入0。
[0077]
普通节点b2收到了新节点c2的时间测量帧后，首先判断帧类型、源节点编号及目的节点编号是否为新节点c2的时间测量帧，若是则对帧类型、帧长度及信息字段进行和校验，如果结果与校验位不一致则直接丢弃该帧，一致则记录该时间测量帧的到达时间，填入时间位2，然后根据收到的时间测量帧数量，进行第二次广播帧信息的组装与发射。帧类型填入0，表示广播帧；帧长度填入实际收到的时间测量帧数量，表示承载信息部分中信息字段的子字段数量；信息字段即为刚才收到的各个时间测量帧中信息字段的子字段按源节点编号由小到大顺序依次拼接起来，各子字段的时间位3填入普通节点b2发射第二次广播帧的本地时间；校验位对帧类型、帧长度及信息字段进行和校验后填入结果；空闲位填入0。
[0078]
新节点c2收到普通节点b2第二次发射的广播帧后，判断帧类型、源节点编号及目的节点编号是否为普通节点b2的第二次广播帧，若是则对帧类型、帧长度及信息字段进行和校验，如果结果与校验位不一致则直接丢弃该帧，一致则记录该广播帧的到达时间(假设为t4)，并取出信息字段中源节点编号与本节点编号一致的子字段，分别记录下时间位1(假设为t1)、时间位2(假设为t2)、时间位3(假设为t3)的时间信息，然后根据公式解算出本节点c2与普通节点b2的时间差δt＝[(t2-t1)-(t4-t3)]/2，修正本节点的本地时间，完成时间精同步。
[0079]
至此分布式自组网的全网所有成员逐步达到全网时间的收敛对齐，然后新节点c2再在公共预留频点进行两跳入网甚至多跳入网。
[0080]
如上所述，可较好地实现本发明。
[0081]
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
[0082]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。