专利名称：一种gps授时脉冲在中高速传感器网络中的应用方法
技术领域：
本发明属无线通信技术领域，特别是涉及一种GPS授时脉冲在中高速传感器网络中的应用方法。
背景技术：
传感器网络是未来泛在网络的重要有机组成部分，近年来获得迅速发展。针对传感器网络应用多样、异构互联、协同感知等特点，具有高可扩展能力、异构适应能力、高兼容性等的三层体系架构是决定传感器网络技术细节和发展趋势的关键。中高速传感器网络是三层体系架构中的核心中间层。主要面向传感数据业务流量较大、节点资源受限问题相对缓解的高端传感节点组网互联，并解决传感网的中远程覆盖和无基础设施下传感网络覆盖。中高速传感网不是简单的通信传输网络，除要求具备任务驱动组网、中高速传输等能力夕卜，并要求实现与底层低功耗传感网的协同、融合，实现大尺度范围内中高速传感网节点间的协同信息分发，实现热点感知区域的动态跟踪，以及全局时统等。全球定位系统(GPQ是指20世纪70年代由美国开始研制的新一代空间卫星导航定位系统，经过30多年的发展，该技术已经非常成熟可靠。由于GPS技术具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。目前，GPS的主要用途有1)为船舶，汽车，飞机等运动物体进行定位导航定位和导航；幻在电力，邮电，通讯等网络的时间同步。低功耗传感器网络由于受到四大受限的影响(能源受限、通信受限、计算受限、存储受限)，通常不具备GPS接收器，网络时间同步的典型算法有TPSN算法，FTSP算法，DMTS 算法和RBS算法等，这些算法复杂度高，同步时间长，精度较低，目前仅停留在理论研究阶段。中高速传感器网络对节点处理能力要求较高而对功耗要求相对降低，GPS接收器也因此得到较多的应用。目前最主要的应用仅仅局限于网络内的时间同步，并不涉及帧信号检测和自动频率偏移修正。而通常情况下，这两部分是接收设备中复杂度较高的模块，往往需要投入大量的人力和消耗较多的硬件资源。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种GPS授时脉冲在中高速传感器网络中的应用方法，利用GPS授时脉冲在中高速传感器网络中的普遍性和易用性，提出了简单的多用户时分复用结构，简化了时间同步和频率同步算法，增加了节点位移估计功能，大大节省了硬件资源和人力资源。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种GPS授时脉冲在中高速传感器网络中的应用方法，包括相互连接的GPS接收器，多用户时分复用装置，辅助帧同步信号检测装置，自动频率偏移修正装置和节点位移估计装置，所述的GPS接收器，用来接收 GPS的同步时间信息，并提供校准后的授时脉冲；所述的多用户时分复用装置用来实现中高速传感网内的全网同步，采用两层结构将用户分为群节点和普通节点，每个群节点允许占用超帧群中的一个或多个超帧，每个普通节点允许超帧中的由一个或多个帧；所述的辅助帧同步信号检测装置通过GPS授时脉冲的粗同步和PN序列相关运算的精同步结合来实现数据帧的捕获；所述的自动频率偏移修正装置产生幅值数据，经过DA变换后生成电压信号来控制系统晶振，完成频率同步；所述的节点位移估计装置面向应用，通过计算GPS授时脉冲与实际的起始时刻之间的时间差来估算发送设备和接收设备之间的距离。所述的多用户时分复用装置由本地定时器，复位器，超帧群状态控制器，超帧状态控制器和帧状态控制器组成，所述的本地定时器由若干个子定时器组成，子定时器级联完成一次超帧群的组帧和传输；所述的复位器用来接收GPS授时脉冲，并根据授时脉冲的到来时间复位所有子定时器，使得中高速传感器网络内所有接收机保持同步；所述的超帧群状态控制器用来建立超帧群结构和状态跳转；所述的超帧状态控制器用来建立超帧结构和状态跳转；所述的帧状态控制器用来建立帧结构和状态跳转，及中断信号、RF控制状态的产生。所述的辅助帧同步信号检测装置由粗同步估计器和同步信号检测器组成；所述的粗同步估计器，利用GPS授时脉冲估计帧起始时刻，通过反馈算法逐步逼近正确的帧起始时刻的方法，其首先利用GPS授时脉冲来校准本地定时器，由所述的帧状态控制器给出粗同步时间范围，然后根据所述的同步信号检测器给出的精确同步时刻修正粗同步时间范围；所述的同步信号检测器，根据所述的粗同步估计器给出的帧起始时刻，用帧训练序列与本地存储的PN码序列做卷积运算，依次输出相关运算结果，并调用最值搜索算法，通过计算最值点的分布确定精确同步时间。所述的自动频率偏移修正装置由本地时间误差估计器，时间幅度转换器和数字环路滤波器组成，所述的本地时间误差估计器用来估计本地时间和GPS授时时间之间的误差；所述的时间幅度转换器用来将本地时间误差估计器估算出来的误差值转换成幅度值， 经过DA转换用来控制晶振压控端的电压；所述的数字环路滤波器用来平滑所述时间幅度转换器输出的幅度值，减少晶振的抖动，降低带内和带外噪声，维持环路的稳定性。所述的节点位移估计装置由收发时间偏差估计器和乘法器组成，所述的估计装置粗略估算出节点离接收机的大致距离；所述的收发偏差估计器，通过GPS授时脉冲和精确同步信号位置估计出收发时刻的偏差值；通过时延偏差和电磁波传播速度相乘，估算出节点离接收机的大致距离。有益效果本发明利用GPS授时脉冲在中高速传感器网络中的普遍性和易用性，提出了简单的多用户时分复用结构，简化了时间同步和频率同步算法，增加了节点位移估计功能，并提高时间和频率同步的精度，大大节省了硬件资源和人力资源。
图1为本发明的应用框图。图2为本发明多用户帧结构划分图。图3为本发明多用户时分复用装置示意图。图4为本发明辅助帧同步信号检测装置示意图。
图5为本发明自动频率偏移修正装置示意图。图6为本发明节点位移估计装置示意图。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。如图1-3所示，本发明有效的利用GPS授时脉冲，至少包括以下四个装置多用户时分复用装置、辅助帧同步信号检测装置、自动频率偏移修正装置和节点位移估计装置。多用户时分复用装置用来实现中高速传感网内的全网同步；辅助帧同步信号检测装置通过 GPS授时脉冲的粗同步和PN序列相关运算的精同步结合来实现数据帧的捕获；自动频率偏移修正装置产生幅值数据，经过DA变换后生成电压信号来控制系统晶振，完成频率同步； 节点位移估计装置面向应用，通过计算GPS授时脉冲与实际的起始时刻之间的时间差来估算发送设备和接收设备之间的距离，而无需GIS系统的帮助。所述的多用户时分复用装置由一个本地定时器，一个复位器，一个超帧群状态控制器，一个超帧状态控制器和一个帧状态控制器组成。所述的本地定时器由接收机中的最高时钟作为定时器的主时钟，并根据帧结构和超帧结构划分成多个子定时器，每个子定时器都是一个计数器，当前子定时器计数完成后会触发下一个子定时器，多个子定时器级联完成一次超帧群、超帧、帧的组帧和解帧。所述的复位器由触发器和选择器组成，触发器接收GPS授时脉冲，并生成本地复位逻辑，选择器根据系统对复位周期的要求选择性的输出本地复位信号。复位器与本地定时器相连，通过复位所有子定时器使得网内所有接收机保持同步。所述的超帧群状态控制器、超帧状态控制器和帧状态控制器为三个互相包含的Moore型状态机，超帧群状态机共用三个状态，超帧群保护间隔一超帧一超帧保护间隔一超帧……一超帧群保护间隔。超帧状态机也有三个状态，超帧保护间隔一帧一帧保护间隔一帧……一超帧保护间隔。帧状态机有五个状态，帧保护间隔一帧头一控制子帧一……一业务子帧一帧尾一帧保护间隔。本地定时器和所述的三种状态机结合生成必须的控制信令。对于发送状态，主要包括中断的产生，存储、编码和调制的开始，RF相关状态控制；对于接收状态，主要包括中断的产生，捕获、解调、解码和存储的开始，RF相关状态控制。图4所示，所述的辅助帧同步信号检测装置由一个粗同步估计器和一个同步信号检测器组成。所述的粗同步估计器由一组存储器，一组减法器和一个比较器组成。首先由GPS 授时脉冲来校准本地定时器，并通过帧状态控制器给出粗同步时间范围，并将不同节点的粗同步时间范围存入一组存储器作为初值，然后根据所述的同步信号检测器给出的不同节点的精确同步时刻和卷积运算的延时时间相减来更新存储器的值。比较器的两路输入是存储器的原始数据和本次得到的更新数据，如果两者之差超出预设值，则认为本次同步信号检测器输出结果有误，保留原始数据。所述的同步信号检测器包括相关运算单元和最值搜索单元，根据所述的粗同步估计器给出的帧起始时刻，相关运算单元用帧训练序列与本地存储的PN码序列做卷积运算，依次输出相关运算结果，并调用最值搜索单元，通过计算比较最值点的分布确定不同节点的精确同步时间。图5所示，所述的自动频率偏移修正装置由一个本地时间误差估计器，一个时间幅度转换器和一个数字环路滤波器组成。所述的本地时间误差估计器的两路输入为GPS授时脉冲和本地定时器产生的估计脉冲，通过减法器得到两者之间的差值Tdelay。所述的时间幅度转换器用来将估算出来的误差值转换成幅度值，由乘加单元构成，Acov = Aref+k*Tdelay，其中Aref为转换初值，为转换系数，是一个测量值。所述的数字环路滤波器用来平滑所述时间幅度转换器输出的幅度值，减少晶振的抖动，降低带内和带外噪声，维持环路的稳定性，其表达式为Afilter = (1-α「α 2) *AC0V+ α ^A' filter+ α 2*A〃 filter其中α i和α 2为环路滤波器系数，A' filter为t_l时刻输出值，A" filter为t_2时刻输出值。Afilte经过DA转换后用来控制晶振压控端的电压。经过实际测试，系统稳定后可将频率误差控制在10-8量级的水平，从而能有效的保证系统长时间稳定工作。图6所示，所述的节点位移估计装置由一个收发时间偏差估计器和一个乘法器组成。所述的收发偏差估计器，通过GPS授时脉冲，保证帧发送时刻是已知的，并由所述的同步信号检测器得到精确同步位置，和卷积运算延时相减得到帧接收时刻，再和发送时刻相减得到收发时刻的偏差值TdCT。Distance = TdCT*Vware，通过乘法器可以估算出节点离接收机的大致距离。
权利要求
1.一种GPS授时脉冲在中高速传感器网络中的应用方法，包括相互连接的GPS接收器， 多用户时分复用装置，辅助帧同步信号检测装置，自动频率偏移修正装置和节点位移估计装置，其特征在于所述的GPS接收器，用来接收GPS的同步时间信息，并提供校准后的授时脉冲；所述的多用户时分复用装置用来实现中高速传感网内的全网同步，采用两层结构将用户分为群节点和普通节点，每个群节点允许占用超帧群中的一个或多个超帧，每个普通节点允许占用超帧中的由一个或多个帧；所述的辅助帧同步信号检测装置通过GPS授时脉冲的粗同步和PN序列相关运算的精同步结合来实现数据帧的捕获；所述的自动频率偏移修正装置产生幅值数据，经过DA变换后生成电压信号来控制系统晶振，完成频率同步；所述的节点位移估计装置面向应用，通过计算GPS授时脉冲与实际的起始时刻之间的时间差来估算发送设备和接收设备之间的距离。
2.根据权利要求1所述的一种GPS授时脉冲在中高速传感器网络中的应用方法，其特征在于所述的多用户时分复用装置由本地定时器，复位器，超帧群状态控制器，超帧状态控制器和帧状态控制器组成，所述的本地定时器由若干个子定时器组成，子定时器级联完成一次超帧群的组帧和传输；所述的复位器用来接收GPS授时脉冲，并根据授时脉冲的到来时间复位所有子定时器，使得中高速传感器网络内所有接收机保持同步；所述的超帧群状态控制器用来建立超帧群结构和状态跳转；所述的超帧状态控制器用来建立超帧结构和状态跳转；所述的帧状态控制器用来建立帧结构和状态跳转，及中断信号、RF控制状态的产生。
3.根据权利要求1所述的一种GPS授时脉冲在中高速传感器网络中的应用方法，其特征在于所述的辅助帧同步信号检测装置由粗同步估计器和同步信号检测器组成；所述的粗同步估计器，利用GPS授时脉冲估计帧起始时刻，通过反馈算法逐步逼近正确的帧起始时刻的方法，其首先利用GPS授时脉冲来校准本地定时器，由所述的帧状态控制器给出粗同步时间范围，然后根据所述的同步信号检测器给出的精确同步时刻修正粗同步时间范围；所述的同步信号检测器，根据所述的粗同步估计器给出的帧起始时刻，用帧训练序列与本地存储的PN码序列做卷积运算，依次输出相关运算结果，并调用最值搜索算法，通过计算最值点的分布确定精确同步时间。
4.根据权利要求1所述的一种GPS授时脉冲在中高速传感器网络中的应用方法，其特征在于所述的自动频率偏移修正装置由本地时间误差估计器，时间幅度转换器和数字环路滤波器组成，所述的本地时间误差估计器用来估计本地时间和GPS授时时间之间的误差；所述的时间幅度转换器用来将本地时间误差估计器估算出来的误差值转换成幅度值， 经过DA转换用来控制晶振压控端的电压；所述的数字环路滤波器用来平滑所述时间幅度转换器输出的幅度值，减少晶振的抖动，降低带内和带外噪声，维持环路的稳定性。
5.根据权利要求1所述的一种GPS授时脉冲在中高速传感器网络中的应用方法，其特征在于所述的节点位移估计装置由收发时间偏差估计器和乘法器组成，所述的估计装置粗略估算出节点离接收机的大致距离；所述的收发偏差估计器，通过GPS授时脉冲和精确同步信号位置估计出收发时刻的偏差值；通过时延偏差和电磁波传播速度相乘，估算出节点离接收机的大致距离。
全文摘要
本发明涉及一种GPS授时脉冲在中高速传感器网络中的应用方法，包括中高速传感器网络多用户时分复用装置，通过GPS授时脉冲进行全网同步并划分超帧时隙；辅助帧同步信号检测装置，通过GPS授时脉冲进行帧信号预检测，简化帧同步检测算法；自动频率偏移修正装置，通过计算本地定时系统与卫星定时系统之间的差值，控制晶振的压控输出，修正频率偏差；节点位移估计装置，通过检测不同节点的同步信号位置，结合GPS授时脉冲，估计节点与接收机的位移。本发明利用GPS授时脉冲在中高速传感器网络中的普遍性和易用性，提出了简单的多用户时分复用结构，简化了时间同步和频率同步算法，增加了节点位移估计功能，大大节省了硬件资源和人力资源。
文档编号H04W56/00GK102547965SQ20111043626
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月22日 优先权日2011年12月22日
发明者施玉松, 朱磊基, 汪涵, 高丹 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所