一种紫外光通信网络时钟同步系统及方法与流程

本发明属于无线自组通信局域网络时钟同步技术领域，尤其涉及一种紫外光通信网络时钟同步系统及方法。

背景技术：

紫外光通信数据传输保密性高，抗干扰能力强，可用于非视距隐蔽地形复杂环境的通信。由于日盲波段的紫外光单级通信距离半径有限，要达到一定距离范围内的通信目的，就必须自组建具有中继功能的局域网络紫外光通信系统。该系统便于单兵携带，适合于军事、安全、救灾、消防等领域小分队通信。紫外光通信倍受国内外极大关注，已成为通信领域研究开发的热门之一，随着紫外光通信技术的不断完善，应用普及指日可待。由于无线自组网络应用环境的多样性，温度变化、电磁干扰、振荡器老化和生产调试等原因，本地时钟与基准时钟存在误差，且不同的应用环境具有不同的时钟同步要求，没有一种时钟同步协议可以适应各种环境，在分析了紫外光通信网络应用环境的特殊性基础上，结合不同的adhoc网络应用探讨了军事应用态势感知信息和指挥控制信息是战术互联网的特殊性，节点间存在着比较大的时钟偏差，将会导致对战场态势以及战场命令的理解错误，严重的会影响战争结果，由此可见时钟同步是adhoc网络技术研究的重要问题，一种紫外光通信网络时钟同步系统及方法从设计、配置到具体应用的各个阶段，都是在详细分析网络时钟同步问题的基础上依靠一定的时钟同步策略来解决的。

综上所述，现有技术存在的问题是：由于无线自组网络应用环境的多样性，温度变化、电磁干扰、振荡器老化和生产调试等原因，本地时钟与基准时钟存在误差。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种紫外光通信网络时钟同步系统及方法。

本发明是这样实现的，一种紫外光通信网络时钟同步方法，所述紫外光通信网络时钟同步方法包括以下步骤：

第一步，以主机本地时钟源为基准时钟，将网络ntp时钟同步协议、aodv路由协议、定量预测法优化融合，按照路径发现过程实现主机分别与第一级中间副机、第二级中间副机、n级中间副机至止目的副机进行时间信息交互。

第二步，根据副机收到主机t4时刻的传输延时预测值、时钟偏差预测值，调校副机时钟使其与主机时钟同步，完成紫外光通信多跳网络上每个通信副机与主机时钟同步。

进一步，所述紫外光通信网络时钟同步方法具体包括以下步骤：

步骤一，在aodv路由协议的原始数据结构中增加是否完成同步标志f；

步骤二，主机通过紫外光通信信号向在紫外光单级传输距离范围内的第一级中间副机广播分组发送路由请求rreq报文，根据本地时钟记录发送时刻为t1，第一级中间副机首先判断是否是在规定时间间隔内首次接收来自主机的路由请求rreq报文，否，则丢弃路由请求rreq报文；是，根据本地时钟记录收到时刻为t12，解析路由请求rreq报文获得t1，则建立到主机的反向路由，设置变量f的值为flase，表明第一级中间副机与主机虽然建立了路径但未实现时钟同步，第一级中间副机若发现路由请求rreq报文地址不是发给本副机的，又没有目的副机的信息时，就会等待第一级中间副机与主机完成时钟同步后，再根据网络拓扑信息继续向相邻第二级中间副机中继广播分组发送路由请求rreq报文，此路由需要保存到路由请求rreq穿越网络直到目的副机路由应答rrep反馈到主机为止；

步骤三，主机将时间信息t14插入delayresp报文中发至第一级中间副机，第一级中间副机解析delayresp报文获得t14，根据网络ntp时钟同步协议中时间信息(t1、t12、t13、t14)与时钟偏差、传输延时关系式，推导出公式σ＝(t12－t1)－(t14－t13)/2；d＝(t12－t1)+(t14－t13)/2。式中σ为时钟偏差，d为传输时延，采用定量预测法中一次指数平滑优化处理σ、d数值，st+1＝αyt+(1－α)st，式中st+1为σ或d在(t+1)时刻预测值，yt为σ或d在t时刻实际值，st为σ或d在t时刻预测值，α为平滑常数，其取值范围在[0，1]，并获得第一级中间副机收到主机t14时刻信息即t+1时刻的传输延时预测值dt+1、时钟偏差预测值σt+1，执行校准函数公式s(t)＝t+dt+1+σt+1，s(t)为第一级中间副机收到主机t14时刻信息的校准时间，实现第一级中间副机与主机基准时钟同步；

步骤四，第二级中间副机根据本地时钟记录收到第一级中间副机中继的路由请求rreq报文时刻为t22，发出路由应答rrep报文时刻为t23，主机根据本地时钟记录收到第二级中间副机反馈的路由应答rrep报文时刻为t24；按步骤三主机将时间信息t24插入delayresp报文中发至第二级中间副机，第二级中间副机根据网络ntp时钟同步协议中时间信息(t1、t22、t23、t24)与时钟偏差、传输延时关系式，推导出公式σ＝(t22－t1)－(t24－t23)/2；d＝(t22－t1)+(t24－t23)/2。采用定量预测法中一次指数平滑优化处理σ、d数值，并获得第二级中间副机收到主机t24时刻信息即t+1时刻的传输延时预测值dt+1、时钟偏差预测值σt+1，执行校准函数公式s(t)＝t+dt+1+σt+1，实现第二级中间副机与主机基准时钟同步；同理，直至目的副机与主机基准时钟同步。

进一步，所述步骤一具体包括：

stuctrt_entry

{in_addrrt_nexttip；∥下一中间副机地址

boolrt_flag；∥标志位

in_addrre_dst；∥目的副机地址

charrt_nextmac[б]；

intrt_hop；∥中继次数

in_addrrt_prelist[10]；∥上一中间副机地址

re_entrylink；∥指向激活的相邻中间副机

synchronizationflag：∥同步完成标志f

其次在aodv路由协议中路由请求rreq分组定义基础上增加主机发出报文的本地时钟标记字段t1。

本发明的另一目的在于提供紫外光通信网络时钟同步系统包括：

一个主机和若干个副机；

所述主机是主动通信作用的设备；

所述副机即从动或中继通信作用的设备；

所述副机包括目的副机和中间副机；

所述主机与副机均由控制管理单元、发射单元、接收单元和电源管理单元组成，控制管理单元是核心单元，通过总线分别与发射单元、接收单元相连，电源管理单元向各单元提供直流电能支持，主机与副机都具有通信路由的建立和信息接收、发射的功能。

进一步，所述控制管理单元由arm为主处理器、fpga为从处理器、cpu控制器、对外接口组成；arm主处理器分别与fpga从处理器连接负责协调、处理、控制各单元，与cpu控制器连接负责时钟同步，通过对外接口实现人机交互。

arm，用于负责网络层信息处理、mac层信息处理，协调处理控制管理单元各模块工作，实现信息转发接收、路由建立、时间记录、信息整理等；

fpga，用于负责物理层信息处理，实现arm与接收、发射单元的信息交互，具有信息缓存、分时提取、解调、信道编码、报文调制、控制接收单元、发射单元收发数字报文信息；

cpu控制器，由计算模块、定量预测法模块、时钟同步模块、rtc时钟组成。cpu根据网络ntp时钟同步协议及定量预测法对收发信息时间进行逻辑运算、执行本地rtc时钟频率调节、克服晶振漂移与主机基准时钟源同步；

进一步，所述接收单元由光学集光器、自制紫外光探测器、可变增益放大器、带通滤波器、数模转换模块、对外接口组成；自制紫外光探测器是接收单元的核心器件，载有信息的紫外光通过光学集光器收集、再通过自制紫外光探测器光电转换、可变增益放大器信号放大、带通滤波器滤波、最后通过模数转换模块进行模数信号转换。

可变增益放大器，用于使电信号增益放大；

带通滤波器，用于去除杂散光；

模数转换模块，用于将模拟电信号转换为数字信号，模数转换后的数字信息经fpga物理层解调、解码、缓存，arm在得到帧结束信号后，向fpga缓存器中读取数字信息，mac协议对收到的数字信息进行去掉报头、重组分段信息、数字报文帧处理，然后提取有用数字信息给aodv路由协议分析，arm根据aodv路由协议分析结果对数字信息实施路由建立、中继转发、信息反馈，cpu时钟同步流程处理。

进一步，所述发射单元由光电耦合器、高速开关、阵列紫外led光源模块组成；阵列紫外led光源模块是发射单元主要部件，受控的高速开关调节光电耦合器实现阵列紫外led光源模块发射紫外光信号。

光电耦合器加载到紫外led驱动基准电源上，调节阵列紫外led光源模块的发射时序，控制阵列紫外led光源模块发射耦合直流脉冲信号的紫外光信号。

进一步，所述电源管理单元由高能量锂离子电池、直流调压器、充电接口组成；高能量锂离子电池通过充电接口接收外电源电能补充，输出的直流电经过直流调压器调压向各单元提供多电压的直流电源。

高能量锂离子电池具有供电、充电功能，一部分调压直流电供给阵列紫外led发射的驱动基准电源，一部分经降压后3.3v直流电供给各单元电路使用电源，通过充电接口与外电源实现补充电能。

本发明的另一目的在于提供一种应用任意一项所述紫外光通信网络时钟同步方法的局域网。

本发明的优点及积极效果为：采用主从式adhoc网络拓扑结构组成整个时钟同步系统，以主机本地时钟源为基准时钟，将网络ntp时钟同步协议、aodv路由协议、定量预测法优化融合，从而完成紫外光通信多跳网络上每个通信副机分别与主机时钟同步，实现了全网时钟同步精度要求在5ms级范围内。本发明均衡了主机与副机的能量耗费，减少了网络中信息传输次数，降低了网络负载及信息传输冲突概率，保证了全网时钟同步精度，特别适合军事小分队通信。

附图说明

图1是本发明实施例提供的紫外光通信网络时钟同步系统结构示意图；

图中：1、主机；2、副机。

图2是本发明实施例提供的紫外光通信网络时钟同步方法流程图。

图3是本发明实施例提供的主机时钟与副机时钟收发信息时序图。

图4是本发明实施例提供的主机与第一级中间副机时钟同步方法流程图。

图5是本发明实施例提供的主机与第二级中间副机时钟同步方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的紫外光通信网络时钟同步系统包括：主机1、副机2。

本发明实施例提供的紫外光通信网络时钟同步系统包括一个主机1和若干个副机2，所述主机1即是发挥主动通信作用的设备，所述副机2即是发挥从动或中继通信作用的设备，副机2包括目的副机和中间副机，主机1与副机2均由控制管理单元、发射单元、接收单元、电源管理单元组成，都具有通信路由的建立和信息接收、发射的功能，在不同的通信时段主机与副机是可以角色转换。

所述控制管理单元由arm为主处理器、fpga为从处理器、cpu控制器、对外接口组成。以arm为主处理器，fpga为从处理器。arm是整个系统核心处理器，负责协调处理控制管理单元各模块工作，arm中配备经过裁剪和修改后包括基本网络体系结构和netfilter过滤器的linux操作系统，该系统能够使arm实现aodv路由协议和通过用户编程实现ieee802.11mac协议，完成信息处理流程中继转发、路由建立、时间记录、信息整理、等。fpga负责arm与接收、发射单元的信息交互，并具有信息缓存、分时提取通过物理层解调、信道编码、报文调制、控制接收单元、发射单元收发数字报文信息，cpu控制器由计算模块、定量预测法模块、时钟同步模块、rtc时钟组成。cpu根据网络ntp时钟同步协议及定量预测法对收发信息时间进行逻辑运算、执行本地rtc时钟频率调节、克服晶振漂移与主机基准时钟源同步。rtc时钟由频率50mhz的有源晶振构成，时钟周期配置20ns，为系统提供本地时间。arm、fpga、cpu之间通过数据总线、地址总线连接进行通信。

所述的接收单元由光学集光器(透镜和sb-af紫外滤光片组成)、自制紫外光探测器、可变增益放大器(vga)、带通滤波器(bpf)、数模转换模块(adc)、对外接口(wifi接口、蓝牙接口、usb接口)组成，负责信息接收。外机发射来的微弱紫外光经光学集光器收集、自制紫外光探测器检测、光电信号转换、去除直流偏置信号、可变增益放大器(vga)使电信号增益放大、带通滤波器(bpf)去除杂散光、模数转换(adc)模块将模拟电信号转换为数字信号，模数转换后的数字信息经fpga物理层解调、解码、缓存，arm在得到帧结束信号后，向fpga缓存器中读取数字信息，mac协议对收到的数字信息进行去掉报头、重组分段信息、数字报文帧等处理，然后提取有用数字信息给aodv路由协议分析，arm根据aodv路由协议分析结果对数字信息实施路由建立、中继转发、信息反馈，cpu时钟同步等流程处理。

所述的发射单元由光电耦合器、高速开关、阵列紫外led光源模块组成，负责信息发射。通过本机发出的信息或者经路由协议分析不是发往本机的信息，arm控制此信息传入mac层协议进行增加报头、信息分段、设置路由、时间记录、发出报文帧等处理，然后进入fpga缓存，fpga依次取出数字信息通过物理层信道编码、报文调制变为直流脉冲信号，再通过光电耦合器加载到紫外led驱动基准电源上，调节阵列紫外led光源模块的发射时序，控制阵列紫外led光源模块发射耦合了直流脉冲信号的紫外光信号。

所述的电源管理单元由高能量锂离子电池、直流调压器(dc/dc)、充电接口组成。高能量锂离子电池具有供电、充电功能，一部分调压直流电供给阵列紫外led发射的驱动基准电源，一部分经降压后3.3v直流电供给各单元电路使用电源，通过充电接口与外电源实现补充电能。

如图2所示，本发明实施例提供的紫外光通信网络时钟同步方法包括以下步骤：

s201：以主机本地时钟源为基准时钟，将网络ntp时钟同步协议、aodv路由协议、定量预测法优化融合，按照路径发现过程实现主机分别与第一级中间副机、第二级中间副机、n级中间副机至止目的副机进行时间信息交互；

s202：根据副机收到主机t4时刻的传输延时预测值、时钟偏差预测值，调校副机时钟使其与主机时钟同步，完成紫外光通信多跳网络上每个通信副机与主机时钟同步。

本发明实施例提供的紫外光通信网络时钟同步方法同步周期为每次通信前实现时钟同步一次，包括以下步骤：

步骤1、首先在aodv路由协议的原始数据结构中增加是否完成同步标志f；

stuctrt_entry

{in_addrrt_nexttip；∥下一中间副机地址

boolrt_flag；∥标志位

in_addrre_dst；∥目的副机地址

charrt_nextmac[б]；

intrt_hop；∥中继次数

in_addrrt_prelist[10]；∥上一中间副机地址

re_entrylink；∥指向激活的相邻中间副机

synchronizationflag：∥同步完成标志f

其次在aodv路由协议中路由请求rreq分组定义基础上增加主机发出报文的本地时钟标记字段t1。

步骤2、如图3所示，目的副机不在主机紫外光单级传输距离范围内，主机与目的副机之间又无有效路径，主机通过紫外光通信信号向在紫外光单级传输距离范围内的第一级中间副机广播分组发送路由请求rreq报文，根据本地时钟记录发送时刻为t1，第一级中间副机首先判断是否是在规定时间间隔内首次接收来自主机的路由请求rreq报文，否，则丢弃路由请求rreq报文。是，根据本地时钟记录收到时刻为t12，解析路由请求rreq报文获得t1，则建立到主机的反向路由，设置变量f的值为flase，表明第一级中间副机与主机虽然建立了路径但未实现时钟同步，第一级中间副机若发现路由请求rreq报文地址不是发给本副机的，又没有目的副机的信息时，就会等待第一级中间副机与主机完成时钟同步后，再根据网络拓扑信息继续向相邻第二级中间副机中继广播分组发送路由请求rreq报文，此路由需要保存到路由请求rreq穿越网络直到目的副机路由应答rrep反馈到主机为止。

第一级中间副机根据本地时钟记录发出路由应答rrep报文时刻为t13，路由应答rrep报文并沿刚才路径单播反馈至主机，主机根据本地时钟记录收到路由应答rrep报文时刻为t14。

步骤3、如图4所示，主机将时间信息t14插入delayresp报文中发至第一级中间副机，第一级中间副机解析delayresp报文获得t14，根据网络ntp时钟同步协议中时间信息(t1、t12、t13、t14)与时钟偏差、传输延时关系式，推导出公式σ＝(t12－t1)－(t14－t13)/2；d＝(t12－t1)+(t14－t13)/2。式中σ为时钟偏差，d为传输时延，采用定量预测法中一次指数平滑优化处理σ、d数值，st+1＝αyt+(1－α)st，式中st+1为σ或d在(t+1)时刻预测值，yt为σ或d在t时刻实际值，st为σ或d在t时刻预测值，α为平滑常数，其取值范围在[0，1]，并获得第一级中间副机收到主机t14时刻信息即t+1时刻的传输延时预测值dt+1、时钟偏差预测值σt+1，执行校准函数公式s(t)＝t+dt+1+σt+1，s(t)为第一级中间副机收到主机t14时刻信息的校准时间，实现第一级中间副机与主机基准时钟同步。

步骤4，如图5所示，同理，按步骤2第二级中间副机根据本地时钟记录收到第一级中间副机中继的路由请求rreq报文时刻为t22，发出路由应答rrep报文时刻为t23，主机根据本地时钟记录收到第二级中间副机反馈的路由应答rrep报文时刻为t24。按步骤3主机将时间信息t24插入delayresp报文中发至第二级中间副机，第二级中间副机根据网络ntp时钟同步协议中时间信息(t1、t22、t23、t24)与时钟偏差、传输延时关系式，推导出公式σ＝(t22－t1)－(t24－t23)/2；d＝(t22－t1)+(t24－t23)/2。采用定量预测法中一次指数平滑优化处理σ、d数值，并获得第二级中间副机收到主机t24时刻信息即t+1时刻的传输延时预测值dt+1、时钟偏差预测值σt+1，执行校准函数公式s(t)＝t+dt+1+σt+1，实现第二级中间副机与主机基准时钟同步。

按上述步骤，……至止目的副机实现与主机基准时钟同步，从而完成紫外光通信多跳网络上每个通信副机与主机时钟同步。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。