一种固定通信设备间的时钟同步方法与流程

本发明涉及通信技术领域，具体是一种固定通信设备间的时钟同步方法。

背景技术：

无线电定位系统通常由定位源和用户设备组成，通过二者之间的无线电通信获取用户设备的位置和时间等导航信息。测量无线电信号到达时间差是其中一种定位技术，这种方法通常只需要用户设备对外广播无线电信号，定位源接收并获取信号到达时间差，而后通过双曲定位获得用户设备位置信息。这种到达时间差测量方法对定位源之间的时间同步要求较高，最终定位结果的精度与定位源间的时间同步精度密切相关。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种固定通信设备间的时钟同步方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种固定通信设备间的时钟同步方法，包括以下步骤：

1)将需要完成时间同步的若干设备放置于已知位置，其中一个被称为主设备，其余被称为从设备，主设备按照自身时钟源计数周期性发送无线同步信号，同步信号上调制有主设备发射该同步信号的精确时刻；

2)从设备接收到主设备的同步信号，并测量同步信号到达本设备的精确时刻，同时解调得到同步信号的发射时刻；

3)所有从设备将同步信号的发射和接收时刻上传中心设备，由中心设备计算得到各个从设备与主设备的时钟偏差，实现主设备和从设备的时间同步。

作为本发明进一步的方案：所有设备通过有线或无线数据链路向中心设备传送数据。

作为本发明进一步的方案：有线或无线数据链路包括但不限于采用以太网传输。

作为本发明进一步的方案：中心设备包括但不限于计算机。

作为本发明进一步的方案：时钟偏差包含主从设备间的初始时钟偏差、随时间变化的时钟偏差、设备间的距离偏差与固定处理延时。

作为本发明进一步的方案：固定处理延迟包括处理延迟与环境延迟。

作为本发明进一步的方案：随时间变化的时钟偏差：

tsync_tx(n)为主设备的发射同步信号的时刻，n为离散化的时间点序号；

dt为主从设备间的距离偏差和固定处理延迟，该值为常量；

bms(n)为主从设备间随时间变化的时钟偏差，单位为s；

dms(n)为主从设备的时钟漂移，单位为s/s；

设tm为任意时刻的主设备时间，ts为对应的从设备时刻，则二者有如下关系：

tm＝ts-bms

利用上式求得从设备ts时刻对应的主设备时间tm，达到从设备时钟与主设备同步。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明能够消除在系统工作过程中由设备间使用不同的时钟源引起的频偏和频漂等产生的时钟偏差，从设备能够将自身时钟精确调整至主设备时钟，完成无线时间同步。

附图说明

图1是本发明实施例1的设备连接关系图；

图2是本发明实施例1的主从设备时间变化的关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1-2，本发明实施例中，一种固定通信设备间的时钟同步方法，需要完成时间同步的若干设备被放置于已知位置，其中一个被称为主设备，其余被称为从设备，主设备周期性发射调制有精确发射时刻的无线信号，从设备接收并测量接收时刻，接收时刻与发射时刻之差包含了主从设备间的初始时钟偏差、随时间变化的时钟偏差、设备间的距离偏差、固定处理延时。其中设备间的距离偏差可在部署时精确测得；固定处理延时为恒定值，可通过事前标定测量得到；随时间变化的时钟偏差主要由设备间时钟源的频偏和频漂引起，在系统工作过程中通过实时跟踪测量进行消除。

主设备和从设备固定安装于已知位置，主设备与各个从设备之间的距离偏差可精确测量得到。所有设备通过有线或无线数据链路(如以太网)向中心设备(如计算机)传送数据。一种设备连接关系如图1所示。

为完成无线时间同步，主设备按照自身时钟源计数周期性发送无线同步信号，同步信号上调制有主设备发射该同步信号的精确时刻。从设备接收到主设备的同步信号，并测量同步信号到达本设备的精确时刻，同时解调得到同步信号的发射时刻。所有从设备将同步信号的发射和接收时刻上传中心设备，由中心设备计算得到各个从设备与主设备的时钟偏差从而实现主设备和从设备的时间同步。

具体步骤如下。

定义以下符号：

主设备的发射同步信号的时刻为tsync_tx(n)，其中，n为离散化的时间点序号。

对于任意从设备，接收到该次主设备发射的同步信号的时刻为tsync_rx(n)。

主从设备间的可事先测量的设备间距离偏差和固定处理延迟(包括处理延迟、环境延迟等)设为dt，该值为常量。

主从设备间随时间变化的时钟偏差bms(n)(从-主)，单位为s。

则从设备接收到主设备同步信号的接收时刻可以表示为：

tsync_rx(n)＝tsync_tx(n)+dt+bms(n)(1)

将已知量即接收和发射时刻以及可以测量的量即固定处理延迟写在左侧得到：

tsync_rx(n)-tsync_tx(n)-dt＝bms(n)(2)

由于主从设备时钟源偏差存在时钟漂移，因此(2)中右侧bms(n)为时变的，将其模型化为线性函数即

bms(n+1)＝bms(n)+dms(n)t(3)

其中，dms(n)为主从设备的时钟漂移，单位为s/s，t为离散化的时间间隔(以主设备时钟为准)，单位为s。

时钟漂移模型化为：

dms(n+1)＝dms(n)+wn(4)

其中，wn为高斯白噪声序列。

同时为减少噪声影响，可以使用最优估计器如卡尔曼滤波器对其估计，状态向量为：

x＝[bms，dms]^t(5)

离散化的一步状态转移矩阵为：

观测量为：

z(n)＝tsync_rx(n)-tsync_tx(n)-dt(7)

设计矩阵为：

h＝[1，0](8)

以上为在离散时间点处对主从设备随时间变化的时钟偏差和漂移的估计，记任意时刻的主设备时间为tm，从设备对应时刻的本机时间为ts，则二者有如下关系

tm＝ts-bms(9)

为获取从设备ts时刻与主设备时刻tm间精确的时钟偏差bms，可以在最近的估计时刻获取的时钟偏差和漂移的估计结果的基础上进行外推，假设距离tm最近的离散时间点标号为n，则根据(3)，从tsync_tx(n)到tm期间主从时钟偏差变化量的斜率可近似为dms(n)，因此时钟偏差如下所示。

bms＝dms(n)(tm-tsync_tx(n)-dt)+bms(n)(10)

注意到(10)中tm为从设备ts对应的时间，而该时间无法测量，是需要最终求得的未知量，只能通过ts计算得到，因此利用(9)将(10)进一步转化为时钟偏差bms与从设备时刻ts的关系如下：

bms＝dms(n)(ts-bms-tsync_tx(n)-dt)+bms(n)(11)

整理得到：

其中，dms(n)、bms(n)为卡尔曼滤波器估计结果，ts由从设备从本地时钟读取得到，tsync_tx(n)由主设备读取本地时钟得到。

利用(9)可以最终求得从设备ts时刻对应的主设备tm，从而达到将从设备时钟与主设备同步的目的。

主从设备时间变化的关系如图2所示。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。