一种基于TD-LTE的无线通信全网络同步方法与流程

本发明涉及一种无线通信系统网络时间同步方法，尤其指电力用户用电信息采集系统中的网络时间同步方法。

背景技术：

网络时间同步作为一种为分布式系统提供统一时间标度的技术，在通信领域中得到了广泛的应用。通信系统中设备的时钟通过时间同步与网络上的时间源保持一致，对于网络信息传输的准确性、可靠性具有至关重要的作用，尤其在td-lte(4g网络的一种模式)系统中。td-lte系统通过不同的时隙进行物理信道的分配，为了防止多接入和上下行交叉时隙的干扰，其对高精度网络时间同步有严格的要求。

目前的电力用户用电信息采集系统中，系统网络由多个台区共同组成。每个台区是由一个网络主节点(中央协调器，cco)和多个从节点(代理协调器，pco；站点，sta)共同构成的多层级树形网络，其中pco为具有中继转发功能的sta，主从节点分别对应td-lte系统的基站和用户终端。在进行组网通信时，台区中的cco通过发送信标使本台区内所有从节点实现时间同步，但台区之间未进行全网络时间同步。

随着通信网络日益向高速率、大容量发展，对信息传输的准确性、可靠性也提出更高的技术要求。继续延用原始的无线通信系统而不进行全网络时间同步，会导致子信道间干扰(ici)、子网络之间交叉时隙干扰、收发相互冲突、以及传输时延提高，严重影响网络的性能，使网络的通信质量大大降低。

技术实现要素：

针对目前电力用户用电信息采集技术中无线通信系统不进行全网络时间同步，无法处理高速率传输的情况下子网络间交叉时隙干扰、收发冲突等影响网络通信质量的问题，本发明提供了两种基于td-lte的无线通信全网络同步方法。

一种基于td-lte的无线通信全网络同步方法，所述无线通信系统中子网络的主节点和从节点通信模块包含td-lte基站时钟跟踪装置，td-lte基站时钟跟踪装置输出的通信模块本地时钟与td-lte基站时钟的偏差δfdef为：

δfdef＝f’md-fmd·f’lte/flte

其中，f’md为实际通信模块本地时钟频率，fmd为通信模块设计的本地时钟频率，f’lte为实际td-lte基站时钟频率，flte为td-lte基站信号标准频率；

其中：网络全部节点基于td-lte进行全网络时钟同步，基于td-lte进行全网络时钟同步的具体步骤如下：

第一步，基于子网络主节点的本地时钟，子网络的从节点调整自身本地时钟频率，实现和主节点本地时钟频率的同步，同时依据通信协议连接到主节点实现组网通信；此时，主节点的本地时钟频率为初次组网的全网时钟频率；

第二步，网络全部节点启动td-lte基站时钟跟踪装置，接收td-lte基站发送的初级同步信号pss和二级同步信号sss，并依据同步信号测算通信模块本地时钟与td-lte基站时钟的偏差；

第三步，子网络每个从节点i上报给主节点接收到td-lte同步信号的信号质量qi和其从节点i本地时钟与td-lte基站时钟的偏差δfi，主节点接收到td-lte同步信号的信号质量q0和其主节点本地时钟与td-lte基站时钟的偏差δf0，主节点通过统计计算得到初次组网的全网时钟频率与td-lte基站时钟偏差δf；

第四步，主节点调整其自身本地时钟，调整量为-δf，子网络从节点重新调整自身本地时钟频率，实现和主节点本地时钟频率的同步，同时依据通信协议连接到主节点实现组网通信；此时，全网时钟频率为实现和td-lte同步的时钟频率。

所述的基于td-lte的无线通信全网络同步方法，其中，所述的第三步中主节点通过如下加权平均公式统计初次组网的全网时钟频率与td-lte基站时钟偏差：

其中，若接收到td-lte同步信号的信号质量低于阈值，以及全部节点无法接收到td-lte同步信号时，取信号质量qi为0。

所述的基于td-lte的无线通信全网络同步方法，其中，所述的第四步完成一次全网络时钟和td-lte系统的时钟同步后，网络经过设定时间，返回第二步，重新执行第二步、第三步到第四步，保持全网络时钟和td-lte系统的时钟的长期同步。

一种基于td-lte的无线通信全网络同步方法，其中，所述无线通信系统中子网络的主节点和从节点通信模块包含td-lte基站时钟跟踪装置，td-lte基站时钟跟踪装置输出的通信模块本地时钟与td-lte基站时钟的偏差δfdef为：

δfdef＝f’md-fmd·f’lte/flte

其中，f’md为实际通信模块本地时钟频率，fmd为通信模块设计的本地时钟频率，f’lte为实际td-lte基站时钟频率，flte为td-lte基站信号标准频率；

其中：网络全部节点基于td-lte进行全网络时钟同步，基于td-lte进行全网络时钟同步的具体步骤如下：

第一步，基于子网络主节点的本地时钟，子网络的从节点调整自身本地时钟频率，实现和主节点本地时钟频率的同步，同时依据通信协议连接到主节点实现组网通信；此时，主节点的本地时钟频率为初次组网的全网时钟频率；

第二步，网络全部节点启动td-lte基站时钟跟踪装置，接收td-lte基站发送的初级同步信号pss和二级同步信号sss，并依据同步信号测算通信模块本地时钟与td-lte基站时钟的偏差；

第三步，子网络每个从节点i上报给主节点接收到td-lte同步信号的信号质量qi和其从节点i本地时钟与td-lte基站时钟的偏差δfi，主节点接收到td-lte同步信号的信号质量q0和其主节点本地时钟与td-lte基站时钟的偏差δf0，主节点通过统计计算得到初次组网的全网时钟频率与td-lte基站时钟偏差δf；

第四步，主节点通知全网从节点，在指定时刻同时调整全网从节点本地时钟，调整量为-δf；调整失败的从节点在组网通信时重新调整自身本地时钟频率，实现和主节点本地时钟频率的同步；从而实现全网时钟和td-lte系统的时钟同步。

所述的基于td-lte的无线通信全网络同步方法，其中，所述的第三步中主节点通过如下加权平均公式统计初次组网的全网时钟频率与td-lte基站时钟偏差：

其中，若接收到td-lte同步信号的信号质量低于阈值，以及全部节点无法接收到td-lte同步信号时，取信号质量qi为0。

一种基于td-lte的无线通信全网络同步方法，其中，所述的第四部完成一次全网络时钟和td-lte系统的时钟同步后，网络经过设定时间，返回第二步，重新执行第二步、第三步到第四步，保持全网络时钟和td-lte系统的时钟的长期同步。

本发明的基于td-lte的无线通信全网络同步方法，是通过获取td-lte系统的时钟，对用无线通信系统进行全网络时间同步的方法，从而实现无线通信系统进行全网络时间同步，解决了在高速率传输的情况下子网络间交叉时隙干扰、收发冲突等影响网络通信质量的问题。

附图说明

图1是本发明实现用电信息采集系统全网络同步的结构示意图；

图2是本发明实现用电信息采集系统的台区主从节点同步示意图；

图3是本发明实现用电信息采集系统全网络同步的流程图；

图4是本发明技术方案所对应实施的用电信息采集系统的网络拓扑图。

具体实施方式

本发明提供的第一种技术方案：

一种基于td-lte的无线通信全网络同步方法，所述无线通信系统中子网络的主节点和从节点通信模块包含td-lte基站时钟跟踪装置，td-lte基站时钟跟踪装置输出的通信模块本地时钟与td-lte基站时钟的偏差δfdef为：

δfdef＝f’md-fmd·f’lte/flte

其中，f’md为实际通信模块本地时钟频率，fmd为通信模块设计的本地时钟频率，f’lte为实际td-lte基站时钟频率，flte为td-lte基站信号标准频率；

其中：网络全部节点基于td-lte进行全网络时钟同步，基于td-lte进行全网络时钟同步的具体步骤如下：

第一步，基于子网络主节点的本地时钟，子网络的从节点调整自身本地时钟频率，实现和主节点本地时钟频率的同步，同时依据通信协议连接到主节点实现组网通信；此时，主节点的本地时钟频率为初次组网的全网时钟频率；

第二步，网络全部节点启动td-lte基站时钟跟踪装置，接收td-lte基站发送的初级同步信号pss和二级同步信号sss，并依据同步信号测算通信模块本地时钟与td-lte基站时钟的偏差；

第三步，子网络每个从节点i上报给主节点接收到td-lte同步信号的信号质量qi和其从节点i本地时钟与td-lte基站时钟的偏差δfi，主节点接收到td-lte同步信号的信号质量q0和其主节点本地时钟与td-lte基站时钟的偏差δf0，主节点通过统计计算得到初次组网的全网时钟频率与td-lte基站时钟偏差δf；

第四步，主节点调整其自身本地时钟，调整量为-δf，子网络从节点重新调整自身本地时钟频率，实现和主节点本地时钟频率的同步，同时依据通信协议连接到主节点实现组网通信；此时，全网时钟频率为实现和td-lte同步的时钟频率。

所述的基于td-lte的无线通信全网络同步方法，其中：所述的第三步中主节点通过如下加权平均公式统计初次组网的全网时钟频率与td-lte基站时钟偏差：

其中，若接收到td-lte同步信号的信号质量低于阈值，以及全部节点无法接收到td-lte同步信号时，取信号质量qi为0。

所述的基于td-lte的无线通信全网络同步方法，其中：所述的第四步完成一次全网络时钟和td-lte系统的时钟同步后，网络经过设定时间，返回第二步，重新执行第二步、第三步到第四步，保持全网络时钟和td-lte系统的时钟的长期同步。

本发明提供的第二种技术方案：

一种基于td-lte的无线通信全网络同步方法，所述无线通信系统中子网络的主节点和从节点通信模块包含td-lte基站时钟跟踪装置，td-lte基站时钟跟踪装置输出的通信模块本地时钟与td-lte基站时钟的偏差δfdef为：

δfdef＝f’md-fmd·f’lte/flte

其中，f’md为实际通信模块本地时钟频率，fmd为通信模块设计的本地时钟频率，f’lte为实际td-lte基站时钟频率，flte为td-lte基站信号标准频率；

其中：网络全部节点基于td-lte进行全网络时钟同步，基于td-lte进行全网络时钟同步的具体步骤如下：

第一步，基于子网络主节点的本地时钟，子网络的从节点调整自身本地时钟频率，实现和主节点本地时钟频率的同步，同时依据通信协议连接到主节点实现组网通信；此时，主节点的本地时钟频率为初次组网的全网时钟频率；

第二步，网络全部节点启动td-lte基站时钟跟踪装置，接收td-lte基站发送的初级同步信号pss和二级同步信号sss，并依据同步信号测算通信模块本地时钟与td-lte基站时钟的偏差；

第三步，子网络每个从节点i上报给主节点接收到td-lte同步信号的信号质量qi和其从节点i本地时钟与td-lte基站时钟的偏差δfi，主节点接收到td-lte同步信号的信号质量q0和其主节点本地时钟与td-lte基站时钟的偏差δf0，主节点通过统计计算得到初次组网的全网时钟频率与td-lte基站时钟偏差δf；

第四步，主节点通知全网从节点，在指定时刻(本实施例中指定时刻为每隔一段时间，比如5ms)同时调整全网从节点本地时钟，调整量为-δf；调整失败的从节点在组网通信时重新调整自身本地时钟频率，实现和主节点本地时钟频率的同步；从而实现全网时钟和td-lte系统的时钟同步。

所述的基于td-lte的无线通信全网络同步方法，其中：所述的第三步中主节点通过如下加权平均公式统计初次组网的全网时钟频率与td-lte基站时钟偏差：

其中，若接收到td-lte同步信号的信号质量低于阈值，以及全部节点无法接收到td-lte同步信号时，取信号质量qi为0。

所述的基于td-lte的无线通信全网络同步方法，其中：所述的第四部完成一次全网络时钟和td-lte系统的时钟同步后，网络经过设定时间，返回第二步，重新执行第二步、第三步到第四步，保持全网络时钟和td-lte系统的时钟的长期同步。

本发明两技术方案的第一步均为子网络主节点和从节点进行时间同步并实现组网通信，网络同步方式为主从同步，如图2所示，在这种系统中，网络节点间存在主-从关系，控制信号用于传输相关的定时信息。网络中的主节点(master)发送同步信号，发起同步，所有从节点(slave)在接入网络时与网络主节点进行同步，进而实现子网络内时间同步。

本发明两个技术方案的第二步均为网络全部节点与td-lte基站进行时间同步：3gpp确定用于td-lte基站的网络时间同步方式主要为通过全球定位系统(gps)进行同步，同步精度可达到±0.05ppm，在该同步方式下，每个td-lte基站具有一个gps接收机为其提供同步所需最精确的定时信息，当td-lte基站完成同步后，会持续不断地周期性发送主同步序列(pss，周期5ms)和辅同步序列(sss，周期10ms)作为时间同步信号，网络所有节点可通过接收所在蜂窝小区td-lte基站周期发送的pss和sss序列与td-lte基站完成时间同步。

本发明两技术方案第三步均为网络从节点上报主节点接收的td-lte同步信号质量和td-lte时钟与其本地时钟的偏差，对主节点时钟进行调整：在网络所有节点完成与td-lte基站时间同步后，为了防止网络主节点在接收td-lte同步信号时，由于信号干扰、建筑遮挡等原因产生时钟偏差、甚至无法与td-lte基站进行同步的情况，子网络中已与td-lte基站建立时钟同步的从节点将已获取的td-lte同步信号的信号质量以及td-lte时钟和本地时钟的偏差上报给网络主节点，主节点通过计算、衡量从节点时钟偏差和信号质量后进行加权处理，得到自身本地时钟与td-lte时钟的偏差，然后调整本地时钟。

本发明的全网络同步方案实现方式简单，无需在所有设备上加装gps接收机，仅在网络的各节点上置入td-lte接收模块即可，节约成本。无线通信系统的每个子网络都和td-lte系统同步后，可以方便地实现各个子网络之间时钟频率误差控制在相对较小的范围。

由此，两种技术方案均可应用于基于无线ofdm子载波调制的电力信息采集系统中，可以缩小信道划分之间的频带保护间隔，提升频带资源利用率。同时，可以在不同台区之间采用同频带的码分多址技术，用以实现两个台区同时、同频带通信互不干扰，实现频带资源复用，提升网络性能和通信质量。

下面结合图3，对本发明在具体实施例中作进一步的说明，实施例为本发明在电力用户用电信息采集系统中的应用，网络结构示意图如图1所示，网络拓扑图如图4所示，该方法主要包括：台区内sta与cco本地时钟进行时间同步、所有cco和sta获取lte时钟、cco时钟调整、台区内sta与调整后的cco时钟进行时间同步，具体步骤如下：

一)、台区内sta与cco本地时钟进行时间同步

各台区cco开始工作后发送包含本地时钟的同步信号，开始进行组网通信，台区内cco周围的一级sta收到cco发送的同步信号后，向cco发送关联请求报文，请求接入网络，当一级sta接入网络后，cco选择一级sta作为pco并发送同步信号，进而使二级sta进行接入，当sta逐级接入网络后，实现台区内sta与cco本地时钟的同步，此时，各台区内的时钟为cco的本地时钟，台区间时钟不同步。

二)、所有cco和sta获取lte时钟

在电力信息采集系统网络中的所有用电信息采集设备(cco和sta，简称用采设备)中置入td-lte接收模块，此时这些设备可近似看作td-lte用户终端(ue)，能够接收td-lte基站发出的信号。当用采设备中的td-lte接收模块开始工作时会进行频段扫描，找到附近信号强度最大的td-lte基站并进行接入。由于td-lte基站会持续不断地周期性发送主同步序列(pss，周期5ms)和辅同步序列(sss，周期10ms)作为时间同步信号，用采设备在检测到pss和sss序列后与本地已知pss和sss序列作相关处理，即可完成与td-lte基站的时间同步，获取td-lte时钟。

三)、cco时钟调整

网络中的所有用采设备完成与td-lte基站时间同步后，各台区内的cco和sta评估接收到的td-lte同步信号的信号质量，计算获取的td-lte时钟与其本地时钟的偏差，然后sta将同步信号质量和时钟偏差上报给本台区的cco。cco根据sta发来的同步信号质量和时钟偏差，进行加权计算后得到本地时钟与td-lte时钟的偏差值。cco通过该偏差值调节自身本地时钟，实现cco本地时钟与td-lte时钟的同步。

四)、台区内sta与调整后的cco时钟进行时间同步

完成所有台区cco设备时钟调整后，重复步骤一，对台区内的sta重新进行时间同步。此时，台区内的时钟为已与td-lte时钟校准后的时钟。当所有sta同步完毕后，最终实现用电信息采集系统全网络与td-lte系统时钟的同步。

当完成一次全网时钟和td-lte系统的时间同步后，台区经过设定时间，重复步骤二到步骤四，保持用电信息采集系统全网络时钟与td-lte系统时钟的长期同步。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。