針對無線網絡的基于ieee 1588ptp機制的時間同步改進方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種針對無線網絡的基于IEEE 1588 PTP機制的時間同步改進方法。該方法的特征是：在遵從IEEE 1588 PTP時間信息包交換機制的情況下，在時間同步的包交換過程中，偵聽并截獲其他相鄰節(jié)點與主節(jié)點按照IEEE1588 PTP機制進行交換時的時間信息包，從而實現(xiàn)了一種從-從同步機制。該方案是對IEEE 1588 PTP主-從同步的擴展，可以獲得更多時間信息，利用從-從同步機制中所獲得的信息冗余，在從節(jié)點采用線性回歸的方法使得對鐘偏移和頻率漂移的估計更準確可靠，從而能減弱主從路徑不對稱，時間戳不夠精確因素造成的影響，以在無線網絡中實現(xiàn)高精度，高可靠的時間同步。
【專利說明】針對無線網絡的基于IEEE1588PTP機制的時間同步改進 方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及通信領域，尤其涉及一種針對無線網絡的基于IEEE1588PTP機制的 時間同步改進方法。

【背景技術】
[0002] 無線傳感網（WSNs，WirelessSensorNetworks)是由大量共同合作的低功耗節(jié)點 組成的無線網絡，每個節(jié)點具有有限的計算能力，無線通信能力和感知能力。通過引入控制 執(zhí)行器，無線傳感器執(zhí)行器網絡（WSANs，WirelessSensorActuatorNetworks)指具備無 線控制執(zhí)行功能，適合于過程監(jiān)測與控制的一種特殊無線傳感網。由于無線傳感執(zhí)行器網 絡節(jié)點的本地時鐘是通過內部晶振中斷計數(shù)來實現(xiàn)的，由節(jié)點初始計時時刻不同和內部晶 振的頻率偏差變化等，網絡中各節(jié)點間的時鐘不同步。WSAN的時間同步是指使WSAN中所有 或部分節(jié)點擁有相同的時間基準，就是要把分布在各節(jié)點的時鐘對準（同步起來）。
[0003] 時間同步（TimeSynchronization)技術是無線傳感執(zhí)行器網絡的重要支撐技術。 特別的，在工業(yè)自動化系統(tǒng)中，自動的工作流程之間的相互協(xié)調非常重要，要求相關聯(lián)的傳 感器節(jié)點能較好執(zhí)行同步數(shù)據(jù)采集，相關聯(lián)的執(zhí)行器節(jié)點能協(xié)同一致進行控制操作，因此 WSAN對時間同步的精度和可靠性都有更高的要求，高于普通家庭和商用無線網絡系統(tǒng)。如 多傳感器的數(shù)據(jù)融合，目標定位和監(jiān)測，分布式波束成型陣列與控制，TDMA通信調度，基于 睡眠調度的電池節(jié)能等，都對時間同步較高要求，因此，時間同步在WSAN的諸多應用中特 別重要，其重要性體現(xiàn)在三個方面：步決定了數(shù)據(jù)是否準確有效，決定了控制系統(tǒng)的性能好 壞，決定了網絡整體性能優(yōu)劣（如信道利用率，吞吐量，網絡生命周期等）。
[0004] 目前常用的時間同步方法有：NTP方法，RBS方法，TPSN方法和FTSP方法等。其 中，網絡時間協(xié)議（NTP)主要針對傳統(tǒng)的基于IP的英特網，是一種典型的主從同步方法，由 NTP的客戶端（即從時鐘）發(fā)起，首先向NTP服務器（即主時鐘）發(fā)送還有本地時間戳T1 的同步請求包，服務器收到該請求包后記錄下此包接收時間T2。然后服務器在T3時刻向 客戶端回復響應包，并把T3時間戳附在該響應包中?？蛻舳私邮盏皆擁憫鼤r，記錄下接 收時間戳T4?？蛻舳藦脑摻粨Q中獲取的時間戳信息Tl，T2,T3和T4就可以計算出主從時 鐘之間的偏差，從而完成時間調整和同步。RBS是一種針對無線傳感器網路提出來的時間 同步方法，該方法基于單向廣播機制，有效克服了發(fā)送端的操作處理延時和媒介訪問延遲 (如CSMA/CA指數(shù)退避算法的延遲）對同步精度的影響，達到了一定的精度，可靠性較高， 但其計算量和同步開銷較大，能耗較高。TPSN方法基于雙向成對的同步機理，同步效果較 高，比RBS的精度更高，但對主節(jié)點的依賴較大，可靠性受限。而FTSP方法為泛洪廣播式時 間同步算法，然后基于最小二乘法進行時鐘偏移的估計，雖然單向廣播使得同步方式簡單， 但最小二乘法需要大量的廣播數(shù)據(jù)和較高的計算量，因此會耗費較多的通信帶寬和計算資 源。FTSP方法存在的問題主要是：對于密度大的網絡，泛洪廣播會在形成大量的廣播數(shù)據(jù) 包的突發(fā)發(fā)送，引起碰撞的幾率很高，消耗節(jié)點能量和網絡資源。
[0005] 隨著分布式網絡測控系統(tǒng)的廣泛應用，針對基于有線局域以太網（Ethernet)的 測控系統(tǒng)，IEEE(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers)在 2002 年發(fā) 布了精確時間同步協(xié)議（PrecisionTimeProtocol)標準，代號IEEE1588,的全稱是"網 絡測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標準"，簡稱PTP。在2008年又制定了新版本的 IEEE1588v2協(xié)議。IEEE1588是一個比較復雜的主從同步方法，與NTP相似，是通過主從時 鐘交換帶有時間戳信息的數(shù)據(jù)包來同步。理論上，在時間戳足夠精確時（如采用基于硬件 的時間戳技術），IEEE1588PTP可以提供亞毫秒級的精確時間同步，這遠比NTP等的精度 高的多，且通信貸款和計算資源消耗較低，這使得它適用于工業(yè)控制，測量等時間苛刻的應 用，因此目前國際上的實時以太網都采用IEEE1588作為其系統(tǒng)的一個核心部分。
[0006]IEEE1588是針對有線局域以太網提出來的，它有三個假設，這三個假設的實現(xiàn)程 度直接決定了時間同步的精度。這三個假設是：
[0007] (1)對稱路徑及主從傳輸延遲相等。它要求數(shù)據(jù)包由主節(jié)點到從節(jié)點的傳輸時間 與數(shù)據(jù)包由從節(jié)點到主節(jié)點的傳輸時間相等
[0008] (2)時鐘偏移在時間信息包交換過程中不變。該假設要求較穩(wěn)定的節(jié)點時鐘振蕩 器和較快的包交換時間，帶有時間戳的數(shù)據(jù)包的交換發(fā)生在一段很小的時間內，以確保從 時鐘的時鐘偏移在這段時間內是固定不變的。等價地，這個假設也是節(jié)點時鐘振蕩器的穩(wěn) 定性和精度的假設，要求振蕩器具有較高的質量。
[0009] (3)精確的時間標記。假設主從節(jié)點都能夠精確地測量出它們發(fā)送或接收數(shù)據(jù)包 的時間。
[0010] 在實際應用中，由于以太網的高速率和線纜信號的傳輸受外界環(huán)境影響較弱，假 設（1)和（2)能較好滿足，在不太關注供電和設備成本的情況下，在以太網設備中可以采 用高質量晶振和硬件，滿足條件（2)和（3)。
[0011] 但這些假設在無線網絡中未必能得到很好的滿足。這表現(xiàn)在，受電池供電，硬件設 備和環(huán)境影響（如溫度）的限制，無線節(jié)點的晶振精度受限，漂移明顯。由于無線信道衰落 很大，較有線信道更易受外界環(huán)境的電磁干擾，以及隱蔽節(jié)點等問題，很容易形成主從之間 的傳輸延遲不對稱。因此標準的IEEE1588PTP并不能很好的適用于無線傳感執(zhí)行器網絡。


【發(fā)明內容】

[0012] 本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術中存在的技術問題，特別創(chuàng)新地提出了一種針對無 線網絡的基于IEEE1588PTP機制的時間同步改進方法。
[0013] 為了實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提供了一種針對無線網絡的基于IEEE 1588PTP機制的時間同步改進方法，其關鍵在于，包括如下步驟：
[0014] 步驟1，由主節(jié)點周期性的啟動主節(jié)點和從節(jié)點之間帶有時間戳的時間信息包交 換；
[0015] 步驟2,若干從節(jié)點逐一與主節(jié)點進行時間信息包交換，在某一從節(jié)點未與主節(jié)點 進行時間信息包交換時，該從節(jié)點保持偵聽模式，并截獲其它相鄰從節(jié)點和主節(jié)點間以廣 播方式進行交換的時間同步信息包；
[0016] 步驟3,從節(jié)點將截獲的相鄰從節(jié)點和主節(jié)點的時間同步信息包中的時間戳進行 線性回歸優(yōu)化，獲得本從節(jié)點的時鐘頻率偏差和頻率漂移的估計值，并利用獲得的時鐘偏 差和頻率漂移的估計值對從節(jié)點時鐘進行調整，實現(xiàn)時間同步。
[0017] 所述的針對無線網絡的基于IEEE1588PTP機制的時間同步改進方法，優(yōu)選的，所 述步驟1包括：
[0018] 步驟1-1，主節(jié)點首先發(fā)送包含發(fā)送時間戳信息的同步包（Sync);
[0019] 步驟1-2,從節(jié)點接收到同步包（Sync)后，獲取同步包（Sync)的接收時間戳信息， 回復延遲請求包〇)elay_Req)給主節(jié)點，并獲取延遲請求包（Delay_Req)的發(fā)送時間戳；
[0020] 步驟1-3,主節(jié)點在接收到延遲請求包（Delay_Req)后，獲取延遲請求包（Delay_ Req)的接收時間戳信息，回復延遲響應包（Delay_Resp)給從節(jié)點，并把延遲請求包 (Delay_Req)的接收時間戳信息放入延遲響應包（Delay_Resp)中一起發(fā)送。當從節(jié)點未 與主節(jié)點進行延遲請求包〇elay_Req)和延遲響應包（Delay_Resp)交換時，轉入偵聽模 式，截獲其他從節(jié)點與主節(jié)點之間交換的延遲請求包〇elay_Req)和延遲響應包（Delay_ Resp)及其相應時間戳。
[0021] 所述的針對無線網絡的基于IEEE1588PTP機制的時間同步改進方法，優(yōu)選的，所 述步驟1包括：
[0022] 步驟1A，主節(jié)點以廣播方式發(fā)送一個同步包（Sync)給全部從節(jié)點，啟動時間同步 過程；
[0023] 步驟1B，主節(jié)點以本地時鐘為參照，獲取同步包（Sync)的發(fā)送時間戳tl，并將時 間戳tl添加在同步包（Sync)中；
[0024] 步驟1C，從節(jié)點處于接收模式，等待接收該同步包（Sync);
[0025] 步驟ID,從節(jié)點在接收到主節(jié)點發(fā)送的同步包（Sync)后，以從節(jié)點本地時鐘為參 照，立刻獲取該同步包（Sync)的接收時間，記作時間戳t2;
[0026] 步驟1E，從節(jié)點解析其接收到的同步包（Sync)中的數(shù)據(jù)，獲取其中的時間戳信息 tl〇
[0027] 所述的針對無線網絡的基于IEEE1588PTP機制的時間同步改進方法，優(yōu)選的，所 述步驟2包括：
[0028] 步驟2A，主節(jié)點轉入接收模式，準備接收即將由從節(jié)點返回的延遲請求包 (Delay_Req)包；
[0029] 步驟2B，從節(jié)點轉入發(fā)送模式，準備發(fā)送一個延遲請求包（Delay_Req)消息給主 節(jié)點，并進入MAC機制所規(guī)定的無線信道爭用過程；
[0030] 步驟2C，若從節(jié)點獲得了無線信道的使用權，以廣播方式向主節(jié)點發(fā)送該Delay_ Req包，并以從節(jié)點本地時鐘為參照，獲取延遲請求包（Delay_Req)的發(fā)送時間戳t3,將時 間戳t3作為時間戳附加在延遲請求包（Delay_Req)中；
[0031] 步驟2D，主節(jié)點在接收到延遲請求包（Delay_Req)后，以主節(jié)點本地時鐘為參照， 立刻獲取該延遲請求包(X>elay_Req)的接收時間，記作時間戳t4;主節(jié)點轉入發(fā)送模式，將 時間戳t4附加到延遲請求包（Delay_Req)中，以廣播方式發(fā)送延遲請求包（Delay_Req)給 從節(jié)點；發(fā)送完成后，主節(jié)點轉入接收模式；
[0032]步驟2E，從節(jié)點接收延遲請求包（Delay_Req)，并將時間戳t4解析出來；
[0033] 步驟2F，若從節(jié)點未能獲得無線信道的使用權，從節(jié)點轉入偵聽接收模式，偵聽 并截獲其他相鄰節(jié)點發(fā)出的延遲請求包（X>elay_Req)和主節(jié)點發(fā)出的帶有時間戳t4的延 遲響應包〇)elay_ReSp)進行截獲；在截獲延遲請求包（Delay_Req)時，以從節(jié)點的本地時 鐘為參照，獲取延遲請求包（Delay_Req)的接收時間，記作時間戳t5 ;在截獲延遲響應包 (Delay_Resp)后，將延遲響應包（Delay_Resp)中的時間戳t4解析出來；
[0034] 步驟2G，對于獲得了無線信道的使用權的從節(jié)點，當完成步驟2C，2D和2E后，放棄 該使用權，轉入步驟2F的偵聽模式；
[0035] 步驟2H，對于未獲得無線信道的使用權的從節(jié)點，在完成步驟2F后，轉入步驟2B 的發(fā)送模式，競爭使用無線信道使用權，向主節(jié)點發(fā)送自己的延遲請求包〇)elay_Req);
[0036] 步驟21，主節(jié)點的包交換結束機制，當所有從節(jié)點均與主節(jié)點完成包交換后，或者 在設定時間閾值內未偵聽到任何時間信息報交換，則主節(jié)點認為本輪同步完成，結束當前 包交換過程，等待下一輪同步周期到，轉入步驟1-1 ;
[0037] 步驟2J，從節(jié)點的包交換結束機制，當所有從節(jié)點均與主節(jié)點完成包交換后，或者 在一段時間閾值內未偵聽到任何時間信息報交換，則從節(jié)點認為本輪同步的包交換已經完 成，從節(jié)點退出接收偵聽模式。
[0038] 所述的針對無線網絡的基于IEEE1588PTP機制的時間同步改進方法，優(yōu)選的，所 述步驟3包括：
[0039] 步驟3A，從節(jié)點與主節(jié)點之間包交換得到的tl，t2，t3，t4時間戳和一組通過偵聽 得到的其他鄰節(jié)點k和主節(jié)點之間包交換得到的t4[k]和t5[k]時間戳，其中k為第k個 鄰接點，若某從節(jié)點擁有N個鄰節(jié)點，則k= {1，2,…N}，N為正整數(shù)，該從節(jié)點最多通過偵 聽獲取到N對{t4 [k]，t5 [k]}時間戳，利用線性回歸優(yōu)化方法，估計出從節(jié)點時鐘的時間偏 差；參照IEEE1588PTP方式從tl，t2,t3和t4中得到一個關于時鐘偏差和傳輸延遲之間 的函數(shù)關系式；
[0040] 步驟3B，偵聽獲得的N對{t4 [k]，t5 [k]}中得到N個關于偏差和傳輸延遲之間的 函數(shù)關系式；
[0041] 步驟3C，運用最小二乘法對上述N+1個函數(shù)關系式進行求解，得到時鐘偏差的最 優(yōu)估計值。
[0042] 步驟3D，得到的時鐘偏差最優(yōu)估計值后，從節(jié)點計算出的從節(jié)點時鐘的頻率漂移， 得到時鐘偏差和頻率漂移的估計值；
[0043] 步驟3E，利用所得到的時鐘偏差和頻率漂移估計值，對從節(jié)點時鐘進行調整，實 現(xiàn)時間同步。
[0044] 所述的針對無線網絡的基于IEEE1588PTP機制的時間同步改進方法，優(yōu)選的，所 述時間信息包交換包括：
[0045] 步驟101 :在時間點TA，主節(jié)點以廣播方式開始發(fā)送Sync時間信息包，并獲取該 Sync包的發(fā)送時間tl，并將tl放入Sync包中一起發(fā)送；
[0046] 步驟102 :在時間點TB，該Sync時間信息包到達從節(jié)點，各個從節(jié)點以本地從時鐘 為參照，獲取Sync包的接收時間，由于各節(jié)點的本地從時鐘并不一致，所以Sync包的接收 時間戳的值也未一樣，因此從節(jié)點i的Sync包接收之間記作t2 [i]，以此類推；
[0047] 步驟103:在時間點TC，經過一段時間的處理延遲和媒介爭用過程，從節(jié)點i獲 得了媒介的使用權，在該從節(jié)點的時間點t3[i]向主節(jié)點回復Delay_Req時間信息包，該 Delay_Req包也以廣播方式發(fā)送，也可以被相鄰節(jié)點偵聽并接收到；
[0048] 步驟104:在時間點TD，從節(jié)點i發(fā)出的Delay_Req時間信息包到達主節(jié)點和各相 鄰節(jié)點，主節(jié)點以主時鐘為參照，獲取Delay_Req包到達主節(jié)點的時間，記作t4[i]，其中i 表示該Delay_Req包來自節(jié)點i，相鄰從節(jié)點以各自從時鐘為參照，獲取Delay_Req包到達 各從節(jié)點的時間，分別記作t5[i];
[0049] 步驟105:在時間點TE，主節(jié)點經過一段時間的處理延遲后，把步驟104中獲得的 接收時間戳t4[i]放入一個Delay_Resp時間信息包，并以廣播方式發(fā)送該Delay_Resp時 間信息包給所有從節(jié)點，包括從節(jié)點i;
[0050] 步驟106:在時間點TF，該Delay_Resp時間信息包到達從節(jié)點，各個從節(jié)點從該 Delay_ReSp包中提取出時間戳信息t4[i];
[0051] 步驟107,在時間點TG，另一從節(jié)點k獲得了媒介的使用權，在該從節(jié)點的時間點 t3[k]向主節(jié)點回復Delay_Req時間信息包，該Delay_Req包也以廣播方式發(fā)送，也可以被 相鄰節(jié)點偵聽并接收到；
[0052] 步驟108,在時間點TH，從節(jié)點k發(fā)出的Delay_Req時間信息包到達主節(jié)點和各相 鄰節(jié)點，主節(jié)點以主時鐘為參照，獲取Delay_Req包到達主節(jié)點的時間，記作t4 [k]，其中，k 表示該Delay_Req包來自節(jié)點k;相鄰從節(jié)點以各自從時鐘為參照，獲取Delay_Req包到達 各從節(jié)點的時間，分別記作t5[k];
[0053] 步驟109 :在時間點TI，主節(jié)點經過一段時間的處理延遲后，主節(jié)點把步驟108中 獲得的接收時間戳t4[k]放入一個Delay_Resp時間信息包，并以廣播方式發(fā)送該Delay_ Resp時間信息包給所有從節(jié)點；
[0054] 步驟110:在時間點TJ，該Delay_Resp時間信息包到達從節(jié)點，各個從節(jié)點從該 Delay_Resp包中提取出時間戳信息t4[k];
[0055] 步驟111 :循環(huán)步驟，網絡中的各個從節(jié)點，分別重復前述步驟107至步驟110 ;
[0056] 步驟112:直到時間點TK，最后一個從節(jié)點（記作N)獲得媒介使用權，在該從節(jié)點 的時間點t3[N]向主節(jié)點以廣播方式回復Delay_Req時間信息包，該包也可以被相鄰節(jié)點 偵聽并接收到；
[0057] 步驟113:在時間點TL，從節(jié)點N發(fā)出的Delay_Req時間信息包到達主節(jié)點和各相 鄰節(jié)點，主節(jié)點以主時鐘為參照，獲取Delay_Req包到達主節(jié)點的時間，記作t4 [N]，相鄰從 節(jié)點以各自從時鐘為參照，獲取Delay_Req包到達各從節(jié)點的時間，分別記作t5 [N];
[0058] 步驟114:在時間點TM，主節(jié)點把步驟113中獲得的接收時間戳t4[N]放入一個 Delay_Resp時間信息包，并以廣播方式發(fā)送該Delay_Resp時間信息包給所有從節(jié)點；
[0059] 步驟115:在時間點TN，該Delay_Resp時間信息包到達從節(jié)點，各個從節(jié)點從該 Delay_Resp包中提取出時間戳信息t4[N]。
[0060] 所述的針對無線網絡的基于IEEE1588PTP機制的時間同步改進方法，優(yōu)選的，所 述主節(jié)點工作過程包括：
[0061] 步驟301:當同步周期到時，主節(jié)點通過發(fā)送Sync時間信息包來新一輪的同步過 程，Sync時間信息包以廣播方式開始發(fā)送，發(fā)送時主節(jié)點獲取該Sync包的發(fā)送時間tl，并 將tl放入Sync包中一起發(fā)送，
[0062] 步驟302:發(fā)送完Sync包后，主節(jié)點轉入接收模式，等待來自某個從節(jié)點的Delay_ Req時間信息包，
[0063] 步驟303:當有一個Delay_Req包達到時，獲取該Delay_Req包的接時間戳，記作 t4，
[0064] 步驟304 :主節(jié)點生成一個Delay_Resp時間信息包，并把步驟303中的時間戳 t4以及前述Delay_Res包來自哪個從節(jié)點的信息放入Delay_Resp包中，以廣播方式發(fā)送 Delay_Resp包，
[0065] 步驟305:主節(jié)點檢查本輪同步是否完成，判斷標準是（a)是否已經接收到所有從 節(jié)點的Delay_Req包，或者（b)等待是否超時，如果未完成，則轉入步驟302,等待接收下一 個從節(jié)點的Delay_Req包；如果本輪同步已經完成，則轉入下一個等待狀態(tài)，等待下一輪同 步周期到，
[0066] 步驟306:等待下一輪同步周期到，如果新一輪同步周期到，則轉入步驟301，開始 新一輪的時間同步過程。
[0067] 所述的針對無線網絡的基于IEEE1588PTP機制的時間同步改進方法，優(yōu)選的，所 述從節(jié)點工作過程包括：
[0068] 步驟401:開始時，從節(jié)點i處于偵聽接收狀態(tài)，等待來自主節(jié)點的Sync時間信息 包，
[0069] 步驟402:當偵聽到來自主節(jié)點的Sync包后，在接收過程中，基于本地時鐘獲取 Sync包的接收時間戳，記作t2[i]，
[0070] 步驟403:從Sync包中提取出tl信息，記作tl[i]，
[0071] 步驟404;本從節(jié)點轉入發(fā)送模式，按照MAC協(xié)議規(guī)定的方式獲取無線信道使用 權，如果獲得獲得信道使用權，則轉入步驟405以發(fā)送Delay_Req包；如果未獲得信道使用 權，則轉入步驟411以偵聽接收其他節(jié)點的時間信息包，
[0072] 步驟405 :本從節(jié)點獲得了信道使用權，則向主節(jié)點發(fā)送Delay_Req時間信息包， 基于本地時鐘獲取Sync包的發(fā)送時間戳，記作t3 [i]，該Delay_Req包也以廣播方式發(fā)送， 也可以被相鄰節(jié)點偵聽并接收到，
[0073] 步驟406:發(fā)送Delay_Req包完成后，轉入接收模式，等待接收主節(jié)點返回的 Delay_Resp時間信息包，
[0074] 步驟407:當來自主節(jié)點的Delay_Resp包接收完成后，提取Delay_Resp包中的時 間戳信息t4,記作t4[i]，
[0075] 步驟408:從節(jié)點檢查本輪同步是否完成，判斷標準是（a)是否已經接收到所有從 節(jié)點的Delay_Req/Delay_Resp包，或者（b)本輪時間同步的包交換是否超時，如果未完成， 則轉入步驟409;如果已完成則轉入數(shù)據(jù)處理步驟413，
[0076] 步驟409:從節(jié)點檢查自己是否已經發(fā)送過Delay_Req包并成功接收了Delay_ Resp包，如果已完成，則轉入步驟410;如果未完成，則轉入步驟404，
[0077] 步驟410:從節(jié)點進入接收偵聽模式，等待截獲其他從節(jié)點與主節(jié)點之間的 Delay_Req和Delay_Resp包交換，
[0078] 步驟411 :當偵聽到來自其他從節(jié)點，設為從節(jié)點k的Delay_Req包后，在接收過 程中，基于本地時鐘獲取該Delay_Req包的接收時間戳，記作t5[k]，
[0079] 步驟412:等待并接收來自主節(jié)點回復給從節(jié)點k的Delay_Resp包，接收完成后， 提取該包中的時間戳信息t4,記作t4[k]，然后轉入步驟408 ;
[0080] 步驟413:數(shù)據(jù)處理步驟，從節(jié)點將截獲的相鄰從節(jié)點和主節(jié)點的時間同步信息 包中的時間戳進行線性回歸優(yōu)化，獲得從節(jié)點的時鐘頻率偏差和頻率漂移的估計值，并在 同步過程中利用獲得的時鐘偏差和頻率漂移的估計值對從節(jié)點時鐘進行調整，實現(xiàn)時間同 步。
[0081] 所述的針對無線網絡的基于IEEE1588PTP機制的時間同步改進方法，優(yōu)選的，所 述數(shù)據(jù)處理步驟413包括：
[0082] 步驟P1，將從時鐘在TA時刻的時鐘偏差記作0 [0]，0[0]為未知值，此刻從時鐘 的時間值近似為t2[i]，主時鐘的時間值為tl[i] =tl;
[0083] 步驟P2,當本從節(jié)點i與主節(jié)點完成Sync，Delay_Req和Delay_Resp包交換后， 便獲得了時間戳〖1[1]42[1]43[1]和〖4[1]，據(jù)此可按照下述公式計算在10時刻的從時 鐘的時鐘偏差值9 [i]，即

【權利要求】
1. 一種針對無線網絡的基于IEEE1588PTP機制的時間同步改進方法，其特征在于，包 括如下步驟： 步驟1，由主節(jié)點周期性的啟動主節(jié)點和從節(jié)點之間帶有時間戳的時間信息包交換； 步驟2,若干從節(jié)點逐一與主節(jié)點進行時間信息包交換，在某一從節(jié)點未與主節(jié)點進行 時間信息包交換時，該從節(jié)點保持偵聽模式，并截獲其它相鄰從節(jié)點和主節(jié)點間以廣播方 式進行交換的時間同步信息包； 步驟3,從節(jié)點將截獲的相鄰從節(jié)點和主節(jié)點的時間同步信息包中的時間戳進行線性 回歸優(yōu)化，獲得本從節(jié)點的時鐘頻率偏差和頻率漂移的估計值，并利用獲得的時鐘偏差和 頻率漂移的估計值對從節(jié)點時鐘進行調整，實現(xiàn)時間同步。
2. 根據(jù)權利要求1所述的針對無線網絡的基于IEEE1588PTP機制的時間同步改進方 法，其特征在于，所述步驟1包括： 步驟1-1，主節(jié)點首先發(fā)送包含發(fā)送時間戳信息的同步包（Sync); 步驟1-2,從節(jié)點接收到同步包（Sync)后，獲取同步包（Sync)的接收時間戳信息，回復 延遲請求包（Delay_Req)給主節(jié)點，并獲取延遲請求包（Delay_Req)的發(fā)送時間戳； 步驟1-3,主節(jié)點在接收到延遲請求包（Delay_Req)后，獲取延遲請求包（Delay_Req) 的接收時間戳信息，回復延遲響應包（Delay_Resp)給從節(jié)點，并把延遲請求包（Delay_ Req)的接收時間戳信息放入延遲響應包（Delay_Resp)中一起發(fā)送。當從節(jié)點未與主節(jié)點 進行延遲請求包（Delay_Req)和延遲響應包（Delay_Resp)交換時，轉入偵聽模式，截獲其 他從節(jié)點與主節(jié)點之間交換的延遲請求包（Delay_Req)和延遲響應包（Delay_Resp)及其 相應時間戳。
3. 根據(jù)權利要求2所述的針對無線網絡的基于IEEE1588PTP機制的時間同步改進方 法，其特征在于，所述步驟1包括： 步驟1A，主節(jié)點以廣播方式發(fā)送一個同步包（Sync)給全部從節(jié)點，啟動時間同步過 程； 步驟1B，主節(jié)點以本地時鐘為參照，獲取同步包（Sync)的發(fā)送時間戳tl，并將時間戳tl添加在同步包（Sync)中； 步驟1C，從節(jié)點處于接收模式，等待接收該同步包（Sync); 步驟1D，從節(jié)點在接收到主節(jié)點發(fā)送的同步包（Sync)后，以從節(jié)點本地時鐘為參照， 立刻獲取該同步包（Sync)的接收時間，記作時間戳t2; 步驟1E，從節(jié)點解析其接收到的同步包（Sync)中的數(shù)據(jù)，獲取其中的時間戳信息tl。
4. 根據(jù)權利要求2所述的針對無線網絡的基于IEEE1588PTP機制的時間同步改進方 法，其特征在于，所述步驟2包括： 步驟2A，主節(jié)點轉入接收模式，準備接收即將由從節(jié)點返回的延遲請求包（Delay_Req)包； 步驟2B，從節(jié)點轉入發(fā)送模式，準備發(fā)送一個延遲請求包（Delay_Req)消息給主節(jié)點， 并進入MAC機制所規(guī)定的無線信道爭用過程； 步驟2C，若從節(jié)點獲得了無線信道的使用權，以廣播方式向主節(jié)點發(fā)送該Delay_Req包，并以從節(jié)點本地時鐘為參照，獲取延遲請求包（Delay_Req)的發(fā)送時間戳t3,將時間戳 t3作為時間戳附加在延遲請求包（Delay_Req)中； 步驟2D，主節(jié)點在接收到延遲請求包（Delay_Req)后，以主節(jié)點本地時鐘為參照，立刻 獲取該延遲請求包（Delay_Req)的接收時間，記作時間戳t4 ;主節(jié)點轉入發(fā)送模式，將時間 戳t4附加到延遲請求包（Delay_Req)中，以廣播方式發(fā)送延遲請求包（Delay_Req)給從節(jié) 點；發(fā)送完成后，主節(jié)點轉入接收模式； 步驟2E，從節(jié)點接收延遲請求包（Delay_Req)，并將時間戳t4解析出來； 步驟2F，若從節(jié)點未能獲得無線信道的使用權，從節(jié)點轉入偵聽接收模式，偵聽并截獲 其他相鄰節(jié)點發(fā)出的延遲請求包（Delay_Req)和主節(jié)點發(fā)出的帶有時間戳t4的延遲響應 包（Delay_ReSp)進行截獲；在截獲延遲請求包（Delay_Req)時，以從節(jié)點的本地時鐘為參 照，獲取延遲請求包（Delay_Req)的接收時間，記作時間戳t5;在截獲延遲響應包（Delay_ Resp)后，將延遲響應包（Delay_Resp)中的時間戳t4解析出來； 步驟2G，對于獲得了無線信道的使用權的從節(jié)點，當完成步驟2C，2D和2E后，放棄該使 用權，轉入步驟2F的偵聽模式； 步驟2H，對于未獲得無線信道的使用權的從節(jié)點，在完成步驟2F后，轉入步驟2B的發(fā) 送模式，競爭使用無線信道使用權，向主節(jié)點發(fā)送自己的延遲請求包（Delay_Req); 步驟21，主節(jié)點的包交換結束機制，當所有從節(jié)點均與主節(jié)點完成包交換后，或者在設 定時間閾值內未偵聽到任何時間信息報交換，則主節(jié)點認為本輪同步完成，結束當前包交 換過程，等待下一輪同步周期到，轉入步驟1-1 ; 步驟2J，從節(jié)點的包交換結束機制，當所有從節(jié)點均與主節(jié)點完成包交換后，或者在一 段時間閾值內未偵聽到任何時間信息報交換，則從節(jié)點認為本輪同步的包交換已經完成， 從節(jié)點退出接收偵聽模式。
5. 根據(jù)權利要求2所述的針對無線網絡的基于IEEE1588PTP機制的時間同步改進方 法，其特征在于，所述步驟3包括： 步驟3A，從節(jié)點與主節(jié)點之間包交換得到的tl，t2,t3,t4時間戳和一組通過偵聽得到 的其他鄰節(jié)點k和主節(jié)點之間包交換得到的t4[k]和t5[k]時間戳，其中k為第k個鄰接 點，若某從節(jié)點擁有N個鄰節(jié)點，則k= {1，2,…N}，N為正整數(shù)，該從節(jié)點最多通過偵聽獲 取到N對{t4[k]，t5[k]}時間戳，利用線性回歸優(yōu)化方法，估計出從節(jié)點時鐘的時間偏差； 參照IEEE1588PTP方式從tl，t2,t3和t4中得到一個關于時鐘偏差和傳輸延遲之間的函 數(shù)關系式； 步驟3B，偵聽獲得的N對{t4[k]，t5[k]}中得到N個關于偏差和傳輸延遲之間的函數(shù) 關系式； 步驟3C，運用最小二乘法對上述N+1個函數(shù)關系式進行求解，得到時鐘偏差的最優(yōu)估 計值。 步驟3D，得到的時鐘偏差最優(yōu)估計值后，從節(jié)點計算出的從節(jié)點時鐘的頻率漂移，得到 時鐘偏差和頻率漂移的估計值； 步驟3E，利用所得到的時鐘偏差和頻率漂移估計值，對從節(jié)點時鐘進行調整，實現(xiàn)時間 同步。
6. 根據(jù)權利要求1所述的針對無線網絡的基于IEEE1588PTP機制的時間同步改進方 法，其特征在于，所述時間信息包交換包括： 步驟101 :在時間點TA，主節(jié)點以廣播方式開始發(fā)送Sync時間信息包，并獲取該Sync 包的發(fā)送時間tl，并將tl放入Sync包中一起發(fā)送； 步驟102 :在時間點TB，該Sync時間信息包到達從節(jié)點，各個從節(jié)點以本地從時鐘為參 照，獲取Sync包的接收時間，由于各節(jié)點的本地從時鐘并不一致，所以Sync包的接收時間 戳的值也未一樣，因此從節(jié)點i的Sync包接收之間記作t2 [i]，以此類推； 步驟103 :在時間點TC，經過一段時間的處理延遲和媒介爭用過程，從節(jié)點i獲得了媒 介的使用權，在該從節(jié)點的時間點t3[i]向主節(jié)點回復Delay_Req時間信息包，該Delay_ Req包也以廣播方式發(fā)送，也可以被相鄰節(jié)點偵聽并接收到； 步驟104 :在時間點TD，從節(jié)點i發(fā)出的Delay_Req時間信息包到達主節(jié)點和各相鄰節(jié) 點，主節(jié)點以主時鐘為參照，獲取Delay_Req包到達主節(jié)點的時間，記作t4[i]，其中i表示 該Delay_Req包來自節(jié)點i，相鄰從節(jié)點以各自從時鐘為參照，獲取Delay_Req包到達各從 節(jié)點的時間，分別記作t5[i]; 步驟105 :在時間點TE，主節(jié)點經過一段時間的處理延遲后，把步驟104中獲得的接收 時間戳t4[i]放入一個Delay_Resp時間信息包，并以廣播方式發(fā)送該Delay_Resp時間信 息包給所有從節(jié)點，包括從節(jié)點i; 步驟106 :在時間點TF，該Delay_Resp時間信息包到達從節(jié)點，各個從節(jié)點從該Delay_ReSp包中提取出時間戳信息t4[i]; 步驟107,在時間點TG，另一從節(jié)點k獲得了媒介的使用權，在該從節(jié)點的時間點t3 [k] 向主節(jié)點回復Delay_Req時間信息包，該Delay_Req包也以廣播方式發(fā)送，也可以被相鄰節(jié) 點偵聽并接收到； 步驟108,在時間點TH，從節(jié)點k發(fā)出的Delay_Req時間信息包到達主節(jié)點和各相鄰節(jié) 點，主節(jié)點以主時鐘為參照，獲取Delay_Req包到達主節(jié)點的時間，記作t4 [k]，其中，k表示 該Delay_Req包來自節(jié)點k;相鄰從節(jié)點以各自從時鐘為參照，獲取Delay_Req包到達各從 節(jié)點的時間，分別記作t5[k]; 步驟109 :在時間點TI，主節(jié)點經過一段時間的處理延遲后，主節(jié)點把步驟108中獲得 的接收時間戳t4[k]放入一個Delay_Resp時間信息包，并以廣播方式發(fā)送該Delay_Resp 時間信息包給所有從節(jié)點； 步驟110 :在時間點TJ，該Delay_Resp時間信息包到達從節(jié)點，各個從節(jié)點從該Delay_Resp包中提取出時間戳信息t4[k]; 步驟111 :循環(huán)步驟，網絡中的各個從節(jié)點，分別重復前述步驟107至步驟110 ; 步驟112 :直到時間點TK，最后一個從節(jié)點（記作N)獲得媒介使用權，在該從節(jié)點的時 間點t3[N]向主節(jié)點以廣播方式回復Delay_Req時間信息包，該包也可以被相鄰節(jié)點偵聽 并接收到； 步驟113 :在時間點TL，從節(jié)點N發(fā)出的Delay_Req時間信息包到達主節(jié)點和各相鄰節(jié) 點，主節(jié)點以主時鐘為參照，獲取Delay_Req包到達主節(jié)點的時間，記作t4[N]，相鄰從節(jié)點 以各自從時鐘為參照，獲取Delay_Req包到達各從節(jié)點的時間，分別記作t5 [N]; 步驟114 :在時間點TM，主節(jié)點把步驟113中獲得的接收時間戳t4[N]放入一個Delay_Resp時間信息包，并以廣播方式發(fā)送該Delay_ReSp時間信息包給所有從節(jié)點； 步驟115 :在時間點TN，該Delay_Resp時間信息包到達從節(jié)點，各個從節(jié)點從該Delay_Resp包中提取出時間戳信息t4[N]。
7. 根據(jù)權利要求1所述的針對無線網絡的基于IEEE1588PTP機制的時間同步改進方 法，其特征在于，所述主節(jié)點工作過程包括： 步驟301 :當同步周期到時，主節(jié)點通過發(fā)送Sync時間信息包來新一輪的同步過程，Sync時間信息包以廣播方式開始發(fā)送，發(fā)送時主節(jié)點獲取該Sync包的發(fā)送時間tl，并將tl 放入Sync包中一起發(fā)送， 步驟302 :發(fā)送完Sync包后，主節(jié)點轉入接收模式，等待來自某個從節(jié)點的Delay_Req時間信息包， 步驟303 :當有一個Delay_Req包達到時，獲取該Delay_Req包的接時間戳，記作t4， 步驟304 :主節(jié)點生成一個Delay_Resp時間信息包，并把步驟303中的時間戳t4以及 前述Delay_Res包來自哪個從節(jié)點的信息放入Delay_Resp包中，以廣播方式發(fā)送Delay_ Resp包， 步驟305 :主節(jié)點檢查本輪同步是否完成，判斷標準是（a)是否已經接收到所有從節(jié)點 的Delay_Req包，或者（b)等待是否超時，如果未完成，則轉入步驟302,等待接收下一個從 節(jié)點的Delay_Req包；如果本輪同步已經完成，則轉入下一個等待狀態(tài)，等待下一輪同步周 期到， 步驟306 :等待下一輪同步周期到，如果新一輪同步周期到，則轉入步驟301，開始新一 輪的時間同步過程。
8. 根據(jù)權利要求1所述的針對無線網絡的基于IEEE1588PTP機制的時間同步改進方 法，其特征在于，所述從節(jié)點工作過程包括： 步驟401 :開始時，從節(jié)點i處于偵聽接收狀態(tài)，等待來自主節(jié)點的Sync時間信息包， 步驟402 :當偵聽到來自主節(jié)點的Sync包后，在接收過程中，基于本地時鐘獲取Sync包的接收時間戳，記作t2[i]， 步驟403 :從Sync包中提取出tl信息，記作tl[i]， 步驟404 ;本從節(jié)點轉入發(fā)送模式，按照MAC協(xié)議規(guī)定的方式獲取無線信道使用權，如 果獲得獲得信道使用權，則轉入步驟405以發(fā)送Delay_Req包；如果未獲得信道使用權，則 轉入步驟411以偵聽接收其他節(jié)點的時間信息包， 步驟405:本從節(jié)點獲得了信道使用權，則向主節(jié)點發(fā)送Delay_Req時間信息包，基于 本地時鐘獲取Sync包的發(fā)送時間戳，記作t3 [i]，該Delay_Req包也以廣播方式發(fā)送，也可 以被相鄰節(jié)點偵聽并接收到， 步驟406 :發(fā)送Delay_Req包完成后，轉入接收模式，等待接收主節(jié)點返回的Delay_Resp時間信息包， 步驟407 :當來自主節(jié)點的Delay_Resp包接收完成后，提取Delay_Resp包中的時間戳 信息t4,記作t4[i]， 步驟408 :從節(jié)點檢查本輪同步是否完成，判斷標準是（a)是否已經接收到所有從節(jié)點 的Delay_Req/Delay_Resp包，或者（b)本輪時間同步的包交換是否超時，如果未完成，則轉 入步驟409 ;如果已完成則轉入數(shù)據(jù)處理步驟413， 步驟409 :從節(jié)點檢查自己是否已經發(fā)送過Delay_Req包并成功接收了Delay_Resp包，如果已完成，則轉入步驟410 ;如果未完成，則轉入步驟404， 步驟410 :從節(jié)點進入接收偵聽模式，等待截獲其他從節(jié)點與主節(jié)點之間的Delay_Req 和Delay_Resp包交換， 步驟411 :當偵聽到來自其他從節(jié)點，設為從節(jié)點k的Delay_Req包后，在接收過程中， 基于本地時鐘獲取該Delay_Req包的接收時間戳，記作t5 [k]， 步驟412 :等待并接收來自主節(jié)點回復給從節(jié)點k的Delay_Resp包，接收完成后，提取 該包中的時間戳信息t4,記作t4[k]，然后轉入步驟408 ; 步驟413 :數(shù)據(jù)處理步驟，從節(jié)點將截獲的相鄰從節(jié)點和主節(jié)點的時間同步信息包中 的時間戳進行線性回歸優(yōu)化，獲得從節(jié)點的時鐘頻率偏差和頻率漂移的估計值，并在同步 過程中利用獲得的時鐘偏差和頻率漂移的估計值對從節(jié)點時鐘進行調整，實現(xiàn)時間同步。
9.根據(jù)權利要求1所述的針對無線網絡的基于IEEE1588PTP機制的時間同步改進方 法，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理步驟413包括： 步驟Pl，將從時鐘在TA時刻的時鐘偏差記作0 [0]，0 [0]為未知值，此刻從時鐘的時 間值近似為t2[i]，主時鐘的時間值為tl[i] =tl; 步驟P2,當本從節(jié)點i與主節(jié)點完成Sync，Delay_Req和Delay_Resp包交換后，便獲 得了時間戳〖1[1]42[1]43[1]和〖4[1]，據(jù)此可按照下述公式計算在10時刻的從時鐘的 時鐘偏差值0 [i]，即
以主時鐘的角度來看，TD和TA時刻之間的時間差T[i]為T[i] = 因此0 [i]和0 [0]之間的關系用一個線性回歸方程來描述 0 [i] = 0 [0] +y?T[i] 步驟P3 :在TH時刻截獲了相鄰從節(jié)點k發(fā)出的Delay_Req包，在該時刻從時鐘的時間 值為t5[k]，記該時刻的時鐘偏差為0 [k]。在稍后獲到了t4[k]后，0 [k]計算如下 0 [k] =t5[k]-t4[k] 以主時鐘的角度來看，TH和TA時刻之間的時間差T[k]為T[k] =tjy-tji] 因此0 [k]和0 [0]之間的關系用一個線性回歸方程來描述 0 [k] = 0 [0] +y?T[k]； 步驟P4,重復步驟P3,得到多個上述方程，用矩陣描述如下
對上述方程組采用最小二乘法求解，可以得到對0 [〇]和Y的一個最優(yōu)估計，
上式中，上標T表示矩陣轉置，上標-1表示矩陣求逆。 步驟P5,時鐘校正，將時鐘偏差和頻率漂移的最優(yōu)估計值r用于對時鐘的校正。
【文檔編號】H04W56/00GK104507156SQ201410787648
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月17日 優(yōu)先權日:2014年12月17日
【發(fā)明者】代學武, 龍正吉, 李太華 申請人:西南大學