适用于自组织网络的时间同步方法、时间同步系统和设备

摘要

本发明涉及一种适用于自组织网络的时间同步方法、时间同步系统和设备，时间同步方法包括：获取节点的时间信息以及该节点与其邻居节点交互的时间信息；根据所述时间信息得到各节点之间的时钟偏差；对所述时钟偏差进行权值调整和分配，得到加权时钟偏差；根据所述加权时钟偏差，修正本地时钟完成时间同步。本发明的时间同步方法当网络的拓扑发生改变或是卫星授时突然消失时，所有节点依然保持同样的同步方式不需要任何切换，时钟同步的效果不会出现大规模的波动，增强了自组织网络的时钟同步的稳定性与健壮性。

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种适用于自组织网络的时间同步方法、时间同步系统和设备。

背景技术

随着自组织网络技术的发展，大规模高动态的自组织网络运用在了越来越多的场景中。如利用无人机自组织网络完成军事侦察，利用通信车自组织网络实现可移动通信基站等。

当网络中的各个节点需要精密的协同作业时，网络中的时钟同步就显得至关重要。通常情况下自组织网络都配备着卫星授时功能，但是在一些场景下会存在卫星授时功能失效或者只有一些节点拥有卫星授时功能的现象。在此种场景下网络中的节点就需要通过时间同步协议进行时间信息的交互。

传统的时间同步协议多采用主从式时间同步，即从节点向主节点请求时间信息，根据计算出的时钟偏差调整本地时钟。但是在无人机、车、船或移动传感器等移动节点组成的无线自组织网络中，由于这些网络中节点保持高速运动，节点间的通信链路不稳定，节点的可靠性不高，网络的拓扑经常变化，具有很强的动态性。如果在该网络中依然采用传统的主从式时间同步方法，会遇到主节点丢失、主从关系随拓扑变化而频繁变动等问题，从而影响网络整体时间同步的可靠性和健壮性，也会造成网络的时间同步精度难以提高的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种适用于自组织网络的时间同步方法、时间同步系统和设备。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种适用于自组织网络的时间同步方法，包括：

获取节点的时间信息以及该节点与其邻居节点交互的时间信息；

根据所述时间信息得到各节点之间的时钟偏差；

对所述时钟偏差进行权值调整和分配，得到加权时钟偏差；

根据所述加权时钟偏差，修正本地时钟完成时间同步；

其中，所述时间信息包括时间戳信息和时钟状态参数。

在本发明的一个实施例中，所述方法还包括：

根据所述时钟偏差计算得到时钟偏差的方差，并根据所述时钟偏差的方差确定下一次时间同步过程中进行交互的邻居节点信息，其中，所述邻居节点信息包括邻居节点的数量和对象。

在本发明的一个实施例中，获取节点的时间信息以及该节点与其邻居节点交互的时间信息，之前还包括：

根据构建的自组织网络，设置所述节点的时钟状态参数，若所述节点拥有卫星授时功能，将其时钟状态参数设置为s

实现所述节点与其邻居节点之间的交互。

在本发明的一个实施例中，对所述时钟偏差进行权值调整和分配，得到加权时钟偏差，包括：

根据节点的时钟状态参数以及所述节点接收的时钟状态参数，判断所述节点是否拥有卫星授时功能；

若是，则保持该节点的时钟状态参数不变，并将全部权值分配至该节点；

否则，将该节点的时钟状态参数更新为接收的最小时钟状态参数加1，对接收到相同时钟状态参数的所述时钟偏差，进行算数平均计算得到平均时钟偏差，并对最小时钟状态参数对应的所述平均时钟偏差分配最大权值，剩余的时钟状态参数对应的所述平均时钟偏差平分剩余权值；

根据分配的权值加权计算得到加权时钟偏差。

在本发明的一个实施例中，据所述时钟偏差计算得到时钟偏差的方差，并根据所述时钟偏差的方差确定下一次时间同步过程中进行交互的邻居节点信息，包括：

根据所述时钟偏差计算得到时钟偏差的方差；

将所述时钟偏差的方差与预设的阈值进行比较，若所述时钟偏差的方差大于所述阈值，则确定下一次时间同步过程中进行交互的邻居节点的数量大于上一次时间同步过程中进行交互的邻居节点的数量，且按照所述时钟偏差从小到大依次选择邻居节点；

若所述时钟偏差的方差小于所述阈值，则确定下一次时间同步过程中进行交互的邻居节点的数量小于或等于上一次时间同步过程中进行交互的邻居节点的数量，且按照所述时钟偏差从小到大依次选择邻居节点。

本发明还提供了一种时间同步系统，包括：

时间跟踪与同步模块，用于获取节点的时间信息以及该节点与其邻居节点交互的时间信息；

时钟偏差信息处理模块，用于根据所述时间信息得到各节点之间的时钟偏差；

自适应权值调整分配模块，用于对所述时钟偏差进行权值调整和分配，得到加权时钟偏差；

时间跟踪与同步模块，还用于根据所述加权时钟偏差，修正本地时钟完成时间同步。

在本发明的一个实施例中，所述时间同步系统还包括：

同步信令帧收发控制模块，用于根据所述时钟偏差计算得到时钟偏差的方差，根据所述时钟偏差的方差确定下一次时间同步过程中的交互的邻居节点信息，并产生第一控制信号或第二控制信号，其中，所述邻居节点信息包括邻居节点的数量和对象；

同步信令帧接收与发送模块，用于根据所述第一控制信号或所述第二控制信号，实现所述节点与其邻居节点之间的交互。

在本发明的一个实施例中，所述自适应权值调整分配模块，包括：

节点判断单元，用于根据节点的时钟状态参数以及所述节点接收的时钟状态参数，判断所述节点是否拥有卫星授时功能；

权值调整分配单元，用于根据所述节点判断单元的判断结果进行权值调整分配，其中，

当所述节点拥有卫星授时功能，则保持该节点的时钟状态参数不变，并将全部权值分配至该节点；

当所述节点不拥有卫星授时功能，则将该节点的时钟状态参数更新为接收的最小时钟状态参数加1，对接收到相同时钟状态参数的所述时钟偏差，进行算数平均计算得到平均时钟偏差，并对最小时钟状态参数对应的所述平均时钟偏差分配最大权值，剩余的时钟状态参数对应的所述平均时钟偏差平分剩余权值；

加权时钟偏差计算单元，用于根据分配的权值加权计算得到加权时钟偏差。

在本发明的一个实施例中，所述同步信令帧收发控制模块，包括：

方差计算单元，用于根据所述时钟偏差计算得到时钟偏差的方差；

比较单元，用于将所述时钟偏差的方差与预设的阈值进行比较；

控制信号产生单元，用于根据所述比较单元的比较结果产生所述第一控制信号和所述第二控制信号，其中，

当所述时钟偏差的方差大于所述阈值，则确定下一次时间同步过程中进行交互的邻居节点的数量大于上一次时间同步过程中进行交互的邻居节点的数量，且按照所述时钟偏差从小到大依次选择邻居节点，并产生所述第一控制信号；

当所述时钟偏差的方差小于所述阈值，则确定下一次时间同步过程中进行交互的邻居节点的数量小于或等于上一次时间同步过程中进行交互的邻居节点的数量，且按照所述时钟偏差从小到大依次选择邻居节点，并产生所述第二控制信号。

本发明还提供了一种时间同步处理设备，包括存储器和处理器，其中，

存储器，用于存放计算机程序；

处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现上述实施例中任一项所述的方法步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明的适用于自组织网络的时间同步方法，通过节点间交换时间息确定时钟偏差，并根据邻居节点的时钟状态参数对时钟偏差动态分配权值，然后根据加权时钟偏差修正本地时钟，当网络的拓扑发生改变或是卫星授时突然消失时，所有节点依然保持同样的同步方式不需要任何切换，时钟同步的效果不会出现大规模的波动，增强了自组织网络的时钟同步的稳定性与健壮性；

2.本发明的适用于自组织网络的时间同步方法，在时间同步过程中，根据时钟偏差计算得到时钟偏差的方差，并根据时钟偏差的方差确定下一次时间同步过程中进行交互的邻居节点的数量，可以节省通信资源。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种适用于自组织网络的时间同步方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的一种时间同步方法适用的场景；

图3是本发明实施例提供的另一种适用于自组织网络的时间同步方法的流程图；

图4是本发明实施例提供的时钟偏差动态权值调整和分配的流程示意图；

图5是本发明实施例提供的确定进行交互的邻居节点信息的流程示意图；

图6是本发明实施例提供的一种时间同步系统的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的另一种时间同步系统的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的自适应权值调整分配模块的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的同步信令帧收发控制模块的结构示意图；

图10是本发明实施例提供的一种时间同步处理设备的结构示意图。

图标：1-时间跟踪与同步模块；2-时钟偏差信息处理模块；3-自适应权值调整分配模块；4-同步信令帧收发控制模块；5-同步信令帧接收与发送模块；301-节点判断单元；302-权值调整分配单元；303-加权时钟偏差计算单元；401-方差计算单元；402-比较单元；403-控制信号产生单元；100-存储器；200-处理器。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种适用于自组织网络的时间同步方法、时间同步系统和设备进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种适用于自组织网络的时间同步方法的流程图。如图所示，本实施例的适用于自组织网络的时间同步方法，包括：

S1：获取节点的时间信息以及该节点与其邻居节点交互的时间信息；

其中，时间信息包括时间戳信息和时钟状态参数。在本实施例中，获取邻居节点交互的时间信息，可以是全部邻居节点的交互的时间信息，也可以是部分的邻居节点的交互的时间信息。

进一步地，在步骤S1之前，还包括：

根据构建的自组织网络，设置节点的时钟状态参数，并实现节点与其邻居节点之间的交互。

具体地，请结合参见图2，图2是本发明实施例提供的一种时间同步方法适用的场景。如图所示，若所述节点拥有卫星授时功能，将其时钟状态参数设置为s

S2：根据时间信息得到各节点之间的时钟偏差；

具体地，根据构建的自组织网络获取其邻居表，并将时间信息中的时钟状态参数与邻居表建立对应关系，利用IEEE802.1AS协议计算得到各节点之间的时钟偏差。

S3：对时钟偏差进行权值调整和分配，得到加权时钟偏差；

具体地，请参见图4，图4是本发明实施例提供的时钟偏差动态权值调整和分配的流程示意图，如图所示，步骤S3包括：

根据节点的时钟状态参数以及节点接收的时钟状态参数，判断节点是否拥有卫星授时功能；

若是，则保持该节点的时钟状态参数不变，并将全部权值分配至该节点；

否则，将该节点的时钟状态参数更新为接收的最小时钟状态参数加1，对接收到相同时钟状态参数的时钟偏差，进行算数平均计算得到平均时钟偏差，并对最小时钟状态参数对应的平均时钟偏差分配最大权值，剩余的时钟状态参数对应的平均时钟偏差平分剩余权值；

根据分配的权值加权计算得到加权时钟偏差。

以图2中的场景为例对步骤S3进行具体说明，node0的时钟状态参数为s

node1的时钟状态参数为s

值得说明的是，随着节点与拥有卫星授时功能的节点的跳数距离越远，节点的时钟状态参数值越大，其可靠程度越小。

然后，将接收到的相同时钟状态参数的时钟偏差进行算数平均得到平均时钟偏差，平均时钟偏差(offset

接着，为不同的平均时钟偏差设置权值，首先选择最小的时钟状态参数，其对应的平均时钟偏差分配最大权值，然后剩余的时钟状态参数将平分剩余的权值，最后根据每个时钟状态参数分配的权值加权计算得到加权时钟偏差。值得说明的是，在本实施例中，时钟状态参数值越大，其对应的平均时钟偏差的权值越小。

S4：根据加权时钟偏差，修正本地时钟完成时间同步。

需要说明的是，当自组织网络中的所有节点按照本实施例的方法进行数轮之后，自组织网络中的节点将同步到拥有卫星授时的节点或者网络中所有节点时钟的平均值。

本实施例的适用于自组织网络的时间同步方法，通过节点间交换时间息确定时钟偏差，并根据邻居节点的时钟状态参数对时钟偏差动态分配权值，然后根据加权时钟偏差修正本地时钟，当网络的拓扑发生改变或是卫星授时突然消失时，所有节点依然保持同样的同步方式不需要任何切换，时钟同步的效果不会出现大规模的波动，增强了自组织网络的时钟同步的稳定性与健壮性。

进一步地，请参见图3，图3是本发明实施例提供的另一种适用于自组织网络的时间同步方法的流程图。如图所示，与上述实施例相比，本实施例的时间同步方法，还包括：

S3’：根据时钟偏差计算得到时钟偏差的方差，并根据时钟偏差的方差确定下一次时间同步过程中进行交互的邻居节点信息。

其中，邻居节点信息包括邻居节点的数量和对象。

在本实施例中，在下一次的时间同步过程中，根据确定的邻居节点的数量和对象，获取节点与其邻居节点之间交互的时间信息。

具体地，请参见图5，图5是本发明实施例提供的确定进行交互的邻居节点信息的流程示意图。如图所示，步骤S3’包括：

根据时钟偏差计算得到时钟偏差的方差；

将时钟偏差的方差与预设的阈值进行比较，若时钟偏差的方差大于阈值，则确定下一次时间同步过程中进行交互的邻居节点的数量大于上一次时间同步过程中进行交互的邻居节点的数量，且按照时钟偏差从小到大依次选择邻居节点；

若时钟偏差的方差小于阈值，则确定下一次时间同步过程中进行交互的邻居节点的数量小于或等于上一次时间同步过程中进行交互的邻居节点的数量，且按照时钟偏差从小到大依次选择邻居节点。

在本实施中，阈值根据时间同步的精度以及节点的数目进行设定。

如果时钟偏差的方差大于阈值，则说明自组织网络的同步状态并不理想，那么，在下一次时间同步过程中，可以选择与更多的邻居节点或所有的邻居节点交换时间信息，以加快自组织网络的时间同步。

如果时钟偏差的方差小于阈值，则说明自组织网络的同步状态已经接近收敛，那么，在下一次时间同步过程中，可以选择维持当前数量邻居节点或更少的邻居节点交换时间信息，以节省通信开销。

优选地，按照时钟偏差从小到大依次选择邻居节点，可以加快收敛速度。

当自组织网络中的所有节点按照本实施例的方法进行数轮之后，自组织网络中的节点将同步到拥有卫星授时的节点或者网络中所有节点时钟的平均值。

本实施例的其他步骤与前述的实施例相同，在此不再赘述。

本实施例的适用于自组织网络的时间同步方法，在时间同步过程中，根据时钟偏差计算得到时钟偏差的方差，并根据时钟偏差的方差确定下一次时间同步过程中进行交互的邻居节点的数量，可以节省通信资源。

实施例二

本实施例提供了一种时间同步系统，请参见图6，图6是本发明实施例提供的一种时间同步系统的结构示意图。如图所示，本实施例的时间同步系统，包括：时间跟踪与同步模块1、时钟偏差信息处理模块2和自适应权值调整分配模3，其中，时间跟踪与同步模块1用于获取节点的时间信息以及该节点与其邻居节点交互的时间信息；时钟偏差信息处理模块2用于根据时间信息得到各节点之间的时钟偏差；自适应权值调整分配模3用于对时钟偏差进行权值调整和分配，得到加权时钟偏差，进一步地，时间跟踪与同步模块1还用于根据加权时钟偏差，修正本地时钟完成时间同步。

在本实施例中，时间跟踪与同步模块1作为虚拟时钟，与本地参考时钟源共同构成本地时钟。时间跟踪与同步模块1为锁相环电路，锁相环电路根据加权时钟偏差对时钟同步误差和频率误差进行调整。

请参见图7，图7是本发明实施例提供的另一种时间同步系统的结构示意图。如图所示，在其他实施例中，时间同步系统还包括，同步信令帧收发控制模块4和同步信令帧接收与发送模块5。其中，同步信令帧收发控制模块4用于根据时钟偏差计算得到时钟偏差的方差，根据时钟偏差的方差确定下一次时间同步过程中的交互的邻居节点信息，并产生第一控制信号或第二控制信号，其中，邻居节点信息包括邻居节点的数量和对象。同步信令帧接收与发送模块5用于根据第一控制信号或第二控制信号，实现节点与其邻居节点之间的交互。

具体地，同步信令帧收发控制模块4根据时钟偏差以及当前网络拓扑连接关系，确定下一次时间同步过程中的交互的邻居节点的数量、对象以及交互的具体方式。同步信令帧接收与发送模块5用于实现节点与邻居节点之间进行时间信息的交换，包括时间戳信息和时钟状态参数。

进一步地，请参见图8，图8是本发明实施例提供的自适应权值调整分配模块的结构示意图。如图所示，自适应权值调整分配模块3包括节点判断单元301、权值调整分配单元302和加权时钟偏差计算单元303。在本实施例中，节点判断单元301用于根据节点的时钟状态参数以及节点接收的时钟状态参数，判断节点是否拥有卫星授时功能；权值调整分配单元302用于根据节点判断单元301的判断结果进行权值调整分配，其中，当节点拥有卫星授时功能，则保持该节点的时钟状态参数不变，并将全部权值分配至该节点；当节点不拥有卫星授时功能，则将该节点的时钟状态参数更新为接收的最小时钟状态参数加1，对接收到相同时钟状态参数的时钟偏差，进行算数平均计算得到平均时钟偏差，并对最小时钟状态参数对应的平均时钟偏差分配最大权值，剩余的时钟状态参数对应的平均时钟偏差平分剩余权值；加权时钟偏差计算单元303，用于根据分配的权值加权计算得到加权时钟偏差。

进一步地，请参见图9，图9是本发明实施例提供的同步信令帧收发控制模块的结构示意图。如图所示，同步信令帧收发控制模块4包括：方差计算单元401、比较单元402和控制信号产生单元403。在本实施例中，方差计算单元401用于根据时钟偏差计算得到时钟偏差的方差；比较单元402用于将时钟偏差的方差与预设的阈值进行比较；控制信号产生单元403用于根据比较单元402的比较结果产生第一控制信号和第二控制信号，其中，当时钟偏差的方差大于阈值，则确定下一次时间同步过程中进行交互的邻居节点的数量大于上一次时间同步过程中进行交互的邻居节点的数量，且按照时钟偏差从小到大依次选择邻居节点，并产生第一控制信号；当时钟偏差的方差小于阈值，则确定下一次时间同步过程中进行交互的邻居节点的数量小于或等于上一次时间同步过程中进行交互的邻居节点的数量，且按照时钟偏差从小到大依次选择邻居节点，并产生第二控制信号。

实施例三

本实施例提供了一种时间同步处理设备，包括存储器100和处理器200，其中，存储器100，用于存放计算机程序；处理器200，用于执行存储器100上所存放的程序时，实现实施例一所述的方法步骤。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。