一种无线通信的时间同步方法及装置与流程

1.本发明属于本发明涉及通信领域，具体涉及一种无线通信的时间同步方法及装置。


背景技术：

2.在无线通信过程中，常采用扩频、跳频、正交频分复用等多种方式进行通信，通信频率和信号参数时刻变化。为了实现有效的通信，通常以tod时间作为主要变量，确定任意时刻通信双方的频率和信号参数。
3.在无线通信条件下，通信双方的使用场景十分复杂，经常难以通过卫星授时、网络授时等方式获取准确的tod时间。同时由于信道条件和通信频段的不同，信号传输时延有较大差别，也会对通信质量造成影响。若采用预置tod时间的方式，则需要通信设备配置极高精度的晶振来降低时钟漂移，这将极大增加硬件成本。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求中的一种或者多种，本发明提供了一种无线通信的时间同步方法，包括如下步骤：
5.s101：主、从设备根据tod时间划分通信时隙；
6.s102：所述主设备发起时间同步业务，发送时间同步信息；
7.s103：所述从设备接收到时间同步信息，解析信息获取所述主设备的tod时间并计算信号时延，重新设置本地tod时间，并向所述主设备回复ack信号；
8.s104.：所述主设备获取ack信号后进入协同工作模式，定期发送时间同步信息，维持所述主、从设备的时间同步状态。
9.优选地，所述所述步骤s101中，所述主、从设备根据所述tod时间，以每个自然日起始时刻作为时隙划分的起始点，以τ0为时隙长度，等间隔地划分时隙，再将该时隙均分为第一子时隙和第二子时隙。
10.优选地，所述主、从设备所处状态分为时间同步工作模式和协同工作模式，在所述时间同步工作模式，所述主设备在接收到时间同步指令后，在下一个第一子时隙起始时，发起时间同步业务，进行时间同步波形调制，在指定频率上发送时间同步信息；
11.所述从设备在指定频率上值守，保持数据接收状态，若接收到时间同步波形则进行解调；解调失败，从设备继续值守，等待接收时间同步波形；解调成功，则从时间同步波形中还原出时间同步信息，获取所述主设备的tod信息，并计算出信息传输延时，根据上述信息调整本地tod时间和时隙起始时刻；
12.调整完成后，从设备根据新设定的tod时间划分时隙，从第二子时隙起始时，进行ack波形调制，在指定频率上发送ack信号，随即转为接收模式，接收所述主设备ack响应信号。
13.在第二子时隙的时间范围内，所述主设备在指定频率上接收数据，接收到ack波形
后进行解调；解调失败，主设备在下一个第一子时隙起始时，继续发起时间同步业务；解调成功，则向从设备回复ack响应信号，同时转为协同工作模式；
14.所述从设备在接收到ack响应信号并成功解调后，进入所述协同工作模式。
15.优选地，在协同工作模式下，主设备每隔m个时隙，在第一子时隙起始时，发起时间校准业务，在指定频率上进行时间校准波形调制，向从设备发送时间校准信息，从设备在指定频率上值守，接收到时间校准波形则进行解调；
16.解调失败，所述从设备在下一个时隙继续值守，等待接收时间校准波形，连续n个时隙内未能成功解调，从设备回到时间同步工作模式；解调成功，所述从设备根据获取的所述主设备tod信息和计算得出的信息传输延时，调整本地tod时间，并在第二子时隙起始时，进行ack波形调制，在指定频率上发送ack信号，同时继续保持协同工作模式；
17.所述主设备则在第二子时隙的时间范围内，在指定频率上接收数据，接收到ack波形后进行解调；解调失败，主设备在下一个第一子时隙起始时，继续发起时间校准业务，所述主设备连续n个时隙内未能成功解调ack波形，则切换到时间同步工作模式；解调成功，则继续保持协同工作模式。
18.优选地，所述从设备本地tod时间和时隙起始时刻调整方法，包括s201-s204的步骤：
19.s201.使用帧同步和符号定时同步进行信号时延估计，获得估计值γ0；
20.s202.综合考虑匹配滤波器时延γ1，处理器dma模块操作时延γ2，模数转换器adc群时延γ3，信号波形功率上升时间tlc时延γ4等，通过公式γ＝γ
0-γ
1-γ
2-γ
3-γ4计算得出信号时延γ；
21.s203.将信号时延γ对时隙长度τ0取余，得到需要调整的时钟时延
22.s204.调整定时器配置，将根据tod计算得出的每个时隙起始时刻延迟完成本地时隙起始时刻时间调整。
23.本发明还提供了一种用于实施上述方法的无线通信时间同步装置，所述装置包括电连接的天线、射频处理模块、基带处理模块、电源模块和对外接口模块；
24.所述天线用于接收和发送信号；
25.所述射频处理模块用于对射频信号进行滤波、放大、调频处理，并与所述基带处理模块一起实现时间同步；
26.所述基带处理模块用于对射频信号进行存储和数据处理，并与所述射频处理模块一起实现时间同步；
27.所述电源模块用于对所述天线、所述射频处理模块、所述基带处理模块和所述对外接口模块提供电能；
28.所述对外接口模块用于外部通信。
29.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有的有益效果包括：
30.(1)本发明提供的一种无线通信的时间同步方法及装置，通过主设备发起时间同步业务，向从设备发送时间同步信息，从设备根据接收到的时间同步信息，调整本地tod时间，主设备确认从设备回复的ack信息后进入协同阶段并向从设备回复ack响应，在协同阶
段周期性地发送时间同步信息，维持主从设备的时间同步状态。通过上述步骤，在缺乏外部装置授时、系统内不同设备之间信号时延不同、晶振精度不高的条件下，依然能够保证系统内主从设备的时间同步状态。
附图说明
31.图1是是本发明实施例提供的一种无线通信的时间同步方法的流程示意图；
32.图2是本发明实施例提供的一种无线通信的时间同步方法的时隙划分方式；
33.图3是本发明实施例提供的一种无线通信的时间同步方法的主从设备时间同步流程；
34.图4是本发明实施例提供的一种无线通信的时间同步方法的数据波形帧格式；
35.图5是本发明实施例提供的一种无线通信的时间同步方法的数据单元格式；
36.图6是本发明实施例提供的一种无线通信的时间同步方法的时隙起始时刻校正过程；
37.图7是本发明实施例提供的一种无线通信的时间同步装置的结构框图。
具体实施方式
38.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
39.实施例：
40.如图1所示，在一个实施例中，本发明提供一种无线通信的时间同步方法，包括s101-s104的步骤：
41.s101.主从设备根据tod时间划分通信时隙；
42.s102.主设备发起时间同步业务，发送时间同步信息；
43.s103.从设备接收到时间同步信息，解析信息获取主设备的tod时间并计算信号时延，重新设置本地tod时间和时隙起始时刻，并向主设备回复ack信号；
44.s104.主设备获取ack信号并成功解析后进入协同阶段，定期发送时间同步信息，维持主从设备的时间同步状态。
45.在上述步骤s101中，所述的主从设备根据tod时间划分通信时隙具体方法如图2所示。
46.主设备和从设备根据tod时间，以每个自然日起始时刻作为时隙划分的起始点，以τ0为时隙长度，等间隔地划分时隙，再将该时隙均分为子时隙1和子时隙2。
47.根据设备所处状态的不同，分为时间同步阶段和协同工作阶段。
48.所述时间同步阶段和协同工作阶段主从设备时间同步流程如图3所示。
49.在时间同步阶段，主设备在接收到时间同步指令后，在下一个子时隙1起始时，发起时间同步业务，进行时间同步波形调制，在指定频率上发送时间同步信息。
50.从设备在指定频率上值守，保持数据接收状态，若接收到时间同步波形则进行解调。解调失败，从设备继续值守，等待接收时间同步波形；解调成功，则从时间同步波形中还
原出时间同步信息，获取主设备的tod信息，并计算出信息传输延时，根据上述信息调整本地tod时间和时隙起始时刻。
51.调整完成后，从设备根据新设定的tod时间划分时隙，在子时隙2起始时，进行ack波形调制，在指定频率上发送ack信号，随即转为接收模式，接收主设备ack响应信号。
52.在子时隙2的时间范围内，主设备在指定频率上接收数据，接收到ack波形后进行解调。解调失败，主设备在下一个子时隙1起始时，继续发起时间同步业务；解调成功，则向从设备回复ack响应信号，同时转为协同工作模式。
53.从设备在接收到ack响应信号并成功解调后，进入协同工作模式阶段。
54.在协同工作模式下，主设备每隔m个时隙，在子时隙1起始时，发起时间校准业务，在指定频率上进行时间校准波形调制，向从设备发送时间校准信息，从设备在指定频率上值守，接收到时间校准波形则进行解调。
55.解调失败，从设备在下一个时隙继续值守，等待接收时间校准波形，连续n个时隙内未能成功解调，从设备回到时间同步阶段；解调成功，从设备根据获取的主设备tod信息和计算得出的信息传输延时，调整本地tod时间，并在子时隙2起始时，进行ack波形调制，在指定频率上发送ack信号，同时继续保持协同工作模式。
56.主设备则在子时隙2的时间范围内，在指定频率上接收数据，接收到ack波形后进行解调。解调失败，主设备在下一个子时隙1起始时，继续发起时间校准业务，主设备连续n个时隙内未能成功解调ack波形，则切换到时间同步阶段；解调成功，则继续保持协同工作模式。
57.在一个实施例中，如图4所示，所述时间同步信息和时间校准信息具有统一的数据波形帧格式。数据波形的帧格式由336符号组成，共负荷22字节的数据信息，其中功率等级控制部分(transmit level control，tlc)为48符号，同步头(preamble)为112符号，数据部分(data)为176符号。同步头由长112符号的qpsk已知序列组成，具有良好的自相关性，主要用于信号同步、信道参数估计等。
58.一个实施例的qpsk已知序列符号组成如下表所示。
59.[0060][0061]
在一个实施例中，所述ack数据波形帧格式如图4所示，由112符号组成，其中tlc为48符号，ack数据部分为64符号，用于反馈数据帧是否接收成功。
[0062]
一个实施例的ack符号映射表如下表所示。
[0063]
[0064][0065]
在一个实施例中，数据波形的符号速率为1200符号/秒，数字调制方法为qpsk调制，中频载波为1800hz。
[0066]
在一个实施例中，如图5所示，所述时间同步信息数据单元负荷22字节信息(176bits)，包括协议头、数据包标识id、本机地址、对端地址、日期、时间、crc校验字等；所述时间校准信息数据单元负荷22字节信息(176bits)，包括协议头、数据包标识id、对端地址、链接id、日期、时间、crc校验字等。
[0067]
在一个实施例中，采用粗同步对信号帧进行帧同步，同时确定精同步的搜索区间，采用精同步进行符号定时同步，在搜索区间内对信号时延γ0进行准确估计。
[0068]
在所述粗同步过程中，利用零相滤波器对接收信号进行匹配滤波，然后利用滑动时间窗采样得到中间参量并进行似然函数计算，当似然函数值超过同步判决门限时，对似然函数值进行峰值搜索，确定精同步的搜索区间；
[0069]
在所述精同步过程中，在搜索区间内进行迭代搜索，并根据估计的时延值生成群时延的匹配滤波器，对接收信号进行补偿后，利用最小二乘逼近函数度量，同时在迭代过程中采用高斯插值获取精确的估计结果，提高搜索速度，减少迭代次数。
[0070]
所述从设备本地tod时间和时隙起始时刻调整方法如图6所示，包括s201-s204的步骤：
[0071]
s201.使用帧同步和符号定时同步进行信号时延估计，获得估计值γ0；
[0072]
s202.综合考虑匹配滤波器时延γ1，处理器dma模块操作时延γ2，模数转换器adc群时延γ3，信号波形功率上升时间tlc时延γ4等，通过公式γ＝γ
0-γ
1-γ
2-γ
3-γ4计算得出信号时延γ；
[0073]
s203.将信号时延γ对时隙长度τ0取余，得到需要调整的时钟时延
[0074]
s204.调整定时器配置，将根据tod计算得出的每个时隙起始时刻延迟完成本地时隙起始时刻时间调整。
[0075]
在另一个实施例中，如图6所示，本发明提供一种能够实现上述任一处理方法的一种无线通信时间同步装置，包括依次电连接的天线、射频处理模块、基带处理模块、电源模块和对外接口模块。
[0076]
所述天线需适配装置实际工作的通信频段；
[0077]
所述射频处理模块包括射频开关、带通滤波器、低噪声放大器、混频器、中频滤波器、频率合成器、正交调制解调器、时钟晶振、缓冲器和功率放大器等部件；
[0078]
所述基带处理模块包括数字信号处理、存储器、a/d转换器、d/a转换器、平衡/不平衡转换器等部件；
[0079]
所述电源模块需产生支持各个模块工作的合适电压，并提供足额的功率；
[0080]
所述对外接口模块支持i2c、spi、uart等串行接口，支持usb、以太网等高速接口，亦可支持蓝牙、wlan等无线通信接口。
[0081]
本领域的技术人员容易理解，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。