一種基于卡爾曼濾波器的tdma節(jié)點(diǎn)開(kāi)環(huán)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法
【專(zhuān)利摘要】一種基于卡爾曼濾波器的TDMA節(jié)點(diǎn)開(kāi)環(huán)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，包括以下步驟：NTR節(jié)點(diǎn)廣播信標(biāo)信息。非NTR接收到廣播信標(biāo)后，確定自己發(fā)送詢(xún)問(wèn)信息的時(shí)隙號(hào)及更新本地時(shí)鐘。非NTR通過(guò)與NRT交互RTT-I和RTT-R信息，并計(jì)算出測(cè)量時(shí)間。非NTR利用同步濾波器矯正其本地時(shí)鐘，其通過(guò)RTT詢(xún)問(wèn)得到的測(cè)量時(shí)間校對(duì)本地預(yù)測(cè)時(shí)間進(jìn)行修正，通過(guò)迭代估計(jì)非NTR時(shí)間的相位和溫漂頻率。這種迭代式的估計(jì)方法能使同步端機(jī)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的時(shí)間同步。同步濾波器可在無(wú)測(cè)量時(shí)間更新的較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)持續(xù)同步保持。本發(fā)明良好地解決了高動(dòng)態(tài)快速移動(dòng)環(huán)境下的TDMA節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步問(wèn)題，提高了網(wǎng)絡(luò)同步精度，協(xié)議處理簡(jiǎn)單，占用資源量小，對(duì)設(shè)備要求低。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種基于卡爾曼濾波器的TDMA節(jié)點(diǎn)開(kāi)環(huán)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于卡爾曼濾波器的TDMA節(jié)點(diǎn)的開(kāi)環(huán)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，屬于通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，適用于基于時(shí)分多址接入的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)即時(shí)獲取、處理目標(biāo)信息，攻擊目標(biāo)實(shí)現(xiàn)“發(fā)現(xiàn)即摧毀”。武器系統(tǒng)通過(guò)多址接入?yún)f(xié)議適時(shí)有序接入無(wú)線信道。多址接入?yún)f(xié)議選擇及設(shè)計(jì)是否合理，對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)的性能起著決定性作用。而TDMA傳輸可靠且時(shí)延抖動(dòng)小，適用于傳輸大容量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。但TDMA需要完成各節(jié)點(diǎn)間時(shí)隙同步，建立鏈路時(shí)間較長(zhǎng)。
[0003]傳統(tǒng)方法在傳輸距離動(dòng)態(tài)變化劇烈的環(huán)境下，待同步端機(jī)詢(xún)問(wèn)路徑與應(yīng)答路徑差距較大(尤其是詢(xún)問(wèn)幀和應(yīng)答幀不在同一時(shí)隙，且其相互間隔較大)，會(huì)導(dǎo)致來(lái)自往返時(shí)間RTT測(cè)量的時(shí)間誤差失準(zhǔn)。不再適合作為時(shí)鐘校正的主要依據(jù)。反而本地同步濾波器受距離變化影響小，其時(shí)鐘預(yù)測(cè)值可作為時(shí)鐘校正的依據(jù)，并且其收斂穩(wěn)定后在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)(無(wú)外部測(cè)量更新)保持相對(duì)穩(wěn)定可靠。從而解決了 TDMA時(shí)間同步在高動(dòng)態(tài)快速移動(dòng)環(huán)境下的時(shí)間同步問(wèn)題。本情況可以針對(duì)數(shù)據(jù)鏈路由于視距，或干擾形成的鏈路長(zhǎng)時(shí)間中斷情況，并不影響TDMA網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步。論文《適于機(jī)動(dòng)TDMA衛(wèi)通站的開(kāi)環(huán)網(wǎng)絡(luò)同步方法》、《基于最優(yōu)時(shí)鐘偏差的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步算法》和《TDMA網(wǎng)絡(luò)精確同步的實(shí)現(xiàn)》在時(shí)鐘同步過(guò)程中均采用卡爾曼濾波器，但是論文《適于機(jī)動(dòng)TDMA衛(wèi)通站的開(kāi)環(huán)網(wǎng)絡(luò)同步方法》針對(duì)衛(wèi)星通信站同步時(shí)引用卡爾曼濾波進(jìn)行處理的狀態(tài)矢量分別為距離差，徑向速度和固定頻偏。且其時(shí)幀協(xié)議相對(duì)簡(jiǎn)單，待同步端機(jī)無(wú)需發(fā)送詢(xún)問(wèn)信息。論文《基于最優(yōu)時(shí)鐘偏差的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步算法》采用應(yīng)答詢(xún)問(wèn)信息，但其時(shí)鐘誤差模型相對(duì)簡(jiǎn)單，只處理時(shí)鐘的相位矢量。論文《TDMA網(wǎng)絡(luò)精確同步的實(shí)現(xiàn)》提出采用卡爾曼濾波進(jìn)行有源校時(shí)，但對(duì)時(shí)鐘建模過(guò)程和卡爾曼濾波執(zhí)行過(guò)程卻沒(méi)有詳細(xì)闡述，且其未引入同步保持功能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于卡爾曼濾波器的TDMA節(jié)點(diǎn)開(kāi)環(huán)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，良好的解決了高動(dòng)態(tài)快速移動(dòng)環(huán)境下的TDMA節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步問(wèn)題，提高了網(wǎng)絡(luò)同步精度，協(xié)議處理簡(jiǎn)單，占用資源量小，對(duì)設(shè)備要求低。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種基于卡爾曼濾波器的TDMA節(jié)點(diǎn)開(kāi)環(huán)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，所述卡爾曼濾波器包括:測(cè)量矩陣，狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和誤差狀態(tài)協(xié)方差矩陣；步驟如下:
[0006](I)建立非NTR節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘參數(shù)模型，具體形式為:t = θ+ωΤ，其中Θ為時(shí)間相位，ω為時(shí)鐘溫漂頻率，T為更新周期，在開(kāi)環(huán)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步過(guò)程中利用更新周期維護(hù)表對(duì)更新周期T進(jìn)行更新，t為非NTR節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘；進(jìn)入步驟(2);
[0007]⑵NTR節(jié)點(diǎn)廣播信標(biāo)信息，非NTR節(jié)點(diǎn)接收到廣播信標(biāo)信息后，利用廣播信標(biāo)信息中的時(shí)隙信息確定自身發(fā)送詢(xún)問(wèn)信息的時(shí)鐘同步時(shí)隙，并利用廣播信標(biāo)信息中的時(shí)間信息更新非NTR節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘t，所述NTR節(jié)點(diǎn)為高動(dòng)態(tài)TDMA節(jié)點(diǎn)中的時(shí)間參考節(jié)點(diǎn)，非NTR節(jié)點(diǎn)為高動(dòng)態(tài)TDMA節(jié)點(diǎn)中的除時(shí)間參考節(jié)點(diǎn)之外的其他所有參與節(jié)點(diǎn)；
[0008](3)非NTR節(jié)點(diǎn)在步驟⑵中確定的發(fā)送詢(xún)問(wèn)信息的時(shí)鐘同步時(shí)隙內(nèi)向NTR節(jié)點(diǎn)發(fā)送詢(xún)問(wèn)信息RTT-1，NTR節(jié)點(diǎn)收到RTT-1后記錄到達(dá)時(shí)間，并在預(yù)先設(shè)定的同一時(shí)鐘同步時(shí)隙中的時(shí)刻Ta向非NTR節(jié)點(diǎn)發(fā)送反饋信息RTT-R ；
[0009](4)若非NTR節(jié)點(diǎn)收到步驟(3)中NTR節(jié)點(diǎn)發(fā)送的反饋信息RTT-R，則利用公式

【權(quán)利要求】
1.一種基于卡爾曼濾波器的TDMA節(jié)點(diǎn)開(kāi)環(huán)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方法，所述卡爾曼濾波器包括:測(cè)量矩陣，狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和誤差狀態(tài)協(xié)方差矩陣；其特征在于步驟如下: (1)建立非NTR節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘參數(shù)模型，具體形式為:t= θ+ωΤ，其中Θ為時(shí)間相位，ω為時(shí)鐘溫漂頻率，T為更新周期，在開(kāi)環(huán)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步過(guò)程中利用更新周期維護(hù)表對(duì)更新周期T進(jìn)行更新，t為非NTR節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘；進(jìn)入步驟(2); (2)NTR節(jié)點(diǎn)廣播信標(biāo)信息，非NTR節(jié)點(diǎn)接收到廣播信標(biāo)信息后，利用廣播信標(biāo)信息中的時(shí)隙信息確定自身發(fā)送詢(xún)問(wèn)信息的時(shí)鐘同步時(shí)隙，并利用廣播信標(biāo)信息中的時(shí)間信息更新非NTR節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘t，所述NTR節(jié)點(diǎn)為高動(dòng)態(tài)TDMA節(jié)點(diǎn)中的時(shí)間參考節(jié)點(diǎn)，非NTR節(jié)點(diǎn)為高動(dòng)態(tài)TDMA節(jié)點(diǎn)中的除時(shí)間參考節(jié)點(diǎn)之外的其他所有參與節(jié)點(diǎn)； (3)非NTR節(jié)點(diǎn)在步驟⑵中確定的發(fā)送詢(xún)問(wèn)信息的時(shí)鐘同步時(shí)隙內(nèi)向NTR節(jié)點(diǎn)發(fā)送詢(xún)問(wèn)信息RTT-1，NTR節(jié)點(diǎn)收到RTT-1后記錄到達(dá)時(shí)間，并在預(yù)先設(shè)定的同一時(shí)鐘同步時(shí)隙中的時(shí)刻Ta向非NTR節(jié)點(diǎn)發(fā)送反饋信息RTT-R ；
計(jì)算出測(cè)量時(shí)鐘誤差，并利用測(cè)量時(shí)鐘誤差ε和步驟(2)中更新的非NTR節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘t計(jì)算非NTR節(jié)點(diǎn)的測(cè)量時(shí)間值Z (n) = t+ ε，式中TOA1為RTT-1到達(dá)NTR節(jié)點(diǎn)時(shí)NTR節(jié)點(diǎn)記錄的到達(dá)時(shí)間，Ta為NTR節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTT-R的時(shí)刻，TOAk為RTT-R到達(dá)非NTR節(jié)點(diǎn)時(shí)非NTR節(jié)點(diǎn)記錄的到達(dá)時(shí)間； 若非NTR節(jié)點(diǎn)沒(méi)有收到步驟(3)中NTR節(jié)點(diǎn)發(fā)送的反饋信息RTT-R，則將非NTR節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘預(yù)測(cè)值
作為非NTR節(jié)點(diǎn)的測(cè)量時(shí)間值，式中H (η)為卡爾曼濾波器的測(cè)量矩陣，
為時(shí)間相位和時(shí)鐘溫漂頻率的預(yù)測(cè)值； (5)利用步驟⑷中計(jì)算得到的非NTR節(jié)點(diǎn)的測(cè)量時(shí)間值Ζ(η)和非NTR節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘預(yù)測(cè)值之(η,η-1)計(jì)算新息
,將超出預(yù)設(shè)新息數(shù)值范圍的新息剔除，得到有效新息α (η)； (6)利用卡爾曼濾波器的誤差狀態(tài)協(xié)方差推移矩陣Ρ(η，η-1)、狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Φ (η+1，η)和測(cè)量矩陣H (η)計(jì)算卡爾曼增益K (η)，具體為:
K (η) = Φ (η+1, η) P (η, η-1) Ht (η) Ra (η);其中 Ra (η) = H (η) P (η, η_1) Ht (η)+Q2 為新息相關(guān)陣，Q2為測(cè)量過(guò)程噪聲； (7)將步驟(5)中的有效新息a(η)和步驟(6)中的卡爾曼增益K (η)相乘得到測(cè)量時(shí)間的時(shí)間相位修正值和時(shí)鐘溫漂頻率修正值K (η) a (η)； (8)將當(dāng)前更新周期的非NTR節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘預(yù)測(cè)值
與卡爾曼濾波器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Φ(η+1，η)相乘，再與步驟(7)中測(cè)量時(shí)間的時(shí)間相位修正值和時(shí)鐘溫漂頻率修正值相加，相加后的結(jié)果與卡爾曼濾波器的測(cè)量矩陣相乘得到下一更新周期非NT R節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘預(yù)測(cè)值；下一更新周期非NT R節(jié)點(diǎn)本地時(shí)鐘預(yù)測(cè)值具體為:
(9)利用步驟(6)中計(jì)算的卡爾曼增益Κ(η)、卡爾曼濾波器的測(cè)量矩陣Η(η)和狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Φ(η+1，η)更新誤差狀態(tài)協(xié)方差矩陣P (η)，然后利用更新后的誤差狀態(tài)協(xié)方差矩陣更新誤差狀態(tài)協(xié)方差推移矩陣P (η, η-1)； (10)重復(fù)步驟(2)-步驟(9)，直到步驟(9)中計(jì)算得到的誤差狀態(tài)協(xié)方差矩陣Ρ(η)中的時(shí)間相位誤差值均小于預(yù)設(shè)的收斂門(mén)限，時(shí)間同步過(guò)程結(jié)束，非NTR節(jié)點(diǎn)的測(cè)量時(shí)間值不再更新；進(jìn)入步驟(11); (11)TDMA開(kāi)環(huán)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入時(shí)間同步保持狀態(tài)，利用更新周期維護(hù)表對(duì)更新周期T進(jìn)行更新，進(jìn)行時(shí)間品質(zhì)等級(jí)評(píng)定，重復(fù)步驟(5)-步驟(9)，若步驟(9)中計(jì)算得到的誤差狀態(tài)協(xié)方差矩陣中的時(shí)間相位誤差值有一個(gè)大于預(yù)設(shè)的收斂門(mén)限，則重復(fù)步驟(1)-步驟(11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高動(dòng)態(tài)TDMA節(jié)點(diǎn)開(kāi)環(huán)網(wǎng)絡(luò)同步方法，其特征在于:所述步驟(1)中在開(kāi)環(huán)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步過(guò)程中利用更新周期維護(hù)表對(duì)更新周期T進(jìn)行更新，具體為: 非NTR節(jié)點(diǎn)中卡爾曼濾波器在未收斂前其均為精同步狀態(tài)，收斂后處于同步保持狀態(tài)，根據(jù)表1所示的更新周期維護(hù)表確定卡爾曼濾波系統(tǒng)的更新周期Τ，其中精同步狀態(tài)Α、精同步狀態(tài)B和精同步狀態(tài)C均為初始設(shè)置；根據(jù)初始設(shè)置的精同步狀態(tài)的不同，在精通步狀態(tài)時(shí)選擇不同的更新周期； 在同步保持階段增大更新周期，同步保持狀態(tài)Α、同步保持狀態(tài)B、同步保持狀態(tài)C和同步保持狀態(tài)D也為初始設(shè)置，根據(jù)初始設(shè)置的同步保持狀態(tài)的不同，在同步保持狀態(tài)時(shí)選擇不同的更新周期； 表1中時(shí)隙為T(mén)DMA網(wǎng)絡(luò)的基本時(shí)間單兀,若干時(shí)隙組成一個(gè)時(shí)幀，若干時(shí)幀組成一個(gè)時(shí)元； 表1

同步保持狀態(tài)和精同步狀態(tài)對(duì)應(yīng)的更新周期在一次時(shí)間同步過(guò)程中不再改變。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高動(dòng)態(tài)TDMA節(jié)點(diǎn)開(kāi)環(huán)網(wǎng)絡(luò)同步方法，其特征在于:所述步驟(9)中利用步驟(6)中計(jì)算的卡爾曼增益K(n)、卡爾曼濾波器的測(cè)量矩陣H(n)和狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Φ (η+1, η)更新誤差狀態(tài)協(xié)方差矩陣P (η)，然后利用更新后的誤差狀態(tài)協(xié)方差矩陣更新誤差狀態(tài)協(xié)方差推移矩陣P (η，n-Ι);具體為: 利用公式P (n) =P (η, η-1)-φ (η, η+1) K (η) H (η) P (η, η-1)對(duì)預(yù)測(cè)誤差相關(guān)矩陣進(jìn)行更新，其中Φ (η, η+1) = Φ η (η+1, η),更新后的誤差狀態(tài)協(xié)方差推移矩陣具體為:Ρ(η+1，η)=Φ (η+1, η) P (η) Φτ (η+1，η)+Q1，其中Q1為零均值過(guò)程系統(tǒng)噪聲向量，由公式
給出，其中^為相位噪聲的自相關(guān)值，&為頻率噪聲的自相關(guān)值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高動(dòng)態(tài)TDMA節(jié)點(diǎn)開(kāi)環(huán)網(wǎng)絡(luò)同步方法，其特征在于:所述步驟(11)中進(jìn)行時(shí)間品質(zhì)等級(jí)評(píng)定，具體為:利用表2所示的時(shí)間品質(zhì)等級(jí)評(píng)定表，將預(yù)測(cè)誤差狀態(tài)協(xié)方差矩陣Ρ(η，η-1)中第一行第一列的時(shí)間相位預(yù)測(cè)誤差自相關(guān)值與各個(gè)時(shí)間品質(zhì)等級(jí)相對(duì)應(yīng)的時(shí)間同步精度相比較，判定時(shí)間品質(zhì)等級(jí)，若誤差狀態(tài)協(xié)方差矩陣中的時(shí)間相位誤差值大于低一級(jí)時(shí)間品質(zhì)對(duì)應(yīng)的同步精度值，且小于高一級(jí)時(shí)間品質(zhì)對(duì)應(yīng)的同步精度值，則判定當(dāng)前時(shí)間品質(zhì)等級(jí)為低一級(jí)時(shí)間品質(zhì)，若誤差狀態(tài)協(xié)方差矩陣中的時(shí)間相位誤差值小于時(shí)間品質(zhì)等級(jí)I的對(duì)應(yīng)時(shí)間精度值，則將其判定為時(shí)間品質(zhì)等級(jí)1， 表2
【文檔編號(hào)】H04J3/06GK104135333SQ201410355572
【公開(kāi)日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】王賞, 金世超, 趙媛, 李爽 申請(qǐng)人:航天恒星科技有限公司