[发明专利]一种GPS授时脉冲在中高速传感器网络中的应用方法

说明书

技术领域

本发明属无线通信技术领域，特别是涉及一种GPS授时脉冲在中高速传感器网络中的应用方法。

背景技术

传感器网络是未来泛在网络的重要有机组成部分，近年来获得迅速发展。针对传感器网络应用多样、异构互联、协同感知等特点，具有高可扩展能力、异构适应能力、高兼容性等的三层体系架构是决定传感器网络技术细节和发展趋势的关键。中高速传感器网络是三层体系架构中的核心中间层。主要面向传感数据业务流量较大、节点资源受限问题相对缓解的高端传感节点组网互联，并解决传感网的中远程覆盖和无基础设施下传感网络覆盖。中高速传感网不是简单的通信传输网络，除要求具备任务驱动组网、中高速传输等能力外，并要求实现与底层低功耗传感网的协同、融合，实现大尺度范围内中高速传感网节点间的协同信息分发，实现热点感知区域的动态跟踪，以及全局时统等。

全球定位系统(GPS)是指20世纪70年代由美国开始研制的新一代空间卫星导航定位系统，经过30多年的发展，该技术已经非常成熟可靠。由于GPS技术具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。目前，GPS的主要用途有1)为船舶，汽车，飞机等运动物体进行定位导航定位和导航；2)在电力，邮电，通讯等网络的时间同步。

低功耗传感器网络由于受到四大受限的影响(能源受限、通信受限、计算受限、存储受限)，通常不具备GPS接收器，网络时间同步的典型算法有TPSN算法，FTSP算法，DMTS算法和RBS算法等，这些算法复杂度高，同步时间长，精度较低，目前仅停留在理论研究阶段。

中高速传感器网络对节点处理能力要求较高而对功耗要求相对降低，GPS接收器也因此得到较多的应用。目前最主要的应用仅仅局限于网络内的时间同步，并不涉及帧信号检测和自动频率偏移修正。而通常情况下，这两部分是接收设备中复杂度较高的模块，往往需要投入大量的人力和消耗较多的硬件资源。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种GPS授时脉冲在中高速传感器网络中的应用方法，利用GPS授时脉冲在中高速传感器网络中的普遍性和易用性，提出了简单的多用户时分复用结构，简化了时间同步和频率同步算法，增加了节点位移估计功能，大大节省了硬件资源和人力资源。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种GPS授时脉冲在中高速传感器网络中的应用方法，包括相互连接的GPS接收器，多用户时分复用装置，辅助帧同步信号检测装置，自动频率偏移修正装置和节点位移估计装置，所述的GPS接收器，用来接收GPS的同步时间信息，并提供校准后的授时脉冲；所述的多用户时分复用装置用来实现中高速传感网内的全网同步，采用两层结构将用户分为群节点和普通节点，每个群节点允许占用超帧群中的一个或多个超帧，每个普通节点允许超帧中的由一个或多个帧；所述的辅助帧同步信号检测装置通过GPS授时脉冲的粗同步和PN序列相关运算的精同步结合来实现数据帧的捕获；所述的自动频率偏移修正装置产生幅值数据，经过DA变换后生成电压信号来控制系统晶振，完成频率同步；所述的节点位移估计装置面向应用，通过计算GPS授时脉冲与实际的起始时刻之间的时间差来估算发送设备和接收设备之间的距离。

所述的多用户时分复用装置由本地定时器，复位器，超帧群状态控制器，超帧状态控制器和帧状态控制器组成，所述的本地定时器由若干个子定时器组成，子定时器级联完成一次超帧群的组帧和传输；所述的复位器用来接收GPS授时脉冲，并根据授时脉冲的到来时间复位所有子定时器，使得中高速传感器网络内所有接收机保持同步；所述的超帧群状态控制器用来建立超帧群结构和状态跳转；所述的超帧状态控制器用来建立超帧结构和状态跳转；所述的帧状态控制器用来建立帧结构和状态跳转，及中断信号、RF控制状态的产生。

所述的辅助帧同步信号检测装置由粗同步估计器和同步信号检测器组成；所述的粗同步估计器，利用GPS授时脉冲估计帧起始时刻，通过反馈算法逐步逼近正确的帧起始时刻的方法，其首先利用GPS授时脉冲来校准本地定时器，由所述的帧状态控制器给出粗同步时间范围，然后根据所述的同步信号检测器给出的精确同步时刻修正粗同步时间范围；所述的同步信号检测器，根据所述的粗同步估计器给出的帧起始时刻，用帧训练序列与本地存储的PN码序列做卷积运算，依次输出相关运算结果，并调用最值搜索算法，通过计算最值点的分布确定精确同步时间。