[发明专利]一种无线分布式网络的时钟同步装置及方法

说明书

本发明涉及一种无线分布式通信网络的时钟同步装置及方法，时钟同步装置包括主节点和多级从节点，搭建以主节点为中心的多层次无线分布式网络。主节点通过无线射频模块与一级从节点通信，一级从节点通过无线射频模块与二级从节点通信，二级从节点再与三级从节点通信，依次类推到多级从节点。时钟同步方法包括：主节点根据外部参考时钟信号模块对本地时钟进行校正，保证主节点时钟的精度和可靠性；多个一级从节点通过无线数据帧的交互，获取主节点的同步信息，计算得到相对相位偏差和相对频率偏差，并通过时钟修正模块修正一级从节点的时钟，实现多个一级从节点与主节点的同步。按照同样的方法，一级从节点与其关联的多个二级从节点同步，从而实现整个网络的逐级同步。

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种无线分布式网络的时钟同步装置及方法。

背景技术

无线分布式网络是一种自组织、多跳路由的无线网络，无线分布式网络中的节点具有独立的时钟源，并通过计数时钟脉冲维持本地时间概念。在很多无线分布式网络数据采集和测量的应用中，需要时间同步来保障全局时钟的一致性。网络中各节点之间的时间存在差异，主要有相位偏差offset和频率偏差skew两个原因，相位偏差offset是指各节点开始计时的初始时间不同导致的计数值偏差，频率偏差skew是指节点晶振的实际工作频率受周围环境如温度、湿度等变化的影响，导致与标准工作频率有所波动。

以下专利介绍了目前无线分布式网络的时钟同步方法：

专利《一种时钟同步方法及装置》(CN 110557826 A)利用预先构建的支持向量机模型，预测无线通信过程中主时钟设备与从时钟设备的不对称传输时延，计算相位偏差，再对时钟设备进行校准，提高了主从时钟设备的时间同步精度。

专利《一种高精度、低开销的无线传感器网络时钟同步方法》(CN 107959968 A)提出通过引入SFD中断和配置一致的消息长度等方式降低传输时延的不确定性，在此基础上计算相位偏差并校正时钟，实现了一跳范围内多个节点与主节点的快速、高精度同步。

专利《一种主从设备的对时方法》(CN 111970080 A)，基于对时主站和多个从设备完成，对时主站中设置卫星授时设备，跟踪对时，每隔T毫秒广播包含当前时间戳信息的对时命令，从设备接收对时命令并校正时钟。

上述的同步算法主要讨论了基于单跳网络，主节点与从节点互相发送报文，从节点获取并记录主、从节点的同步时间信息，从而计算节点间的相位偏差并进行软件补偿，实现时钟同步。

但是，由于不同节点的晶振实际工作频率存在偏差，相位偏差会随着时间推移逐渐积累，因此同步保持时间较短，节点的时钟同步需要周期性进行。作为网络基准的主节点的实际晶振频率与标准频率存在偏差，限制了同步精度。同时，传统的时间同步装置只包含一个主节点和若干从节点所构建的单跳网络，节点数目较少，网络可拓展性较差，同步范围受限。综上分析，现有的时钟同步装置和方法无法有效补偿相位偏差offset和频率偏差skew。

发明内容

本申请提供一种基于无线分布式网络的逐级时钟同步装置及方法，建立分级的同步网络，主节点首先根据外部参考时钟校正本地时钟，从节点通过无线数据帧的交互计算得到准确的相位偏差和频率偏差，并对时钟进行校正，从而提高主节点和多级从节点的时间同步精度，扩大同步网络覆盖的范围。

本发明技术方案为一种无线分布式网络的时钟同步装置，该装置包括网络中的一个主节点和从节点，所述从节点包括一级从节点、二级从节点、……、N级从节点；所述一级从节点直接连接主节点，二级从节点连接一级从节点，……，N级从节点连接N-1级从节点；

所述主节点包括：

外部参考时钟信号模块，用于从外部精确授时源获得精准的参考时钟信号；

第一频率偏差计算模块，用于根据所述参考时钟信号，计算所述主节点的本地时钟与所述参考时钟信号的相对频率偏差；