一種基於卡爾曼濾波器的tdma節點開環網絡時間同步方法
2023-07-16 06:57:26
一種基於卡爾曼濾波器的tdma節點開環網絡時間同步方法
【專利摘要】一種基於卡爾曼濾波器的TDMA節點開環網絡時間同步方法，包括以下步驟：NTR節點廣播信標信息。非NTR接收到廣播信標後，確定自己發送詢問信息的時隙號及更新本地時鐘。非NTR通過與NRT交互RTT-I和RTT-R信息，並計算出測量時間。非NTR利用同步濾波器矯正其本地時鐘，其通過RTT詢問得到的測量時間校對本地預測時間進行修正，通過迭代估計非NTR時間的相位和溫漂頻率。這種迭代式的估計方法能使同步端機實現精準的時間同步。同步濾波器可在無測量時間更新的較長時間內持續同步保持。本發明良好地解決了高動態快速移動環境下的TDMA節點時間同步問題，提高了網絡同步精度，協議處理簡單，佔用資源量小，對設備要求低。
【專利說明】—種基於卡爾曼濾波器的TDMA節點開環網絡時間同步方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基於卡爾曼濾波器的TDMA節點的開環網絡時間同步方法，屬於通信網絡領域，適用於基於時分多址接入的無線網絡。
【背景技術】
[0002]數據鏈系統通過數據鏈網絡即時獲取、處理目標信息，攻擊目標實現「發現即摧毀」。武器系統通過多址接入協議適時有序接入無線信道。多址接入協議選擇及設計是否合理，對整個數據鏈網絡的性能起著決定性作用。而TDMA傳輸可靠且時延抖動小，適用於傳輸大容量實時數據。但TDMA需要完成各節點間時隙同步，建立鏈路時間較長。
[0003]傳統方法在傳輸距離動態變化劇烈的環境下，待同步端機詢問路徑與應答路徑差距較大(尤其是詢問幀和應答幀不在同一時隙，且其相互間隔較大)，會導致來自往返時間RTT測量的時間誤差失準。不再適合作為時鐘校正的主要依據。反而本地同步濾波器受距離變化影響小，其時鐘預測值可作為時鐘校正的依據，並且其收斂穩定後在較長時間內(無外部測量更新)保持相對穩定可靠。從而解決了 TDMA時間同步在高動態快速移動環境下的時間同步問題。本情況可以針對數據鏈路由於視距，或幹擾形成的鏈路長時間中斷情況，並不影響TDMA網絡的時鐘同步。論文《適於機動TDMA衛通站的開環網絡同步方法》、《基於最優時鐘偏差的無線傳感器網絡同步算法》和《TDMA網絡精確同步的實現》在時鐘同步過程中均採用卡爾曼濾波器，但是論文《適於機動TDMA衛通站的開環網絡同步方法》針對衛星通信站同步時引用卡爾曼濾波進行處理的狀態矢量分別為距離差，徑向速度和固定頻偏。且其時幀協議相對簡單，待同步端機無需發送詢問信息。論文《基於最優時鐘偏差的無線傳感器網絡同步算法》採用應答詢問信息，但其時鐘誤差模型相對簡單，只處理時鐘的相位矢量。論文《TDMA網絡精確同步的實現》提出採用卡爾曼濾波進行有源校時，但對時鐘建模過程和卡爾曼濾波執行過程卻沒有詳細闡述，且其未引入同步保持功能。
【發明內容】
[0004]本發明的技術解決問題是:克服現有技術的不足，提供了一種基於卡爾曼濾波器的TDMA節點開環網絡時間同步方法，良好的解決了高動態快速移動環境下的TDMA節點時間同步問題，提高了網絡同步精度，協議處理簡單，佔用資源量小，對設備要求低。
[0005]本發明的技術解決方案是:一種基於卡爾曼濾波器的TDMA節點開環網絡時間同步方法，所述卡爾曼濾波器包括:測量矩陣，狀態轉移矩陣和誤差狀態協方差矩陣；步驟如下:
[0006](I)建立非NTR節點的本地時鐘參數模型，具體形式為:t = θ+ωΤ，其中Θ為時間相位，ω為時鐘溫漂頻率，T為更新周期，在開環網絡時間同步過程中利用更新周期維護表對更新周期T進行更新，t為非NTR節點的本地時鐘；進入步驟(2);
[0007]⑵NTR節點廣播信標信息，非NTR節點接收到廣播信標信息後，利用廣播信標信息中的時隙信息確定自身發送詢問信息的時鐘同步時隙，並利用廣播信標信息中的時間信息更新非NTR節點的本地時鐘t，所述NTR節點為高動態TDMA節點中的時間參考節點，非NTR節點為高動態TDMA節點中的除時間參考節點之外的其他所有參與節點；
[0008](3)非NTR節點在步驟⑵中確定的發送詢問信息的時鐘同步時隙內向NTR節點發送詢問信息RTT-1，NTR節點收到RTT-1後記錄到達時間，並在預先設定的同一時鐘同步時隙中的時刻Ta向非NTR節點發送反饋信息RTT-R ；
[0009](4)若非NTR節點收到步驟(3)中NTR節點發送的反饋信息RTT-R，則利用公式
【權利要求】
1.一種基於卡爾曼濾波器的TDMA節點開環網絡時間同步方法，所述卡爾曼濾波器包括:測量矩陣，狀態轉移矩陣和誤差狀態協方差矩陣；其特徵在於步驟如下: (1)建立非NTR節點的本地時鐘參數模型，具體形式為:t= θ+ωΤ，其中Θ為時間相位，ω為時鐘溫漂頻率，T為更新周期，在開環網絡時間同步過程中利用更新周期維護表對更新周期T進行更新，t為非NTR節點的本地時鐘；進入步驟(2); (2)NTR節點廣播信標信息，非NTR節點接收到廣播信標信息後，利用廣播信標信息中的時隙信息確定自身發送詢問信息的時鐘同步時隙，並利用廣播信標信息中的時間信息更新非NTR節點的本地時鐘t，所述NTR節點為高動態TDMA節點中的時間參考節點，非NTR節點為高動態TDMA節點中的除時間參考節點之外的其他所有參與節點； (3)非NTR節點在步驟⑵中確定的發送詢問信息的時鐘同步時隙內向NTR節點發送詢問信息RTT-1，NTR節點收到RTT-1後記錄到達時間，並在預先設定的同一時鐘同步時隙中的時刻Ta向非NTR節點發送反饋信息RTT-R ；
計算出測量時鐘誤差，並利用測量時鐘誤差ε和步驟(2)中更新的非NTR節點的本地時鐘t計算非NTR節點的測量時間值Z (n) = t+ ε，式中TOA1為RTT-1到達NTR節點時NTR節點記錄的到達時間，Ta為NTR節點發送RTT-R的時刻，TOAk為RTT-R到達非NTR節點時非NTR節點記錄的到達時間； 若非NTR節點沒有收到步驟(3)中NTR節點發送的反饋信息RTT-R，則將非NTR節點的本地時鐘預測值
作為非NTR節點的測量時間值，式中H (η)為卡爾曼濾波器的測量矩陣，
為時間相位和時鐘溫漂頻率的預測值； (5)利用步驟⑷中計算得到的非NTR節點的測量時間值Ζ(η)和非NTR節點的本地時鐘預測值之(η,η-1)計算新息
,將超出預設新息數值範圍的新息剔除，得到有效新息α (η)； (6)利用卡爾曼濾波器的誤差狀態協方差推移矩陣Ρ(η，η-1)、狀態轉移矩陣Φ (η+1，η)和測量矩陣H (η)計算卡爾曼增益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 為新息相關陣，Q2為測量過程噪聲； (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)相乘得到測量時間的時間相位修正值和時鐘溫漂頻率修正值K (η) a (η)； (8)將當前更新周期的非NTR節點的本地時鐘預測值
與卡爾曼濾波器的狀態轉移矩陣Φ(η+1，η)相乘，再與步驟(7)中測量時間的時間相位修正值和時鐘溫漂頻率修正值相加，相加後的結果與卡爾曼濾波器的測量矩陣相乘得到下一更新周期非NT R節點的本地時鐘預測值；下一更新周期非NT R節點本地時鐘預測值具體為:
(9)利用步驟(6)中計算的卡爾曼增益Κ(η)、卡爾曼濾波器的測量矩陣Η(η)和狀態轉移矩陣Φ(η+1，η)更新誤差狀態協方差矩陣P (η)，然後利用更新後的誤差狀態協方差矩陣更新誤差狀態協方差推移矩陣P (η, η-1)； (10)重複步驟(2)-步驟(9)，直到步驟(9)中計算得到的誤差狀態協方差矩陣Ρ(η)中的時間相位誤差值均小於預設的收斂門限，時間同步過程結束，非NTR節點的測量時間值不再更新；進入步驟(11); (11)TDMA開環網絡進入時間同步保持狀態，利用更新周期維護表對更新周期T進行更新，進行時間品質等級評定，重複步驟(5)-步驟(9)，若步驟(9)中計算得到的誤差狀態協方差矩陣中的時間相位誤差值有一個大於預設的收斂門限，則重複步驟(1)-步驟(11)。
2.根據權利要求1所述的一種高動態TDMA節點開環網絡同步方法，其特徵在於:所述步驟(1)中在開環網絡時間同步過程中利用更新周期維護表對更新周期T進行更新，具體為: 非NTR節點中卡爾曼濾波器在未收斂前其均為精同步狀態，收斂後處於同步保持狀態，根據表1所示的更新周期維護表確定卡爾曼濾波系統的更新周期Τ，其中精同步狀態Α、精同步狀態B和精同步狀態C均為初始設置；根據初始設置的精同步狀態的不同，在精通步狀態時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Α、同步保持狀態B、同步保持狀態C和同步保持狀態D也為初始設置，根據初始設置的同步保持狀態的不同，在同步保持狀態時選擇不同的更新周期； 表1中時隙為TDMA網絡的基本時間單兀,若干時隙組成一個時幀，若干時幀組成一個時元； 表1
同步保持狀態和精同步狀態對應的更新周期在一次時間同步過程中不再改變。
3.根據權利要求1所述的一種高動態TDMA節點開環網絡同步方法，其特徵在於:所述步驟(9)中利用步驟(6)中計算的卡爾曼增益K(n)、卡爾曼濾波器的測量矩陣H(n)和狀態轉移矩陣Φ (η+1, η)更新誤差狀態協方差矩陣P (η)，然後利用更新後的誤差狀態協方差矩陣更新誤差狀態協方差推移矩陣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)對預測誤差相關矩陣進行更新，其中Φ (η, η+1) = Φ η (η+1, η),更新後的誤差狀態協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為零均值過程系統噪聲向量，由公式
給出，其中^為相位噪聲的自相關值，&為頻率噪聲的自相關值。
4.根據權利要求1所述的一種高動態TDMA節點開環網絡同步方法，其特徵在於:所述步驟(11)中進行時間品質等級評定，具體為:利用表2所示的時間品質等級評定表，將預測誤差狀態協方差矩陣Ρ(η，η-1)中第一行第一列的時間相位預測誤差自相關值與各個時間品質等級相對應的時間同步精度相比較，判定時間品質等級，若誤差狀態協方差矩陣中的時間相位誤差值大於低一級時間品質對應的同步精度值，且小於高一級時間品質對應的同步精度值，則判定當前時間品質等級為低一級時間品質，若誤差狀態協方差矩陣中的時間相位誤差值小於時間品質等級I的對應時間精度值，則將其判定為時間品質等級1， 表2
【文檔編號】H04J3/06GK104135333SQ201410355572
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月24日 優先權日:2014年7月24日
【發明者】王賞, 金世超, 趙媛, 李爽 申請人:航天恆星科技有限公司