本申請涉及無線通信，特別是涉及一種基于增強時鐘模型的分布式無線網(wǎng)絡(luò)時間同步方法和裝置。

背景技術(shù)：

1、隨著物聯(lián)網(wǎng)（iot）和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，越來越多的應(yīng)用對時間同步精度提出了更高的要求。精確的時間同步在無人機集群飛行控制、車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)同步、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位、分布式網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域中扮演著不可或缺的角色。

2、目前，物聯(lián)網(wǎng)時間同步技術(shù)普遍依賴于基于無線通信協(xié)議的方法，包括藍(lán)牙、wi-fi、zigbee等。不同的協(xié)議各具優(yōu)勢，適用于不同的場景，基于藍(lán)牙的時間同步通常通過周期性廣播信號來實現(xiàn)，即通過發(fā)送和接收時間戳來推算時間差異并校正設(shè)備時鐘。wi-fi時間同步方法主要依賴于ieee?802.11協(xié)議或基于mac層的時間戳傳輸機制，能夠提供比藍(lán)牙更高的同步精度。wi-fi設(shè)備通過在mac層生成和傳輸精確的時間戳信息，能夠?qū)⑼骄忍岣叩?至10微秒，甚至在局部網(wǎng)絡(luò)中，通過精確的時間戳記錄和高頻校正，可以實現(xiàn)亞微秒級的同步精度。

3、盡管上述基于無線通信協(xié)議的時間同步方法具有廣泛應(yīng)用，但其同步精度依然存在一定的局限性。例如：無線通信極易受到外部干擾和信道衰減的影響，特別是在復(fù)雜環(huán)境下，干擾會導(dǎo)致信號丟失或延遲，進(jìn)而降低時間同步精度；物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常使用成本較低的晶振，這些晶振的頻率穩(wěn)定性不高，導(dǎo)致設(shè)備的本地時鐘容易產(chǎn)生漂移，增大了時間同步誤差；在分布式無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，信號需要經(jīng)過多跳節(jié)點傳輸，網(wǎng)絡(luò)路徑的差異會導(dǎo)致同步精度下降。

4、因此，盡管基于藍(lán)牙、wi-fi、zigbee等無線通信協(xié)議的時間同步方法具有一定的優(yōu)勢，但在高精度需求背景下，這些方法仍難以達(dá)到理想的同步效果。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、基于此，有必要針對上述時間同步精度低，時間同步易受干擾等技術(shù)問題，提供一種基于增強時鐘模型的分布式無線網(wǎng)絡(luò)時間同步方法和裝置，用于提升基于藍(lán)牙、wi-fi、zigbee等無線通信協(xié)議的時間同步方法的時間同步精度。

2、一種基于增強時鐘模型的分布式無線網(wǎng)絡(luò)時間同步方法，所述方法包括：

3、構(gòu)建分布式無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)鋱D；所述網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)鋱D包括節(jié)點和邊，節(jié)點為分布式無線網(wǎng)絡(luò)中的通信設(shè)備，邊表示節(jié)點間的無線連接關(guān)系；

4、根據(jù)預(yù)先構(gòu)建的增強時鐘模型計算每一節(jié)點與相鄰節(jié)點的時差和頻差，根據(jù)時差和頻差進(jìn)行狀態(tài)估計，得到時差狀態(tài)向量和頻差狀態(tài)向量，根據(jù)時差狀態(tài)向量和頻差狀態(tài)向量得到聯(lián)合狀態(tài)向量，構(gòu)建聯(lián)合狀態(tài)向量的系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和系統(tǒng)狀態(tài)觀測方程；

5、根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和系統(tǒng)狀態(tài)觀測方程進(jìn)行基于卡爾曼濾波算法的迭代，得到每一節(jié)點與相鄰節(jié)點間時差和頻差的最優(yōu)估計值，根據(jù)時差和頻差的最優(yōu)估計值分別對對應(yīng)節(jié)點進(jìn)行時鐘補償和頻率補償，迭代更新每一時刻的最優(yōu)估計值，實現(xiàn)分布式無線網(wǎng)絡(luò)的時間同步。

6、一種基于增強時鐘模型的分布式無線網(wǎng)絡(luò)時間同步裝置，所述裝置包括：

7、拓?fù)鋱D構(gòu)建模塊，用于構(gòu)建分布式無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)鋱D；所述網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)鋱D包括節(jié)點和邊，節(jié)點為分布式無線網(wǎng)絡(luò)中的通信設(shè)備，邊表示節(jié)點間的無線連接關(guān)系；

8、狀態(tài)估計模塊，用于根據(jù)預(yù)先構(gòu)建的增強時鐘模型計算每一節(jié)點與相鄰節(jié)點的時差和頻差，根據(jù)時差和頻差進(jìn)行狀態(tài)估計，得到時差狀態(tài)向量和頻差狀態(tài)向量，根據(jù)時差狀態(tài)向量和頻差狀態(tài)向量得到聯(lián)合狀態(tài)向量，構(gòu)建聯(lián)合狀態(tài)向量的系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和系統(tǒng)狀態(tài)觀測方程；

9、時間同步模塊，用于根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和系統(tǒng)狀態(tài)觀測方程進(jìn)行基于卡爾曼濾波算法的迭代，得到每一節(jié)點與相鄰節(jié)點間時差和頻差的最優(yōu)估計值，根據(jù)時差和頻差的最優(yōu)估計值分別對對應(yīng)節(jié)點進(jìn)行時鐘補償和頻率補償，迭代更新每一時刻的最優(yōu)估計值，實現(xiàn)分布式無線網(wǎng)絡(luò)的時間同步。

10、一種計算機設(shè)備，包括存儲器和處理器，所述存儲器存儲有計算機程序，所述處理器執(zhí)行所述計算機程序時實現(xiàn)以下步驟：

11、構(gòu)建分布式無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)鋱D；所述網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)鋱D包括節(jié)點和邊，節(jié)點為分布式無線網(wǎng)絡(luò)中的通信設(shè)備，邊表示節(jié)點間的無線連接關(guān)系；

12、根據(jù)預(yù)先構(gòu)建的增強時鐘模型計算每一節(jié)點與相鄰節(jié)點的時差和頻差，根據(jù)時差和頻差進(jìn)行狀態(tài)估計，得到時差狀態(tài)向量和頻差狀態(tài)向量，根據(jù)時差狀態(tài)向量和頻差狀態(tài)向量得到聯(lián)合狀態(tài)向量，構(gòu)建聯(lián)合狀態(tài)向量的系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和系統(tǒng)狀態(tài)觀測方程；

13、根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和系統(tǒng)狀態(tài)觀測方程進(jìn)行基于卡爾曼濾波算法的迭代，得到每一節(jié)點與相鄰節(jié)點間時差和頻差的最優(yōu)估計值，根據(jù)時差和頻差的最優(yōu)估計值分別對對應(yīng)節(jié)點進(jìn)行時鐘補償和頻率補償，迭代更新每一時刻的最優(yōu)估計值，實現(xiàn)分布式無線網(wǎng)絡(luò)的時間同步。

14、一種計算機可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)以下步驟：

15、構(gòu)建分布式無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)鋱D；所述網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)鋱D包括節(jié)點和邊，節(jié)點為分布式無線網(wǎng)絡(luò)中的通信設(shè)備，邊表示節(jié)點間的無線連接關(guān)系；

16、根據(jù)預(yù)先構(gòu)建的增強時鐘模型計算每一節(jié)點與相鄰節(jié)點的時差和頻差，根據(jù)時差和頻差進(jìn)行狀態(tài)估計，得到時差狀態(tài)向量和頻差狀態(tài)向量，根據(jù)時差狀態(tài)向量和頻差狀態(tài)向量得到聯(lián)合狀態(tài)向量，構(gòu)建聯(lián)合狀態(tài)向量的系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和系統(tǒng)狀態(tài)觀測方程；

17、根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和系統(tǒng)狀態(tài)觀測方程進(jìn)行基于卡爾曼濾波算法的迭代，得到每一節(jié)點與相鄰節(jié)點間時差和頻差的最優(yōu)估計值，根據(jù)時差和頻差的最優(yōu)估計值分別對對應(yīng)節(jié)點進(jìn)行時鐘補償和頻率補償，迭代更新每一時刻的最優(yōu)估計值，實現(xiàn)分布式無線網(wǎng)絡(luò)的時間同步。

18、上述基于增強時鐘模型的分布式無線網(wǎng)絡(luò)時間同步方法和裝置，通過構(gòu)建分布式無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)鋱D，網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)鋱D包括節(jié)點和邊，節(jié)點為分布式無線網(wǎng)絡(luò)中的通信設(shè)備，邊表示節(jié)點間的無線連接關(guān)系，根據(jù)預(yù)先構(gòu)建的增強時鐘模型精確計算每一節(jié)點與相鄰節(jié)點的時差和頻差，根據(jù)時差和頻差進(jìn)行狀態(tài)估計，得到時差狀態(tài)向量和頻差狀態(tài)向量，根據(jù)時差狀態(tài)向量和頻差狀態(tài)向量得到聯(lián)合狀態(tài)向量，構(gòu)建聯(lián)合狀態(tài)向量的系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和系統(tǒng)狀態(tài)觀測方程；根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和系統(tǒng)狀態(tài)觀測方程進(jìn)行基于卡爾曼濾波算法的迭代，得到每一節(jié)點與相鄰節(jié)點間時差和頻差的最優(yōu)估計值，根據(jù)時差和頻差的最優(yōu)估計值分別對對應(yīng)節(jié)點進(jìn)行時鐘補償和頻率補償，迭代更新每一時刻的最優(yōu)估計值，實現(xiàn)分布式無線網(wǎng)絡(luò)的時間同步。本發(fā)明實施例，能夠提高分布式無線網(wǎng)絡(luò)的時間同步精度。

技術(shù)特征：

1.一種基于增強時鐘模型的分布式無線網(wǎng)絡(luò)時間同步方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述增強時鐘模型為：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程為：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，系統(tǒng)狀態(tài)觀測方程為：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)時差和頻差的最優(yōu)估計值分別對對應(yīng)節(jié)點進(jìn)行時鐘補償和頻率補償包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和系統(tǒng)狀態(tài)觀測方程進(jìn)行基于卡爾曼濾波算法的迭代，得到每一節(jié)點與相鄰節(jié)點間時差和頻差的最優(yōu)估計值包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)鋱D中每一節(jié)點采用穩(wěn)定的時鐘源作為時鐘模組。

8.一種基于一致性策略的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步裝置，其特征在于，所述裝置包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述增強時鐘模型為：

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程為：

技術(shù)總結(jié)
本申請涉及一種基于增強時鐘模型的分布式無線網(wǎng)絡(luò)時間同步方法和裝置。方法包括：構(gòu)建分布式無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)鋱D；根據(jù)增強時鐘模型計算每一節(jié)點與相鄰節(jié)點的時差和頻差，根據(jù)時差和頻差進(jìn)行狀態(tài)估計得到時差狀態(tài)向量和頻差狀態(tài)向量，根據(jù)時差狀態(tài)向量和頻差狀態(tài)向量得到聯(lián)合狀態(tài)向量，構(gòu)建聯(lián)合狀態(tài)向量的系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和系統(tǒng)狀態(tài)觀測方程；根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程和系統(tǒng)狀態(tài)觀測方程進(jìn)行基于卡爾曼濾波算法的迭代得到每一節(jié)點與相鄰節(jié)點間時差和頻差的最優(yōu)估計值，根據(jù)最優(yōu)估計值對對應(yīng)節(jié)點進(jìn)行時鐘補償和頻率補償，迭代更新每一時刻的最優(yōu)估計值，實現(xiàn)分布式無線網(wǎng)絡(luò)的時間同步。采用本方法能夠提高分布式無線網(wǎng)絡(luò)的時間同步精度。

技術(shù)研發(fā)人員：呂大千,王周冀,王巍,周佩元,唐希雯,何斌,楊小牛
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國人民解放軍國防科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15