本發(fā)明涉及航空無(wú)線通信領(lǐng)域,尤其涉及一種基于聯(lián)合相關(guān)運(yùn)算的低復(fù)雜度高精度的通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步設(shè)備。
背景技術(shù):
航空網(wǎng)絡(luò)的通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步能夠解決通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部高精度的相對(duì)時(shí)間同步問(wèn)題,為協(xié)同探測(cè)、協(xié)同干擾和協(xié)同攻擊提供統(tǒng)一的時(shí)間基線,再通過(guò)導(dǎo)航授時(shí)等大范圍時(shí)空統(tǒng)一手段實(shí)現(xiàn)廣域空間內(nèi)各類航空器節(jié)點(diǎn)的“時(shí)空統(tǒng)一”。往返計(jì)時(shí)(rtt)同步是一種基于到達(dá)時(shí)間(toa)測(cè)量的雙向比對(duì)同步算法。具有時(shí)間同步精度高、實(shí)時(shí)性好和受應(yīng)用環(huán)境影響小的特點(diǎn),在國(guó)際原子時(shí)比對(duì)、航天測(cè)控和雷達(dá)等對(duì)時(shí)間同步精度要求較高的場(chǎng)合獲得了廣泛的應(yīng)用。其工作原理為利用雙向toa傳遞校時(shí)信息來(lái)校正網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間誤差,其實(shí)施流程如圖1所示。
其中,ε為通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步誤差;t0為同步詢問(wèn)機(jī)發(fā)起rtt-i的時(shí)刻;t1為同步應(yīng)答機(jī)測(cè)量的其接收到rtt-i波形的時(shí)刻;t2為同步應(yīng)答機(jī)應(yīng)答rtt-r的時(shí)刻;t3為同步詢問(wèn)機(jī)測(cè)量的其接收到rtt-r波形的時(shí)刻;d1、d2分別為rtt-i和rtt-r波形的無(wú)線空間傳輸?shù)臅r(shí)延,受同步端機(jī)相對(duì)機(jī)動(dòng)影響,二者可能存在一定差距;t_rtt為單次rtt流程的持續(xù)時(shí)間;p_rtt為同步詢問(wèn)機(jī)的最小詢問(wèn)時(shí)間間隔。上述參量滿足式1、2所示的關(guān)系。
t1=t0+d1+ε(1)
t3=t2+d2-ε(2)
聯(lián)立式1、2,可解得:
式3為通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步誤差(或通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步精度)的表達(dá)式。分析式3可知,通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的誤差主要受由以下三個(gè)因素影響:
(1)頻率準(zhǔn)確度引起的守時(shí)誤差
同步詢問(wèn)機(jī)在單次rtt流程完成時(shí)間同步后,在詢問(wèn)時(shí)間間隔p_rtt內(nèi)需要利用本地時(shí)鐘計(jì)數(shù)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行守時(shí),其守時(shí)誤差與單次rtt詢問(wèn)時(shí)間間隔p_rtt和頻率準(zhǔn)確度s有關(guān),需通過(guò)減小p_rtt和提高晶振工藝來(lái)改善;
(2)相對(duì)機(jī)動(dòng)引起的無(wú)線空間傳輸時(shí)延誤差ε(d)
受航空器相對(duì)機(jī)動(dòng)影響,rtt-i波形和rtt-r波形的無(wú)線空間傳輸時(shí)延d1、d2并不相等??紤]相向/相離飛行的極端情況,d2-d1與單次rtt的持續(xù)時(shí)間t_rtt和航空器相對(duì)機(jī)動(dòng)速度有關(guān)。該誤差不可測(cè)量,計(jì)算時(shí)賦值為0,需通過(guò)減小t_rtt或調(diào)度航空器進(jìn)行降速校時(shí)處理來(lái)改善;
(3)接收定時(shí)同步引起的測(cè)量誤差ε(τ)
同步詢問(wèn)/應(yīng)答機(jī)在單次rtt同步流程中,發(fā)射時(shí)刻t0、t2由發(fā)射模塊進(jìn)行測(cè)量,與信道、運(yùn)動(dòng)環(huán)境無(wú)關(guān);接收時(shí)刻t1、t3由接收同步模塊進(jìn)行測(cè)量,與波形體制、信道環(huán)境和同步算法存在較大的關(guān)系。
綜上,通信網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步精度與晶振頻率準(zhǔn)確度、單次rtt持續(xù)時(shí)間、單次rtt詢問(wèn)間隔時(shí)間和接收定時(shí)同步引入的測(cè)量誤差等有關(guān),前三個(gè)要素主要與硬件資源和航空組網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)有關(guān),而接收定時(shí)同步引入的測(cè)量誤差與接收定時(shí)同步算法有關(guān);特別地,在低信噪比、硬件邏輯資源受限的航空無(wú)線通信系統(tǒng)環(huán)境下,需設(shè)計(jì)性能良好的定時(shí)同步算法來(lái)降低接收定時(shí)同步引起的測(cè)量誤差ε(τ),用于接收時(shí)刻t1、t3的測(cè)量,以提高通信網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步精度。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的發(fā)明目的在于提供一種通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步設(shè)備,該通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步設(shè)備實(shí)現(xiàn)了在硬件邏輯資源受限條件下通過(guò)低復(fù)雜度高精度的計(jì)算達(dá)到通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的目的。本發(fā)明面對(duì)高動(dòng)態(tài)、低信噪比的航空組網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境下協(xié)同探測(cè)、協(xié)同干擾和協(xié)同攻擊對(duì)時(shí)間同步精度要求較高的需求,重點(diǎn)解決三類技術(shù)矛盾:時(shí)間同步序列長(zhǎng)度和同步算法工程實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的矛盾;芯片邏輯處理能力和脈沖檢測(cè)算法復(fù)雜度的矛盾;航空器機(jī)動(dòng)引起的未知群延遲與通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步模型復(fù)雜度的矛盾。
本發(fā)明的發(fā)明目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步設(shè)備,包含發(fā)射通道和接收通道,發(fā)射通道包含多突發(fā)跳時(shí)發(fā)射模塊和可控群延遲發(fā)射濾波器,接收通道包含單突發(fā)定時(shí)同步模塊、升采樣模塊和多突發(fā)聯(lián)合同步模塊;
多突發(fā)跳時(shí)發(fā)射模塊用于在一個(gè)基礎(chǔ)時(shí)隙內(nèi)將接收到的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)組成n個(gè)突發(fā)數(shù)據(jù)幀,并輸出各個(gè)突發(fā)數(shù)據(jù)幀的群延遲控制量di和突發(fā)數(shù)據(jù)幀給可控群延遲發(fā)射濾波器;其中i=1,2…n,dn為n/2,其他群延遲控制量di為任意值;
可控群延遲發(fā)射濾波器用于先計(jì)算群延遲控制量時(shí)間ti:ti=(di-n/2)td/n,根據(jù)數(shù)學(xué)映射關(guān)系:
單突發(fā)定時(shí)同步模塊用于先對(duì)接收到的n個(gè)突發(fā)數(shù)據(jù)幀分別進(jìn)行匹配抽取復(fù)基帶信號(hào),對(duì)復(fù)基帶信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算獲得復(fù)相關(guān)值,輸出脈沖檢測(cè)信號(hào),再對(duì)脈沖檢測(cè)信號(hào)以解調(diào)時(shí)鐘td的整數(shù)倍進(jìn)行時(shí)域擴(kuò)展;
升采樣模塊用于使用調(diào)制時(shí)鐘tc對(duì)時(shí)域擴(kuò)展后的脈沖檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行升采樣;
多突發(fā)聯(lián)合同步模塊用于先將升采樣后的各脈沖檢測(cè)信號(hào)寫(xiě)入到對(duì)應(yīng)的雙口ram進(jìn)行緩存,將n個(gè)雙口ram輸出的脈沖檢測(cè)信號(hào)在時(shí)間軸上對(duì)齊;再對(duì)對(duì)齊的脈沖檢測(cè)信號(hào)通過(guò)求和運(yùn)算輸出聯(lián)合脈沖檢測(cè)相關(guān)值jcorr;然后設(shè)置檢測(cè)門(mén)限為n/2,對(duì)聯(lián)合脈沖檢測(cè)相關(guān)值jcorr進(jìn)行門(mén)限濾波處理獲得fjcorr,最后將首個(gè)超出檢測(cè)門(mén)限的fjcorr位置作為起始定時(shí)位置tstart,并對(duì)fjcorr進(jìn)行重心計(jì)算獲得定時(shí)偏移位置tshift,輸出調(diào)制時(shí)鐘脈寬的測(cè)量時(shí)鐘tmeasure;其中,
依據(jù)上述特征,可控群延遲發(fā)射濾波器包含數(shù)學(xué)映射模塊、拉格朗日內(nèi)插濾波器、d觸發(fā)器和選擇器,其中d觸發(fā)器的個(gè)數(shù)為mmax-mmin,mmax為mi的最大值,mmin為mi的最小值。
依據(jù)上述特征,單突發(fā)定時(shí)同步模塊中時(shí)域擴(kuò)展后的脈沖檢測(cè)信號(hào)的持續(xù)時(shí)間為mtrms,trms為接收靈敏度工作條件下定時(shí)誤差的根均方計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果,m的取值范圍為m∈[5,6]。
本發(fā)明有如下幾個(gè)技術(shù)要點(diǎn):
1.時(shí)間同步序列是通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步精度的必要條件。本發(fā)明在多突發(fā)跳時(shí)發(fā)射模塊中用多組短同步序列替換理論需求的長(zhǎng)同步序列,縮短接收同步序列匹配濾波器長(zhǎng)度,節(jié)約邏輯處理資源;改善通信系統(tǒng)抗多普勒頻移的能力;時(shí)間同步序列的多組時(shí)頻分集傳輸具有更強(qiáng)的抗衰落和抗干擾能力。
2.受無(wú)線空間傳輸路徑影響,同步詢問(wèn)機(jī)和同步應(yīng)答機(jī)的接收通道數(shù)字采樣存在緩變的群延遲誤差,本發(fā)明通過(guò)在發(fā)射端設(shè)計(jì)可控群延遲發(fā)射濾波器,使發(fā)射群延遲信息在一幀業(yè)務(wù)內(nèi)符合均勻分布,保證在任意時(shí)刻接收的詢問(wèn)/應(yīng)答波形的數(shù)字抽樣誤差具有相同的統(tǒng)計(jì)特性。
3.對(duì)時(shí)域擴(kuò)展后的脈沖檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行升采樣,處理時(shí)鐘由解調(diào)時(shí)鐘td切換為調(diào)制時(shí)鐘tc,為多突發(fā)聯(lián)合檢測(cè)提供寬的時(shí)間擴(kuò)展范圍和高的時(shí)間分辨率。
4.多突發(fā)聯(lián)合同步模塊采用雙口ram對(duì)高倍過(guò)采樣的檢測(cè)脈沖信號(hào)進(jìn)行寫(xiě)入緩存,利用門(mén)限濾波和重心位置計(jì)算提取精確測(cè)量脈沖tmeasure。
附圖說(shuō)明
圖1為rtt時(shí)間同步實(shí)施流程示意圖;
圖2為實(shí)施例所述通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3多突發(fā)跳時(shí)發(fā)射示意圖
圖4可控群延遲發(fā)射濾波器結(jié)構(gòu)圖
圖5脈沖檢測(cè)、時(shí)域擴(kuò)展和升采樣時(shí)序示意圖
圖6多突發(fā)聯(lián)合同步模塊示意圖
圖7基于雙口ram的擴(kuò)展檢測(cè)脈沖時(shí)序圖
圖8基于重心位置計(jì)算的精確測(cè)量脈沖示意圖
圖9本實(shí)施例的單突發(fā)波形定時(shí)同步誤差rms
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
如圖1所示,本實(shí)施例提供了一種通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步設(shè)備,包含發(fā)射通道和接收通道,發(fā)射通道對(duì)詢問(wèn)請(qǐng)求時(shí)間和測(cè)量時(shí)間進(jìn)行處理輸出動(dòng)態(tài)群延遲發(fā)射復(fù)基帶信號(hào),脈沖發(fā)射模式為跳時(shí),發(fā)射通道主要包含多突發(fā)跳時(shí)發(fā)射模塊和可控群延遲發(fā)射濾波器,同步詢問(wèn)機(jī)首先發(fā)射詢問(wèn)請(qǐng)求并記錄詢問(wèn)發(fā)射時(shí)刻t0,同步應(yīng)答機(jī)發(fā)射應(yīng)答并記錄應(yīng)答發(fā)射時(shí)刻t2和并通過(guò)其接收通道測(cè)量詢問(wèn)接收時(shí)間t1。
接收通道對(duì)匹配抽取接收復(fù)基帶信號(hào)進(jìn)行處理,輸出用于詢問(wèn)接收時(shí)刻t1、應(yīng)答接收時(shí)刻t3測(cè)量的精確測(cè)量脈沖tmeasure。接收通道主要包含單突發(fā)定時(shí)同步模塊、升采樣模塊和多突發(fā)聯(lián)合同步模塊。
為便于說(shuō)明,在本實(shí)施例中,設(shè)定同步詢問(wèn)機(jī)和同步應(yīng)答機(jī)均采用符號(hào)率rs為15.625msps(符號(hào)周期ts為64ns)的高斯最小頻移鍵控(gmsk)作為波形調(diào)制技術(shù);時(shí)間同步幀長(zhǎng)度為800us;采用長(zhǎng)度為63(對(duì)應(yīng)4.032us)的m序列作為突發(fā)同步序列;采用10倍符號(hào)速率(156.25mhz)的時(shí)鐘作為調(diào)制時(shí)鐘(用于調(diào)制、時(shí)間測(cè)量),其調(diào)制周期寬度tc為6.4ns;采用4倍符號(hào)速率的時(shí)鐘作為gmsk解調(diào)時(shí)鐘(用于解調(diào),脈沖擴(kuò)展),其解調(diào)周期寬度td為16ns。本實(shí)施例的實(shí)施方案流程如下:
(1)多突發(fā)跳時(shí)發(fā)射模塊
如圖3所示,多突發(fā)跳時(shí)發(fā)射模塊在時(shí)域上以800us為單位劃分基礎(chǔ)時(shí)隙,在一個(gè)基礎(chǔ)時(shí)隙內(nèi)將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)(業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)為同步詢問(wèn)機(jī)發(fā)射的詢問(wèn)或同步應(yīng)答機(jī)發(fā)射的應(yīng)答)拆分為n個(gè)數(shù)據(jù)塊,每個(gè)數(shù)據(jù)塊插入m序列作為復(fù)基帶信號(hào)組成突發(fā)數(shù)據(jù)幀并輸出給可控群延遲發(fā)射濾波器,同時(shí)還輸出n個(gè)突發(fā)數(shù)據(jù)幀的群延遲控制量di(i=1,2…n),群延遲控制量di是數(shù)組0~n-1的全排列。令dn為n/2,其余群延遲控制量為任意值,從而保證在任意時(shí)刻接收的詢問(wèn)/應(yīng)答波形的解調(diào)時(shí)鐘抽樣誤差具有均勻分布特性,利于接收算法的時(shí)鐘統(tǒng)一校正。
考慮數(shù)字信號(hào)處理的邏輯實(shí)現(xiàn),n取值一般為2n,n=3,4,5…。本實(shí)施例選用n為16,序列di為[0,1,2,3,4,5,6,7,9,10,11,12,13,14,15,8]。
(2)可控群延遲發(fā)射濾波器
群延遲控制量時(shí)間ti與解調(diào)時(shí)鐘寬度td、基礎(chǔ)時(shí)隙內(nèi)的突發(fā)數(shù)據(jù)幀的個(gè)數(shù)n和群延遲控制量di的關(guān)系為:ti=ditd/n。一般ti的均值由解調(diào)時(shí)鐘寬度td的整數(shù)倍進(jìn)行表示,需要對(duì)di進(jìn)行減n/2處理,ti修正為:ti=(di-n/2)td/n,ti均值與0相差td/(2n)。
由于群延遲控制量時(shí)間ti的取值存在超出調(diào)制時(shí)鐘寬度tc的情況,突發(fā)數(shù)據(jù)幀根據(jù)群延遲控制量時(shí)間ti進(jìn)行可控群延遲發(fā)射濾波處理,處理流程可分解為數(shù)學(xué)映射、拉格朗日內(nèi)插濾波、延遲和選擇操作。數(shù)學(xué)映射是根據(jù)ti得到μi和mi的過(guò)程,可控群延遲發(fā)射濾波器參數(shù)μi和mi滿足:ti=μi+tc*mi,數(shù)學(xué)映射關(guān)系為:
在本實(shí)施例中,依據(jù)修正的ti及各參數(shù)取值,ti為[-8,-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,1,2,3,4,5,6,7,0]ns,調(diào)制時(shí)鐘tc為6.4ns時(shí),ti改寫(xiě)為[-1.6,-0.6,0.4,1.4,2.4,-3,-2,-1,1,2,3,-2.4,-1.4,-0.4,0.6,0]+6.4*[-1-1-1-1-1000000011110]ns。
(3)單突發(fā)定時(shí)同步模塊
單突發(fā)定時(shí)同步模塊對(duì)接收到的突發(fā)數(shù)據(jù)幀中復(fù)基帶信號(hào)進(jìn)行匹配抽取,對(duì)復(fù)基帶信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算獲得復(fù)相關(guān)值,輸出脈沖檢測(cè)信號(hào)。根據(jù)同步序列復(fù)相關(guān)值的沖擊特性,采用早-遲相關(guān)峰估計(jì)進(jìn)行接收靈敏度工作條件下定時(shí)誤差的根均方(trms)計(jì)算機(jī)仿真,然后對(duì)脈沖檢測(cè)信號(hào)以td的整數(shù)倍進(jìn)行時(shí)域擴(kuò)展,時(shí)域擴(kuò)展后的脈沖檢測(cè)信號(hào)的持續(xù)時(shí)間為mtrms。脈沖檢測(cè)位置信息近似服從正態(tài)分布,計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明m取值為m∈[5,6]時(shí)可保證后續(xù)多突發(fā)聯(lián)合同步模塊以大概率同時(shí)捕獲所有突發(fā)。
(4)升采樣模塊
對(duì)時(shí)域擴(kuò)展后的脈沖檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行升采樣,處理時(shí)鐘由解調(diào)時(shí)鐘td切換為調(diào)制時(shí)鐘tc,可提高后續(xù)時(shí)間測(cè)量的精度,時(shí)鐘切換的測(cè)量誤差可在硬件程序固化后通過(guò)上層軟件定點(diǎn)修改。其時(shí)序圖如圖5所示。
(5)多突發(fā)聯(lián)合同步模塊
根據(jù)圖6所示結(jié)構(gòu),多突發(fā)聯(lián)合同步模塊包含n個(gè)雙口ram緩存、求和運(yùn)算、門(mén)限濾波和重心位置計(jì)算等部分。多突發(fā)聯(lián)合同步模塊對(duì)升采樣后的擴(kuò)展脈沖檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行多通道雙口ram緩存,根據(jù)鎖存的跳時(shí)時(shí)間間隔控制擴(kuò)展脈沖檢測(cè)信號(hào)的讀取時(shí)間,使多路緩存輸出的擴(kuò)展脈沖檢測(cè)信號(hào)在時(shí)間軸上對(duì)齊。如圖6、圖7所示,對(duì)突發(fā)數(shù)據(jù)幀的緩沖和對(duì)齊過(guò)程如下:
1,這n個(gè)突發(fā)數(shù)據(jù)幀將分別在時(shí)刻th(n-1)、th(n-2)…th(1)、th(0)(以th(0)點(diǎn)作為對(duì)齊點(diǎn)進(jìn)行描述),到達(dá)接收機(jī)并被單突發(fā)定時(shí)同步模塊檢測(cè)獲得,時(shí)域擴(kuò)展后的檢測(cè)信號(hào)依然服從該跳時(shí)序列;
2,以第一個(gè)脈沖為例,若想使第1個(gè)脈沖對(duì)齊第n個(gè)突發(fā)數(shù)據(jù)幀,則需要將第一個(gè)脈沖延遲(th(0)-th(n-1))的時(shí)間;同理對(duì)于第k個(gè)脈沖,需要將其延遲(th(0)-th(n-k))的時(shí)間;
3,雙口ram根據(jù)輸入的(th(0)-th(n-k))對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行緩存,具體實(shí)現(xiàn)方式是實(shí)時(shí)寫(xiě)入,并按“讀地址=寫(xiě)地址-延遲”的公式獲得讀地址來(lái)延遲讀出。
對(duì)齊的擴(kuò)展脈沖檢測(cè)信號(hào)通求和運(yùn)算輸出聯(lián)合脈沖檢測(cè)相關(guān)值(jcorr);設(shè)置檢測(cè)門(mén)限為n/2,對(duì)jcorr進(jìn)行門(mén)限濾波處理獲得fjcorr,能夠有效對(duì)抗脈沖檢測(cè)虛警和漏警引起jcorr異常的問(wèn)題,保證復(fù)雜電磁環(huán)境下的可靠突發(fā)信號(hào)捕獲,其時(shí)序如圖7所示。
fjcorr波形局部放大如圖8所示。重心位置計(jì)算模塊將首個(gè)超出檢測(cè)門(mén)限的fjcorr位置作為起始定時(shí)位置tstart,并對(duì)fjcorr進(jìn)行重心計(jì)算獲得定時(shí)偏移位置tshift,輸出調(diào)制時(shí)鐘脈寬的測(cè)量時(shí)鐘tmeasure,tmeasure用于rtt流程中接收時(shí)間t1、t3的測(cè)量。
假定fjcorr持續(xù)l個(gè)調(diào)制時(shí)鐘脈寬,k為級(jí)數(shù)運(yùn)算的自變量,k=0.1.2…l-1,tshift由式4給出。
本模塊僅對(duì)1比特的擴(kuò)展脈沖檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行緩存和運(yùn)算處理,能夠有效降低雙口ram的存儲(chǔ)深度和加法器的運(yùn)算位數(shù),對(duì)處理平臺(tái)的硬件資源的要求較低。
可以理解的是,對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō),可以根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變,而所有這些改變或替換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。