本發(fā)明屬于無線自組通信局域網絡時鐘同步技術領域，尤其涉及一種紫外光通信網絡時鐘同步系統(tǒng)及方法。

背景技術：

紫外光通信數據傳輸保密性高，抗干擾能力強，可用于非視距隱蔽地形復雜環(huán)境的通信。由于日盲波段的紫外光單級通信距離半徑有限，要達到一定距離范圍內的通信目的，就必須自組建具有中繼功能的局域網絡紫外光通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)便于單兵攜帶，適合于軍事、安全、救災、消防等領域小分隊通信。紫外光通信倍受國內外極大關注，已成為通信領域研究開發(fā)的熱門之一，隨著紫外光通信技術的不斷完善，應用普及指日可待。由于無線自組網絡應用環(huán)境的多樣性，溫度變化、電磁干擾、振蕩器老化和生產調試等原因，本地時鐘與基準時鐘存在誤差，且不同的應用環(huán)境具有不同的時鐘同步要求，沒有一種時鐘同步協(xié)議可以適應各種環(huán)境，在分析了紫外光通信網絡應用環(huán)境的特殊性基礎上，結合不同的adhoc網絡應用探討了軍事應用態(tài)勢感知信息和指揮控制信息是戰(zhàn)術互聯網的特殊性，節(jié)點間存在著比較大的時鐘偏差，將會導致對戰(zhàn)場態(tài)勢以及戰(zhàn)場命令的理解錯誤，嚴重的會影響戰(zhàn)爭結果，由此可見時鐘同步是adhoc網絡技術研究的重要問題，一種紫外光通信網絡時鐘同步系統(tǒng)及方法從設計、配置到具體應用的各個階段，都是在詳細分析網絡時鐘同步問題的基礎上依靠一定的時鐘同步策略來解決的。

綜上所述，現有技術存在的問題是：由于無線自組網絡應用環(huán)境的多樣性，溫度變化、電磁干擾、振蕩器老化和生產調試等原因，本地時鐘與基準時鐘存在誤差。

技術實現要素：

針對現有技術存在的問題，本發(fā)明提供了一種紫外光通信網絡時鐘同步系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明是這樣實現的，一種紫外光通信網絡時鐘同步方法，所述紫外光通信網絡時鐘同步方法包括以下步驟：

第一步，以主機本地時鐘源為基準時鐘，將網絡ntp時鐘同步協(xié)議、aodv路由協(xié)議、定量預測法優(yōu)化融合，按照路徑發(fā)現過程實現主機分別與第一級中間副機、第二級中間副機、n級中間副機至止目的副機進行時間信息交互。

第二步，根據副機收到主機t4時刻的傳輸延時預測值、時鐘偏差預測值，調校副機時鐘使其與主機時鐘同步，完成紫外光通信多跳網絡上每個通信副機與主機時鐘同步。

進一步，所述紫外光通信網絡時鐘同步方法具體包括以下步驟：

步驟一，在aodv路由協(xié)議的原始數據結構中增加是否完成同步標志f；

步驟二，主機通過紫外光通信信號向在紫外光單級傳輸距離范圍內的第一級中間副機廣播分組發(fā)送路由請求rreq報文，根據本地時鐘記錄發(fā)送時刻為t1，第一級中間副機首先判斷是否是在規(guī)定時間間隔內首次接收來自主機的路由請求rreq報文，否，則丟棄路由請求rreq報文；是，根據本地時鐘記錄收到時刻為t12，解析路由請求rreq報文獲得t1，則建立到主機的反向路由，設置變量f的值為flase，表明第一級中間副機與主機雖然建立了路徑但未實現時鐘同步，第一級中間副機若發(fā)現路由請求rreq報文地址不是發(fā)給本副機的，又沒有目的副機的信息時，就會等待第一級中間副機與主機完成時鐘同步后，再根據網絡拓撲信息繼續(xù)向相鄰第二級中間副機中繼廣播分組發(fā)送路由請求rreq報文，此路由需要保存到路由請求rreq穿越網絡直到目的副機路由應答rrep反饋到主機為止；

步驟三，主機將時間信息t14插入delayresp報文中發(fā)至第一級中間副機，第一級中間副機解析delayresp報文獲得t14，根據網絡ntp時鐘同步協(xié)議中時間信息(t1、t12、t13、t14)與時鐘偏差、傳輸延時關系式，推導出公式σ＝(t12－t1)－(t14－t13)/2；d＝(t12－t1)+(t14－t13)/2。式中σ為時鐘偏差，d為傳輸時延，采用定量預測法中一次指數平滑優(yōu)化處理σ、d數值，st+1＝αyt+(1－α)st，式中st+1為σ或d在(t+1)時刻預測值，yt為σ或d在t時刻實際值，st為σ或d在t時刻預測值，α為平滑常數，其取值范圍在[0，1]，并獲得第一級中間副機收到主機t14時刻信息即t+1時刻的傳輸延時預測值dt+1、時鐘偏差預測值σt+1，執(zhí)行校準函數公式s(t)＝t+dt+1+σt+1，s(t)為第一級中間副機收到主機t14時刻信息的校準時間，實現第一級中間副機與主機基準時鐘同步；

步驟四，第二級中間副機根據本地時鐘記錄收到第一級中間副機中繼的路由請求rreq報文時刻為t22，發(fā)出路由應答rrep報文時刻為t23，主機根據本地時鐘記錄收到第二級中間副機反饋的路由應答rrep報文時刻為t24；按步驟三主機將時間信息t24插入delayresp報文中發(fā)至第二級中間副機，第二級中間副機根據網絡ntp時鐘同步協(xié)議中時間信息(t1、t22、t23、t24)與時鐘偏差、傳輸延時關系式，推導出公式σ＝(t22－t1)－(t24－t23)/2；d＝(t22－t1)+(t24－t23)/2。采用定量預測法中一次指數平滑優(yōu)化處理σ、d數值，并獲得第二級中間副機收到主機t24時刻信息即t+1時刻的傳輸延時預測值dt+1、時鐘偏差預測值σt+1，執(zhí)行校準函數公式s(t)＝t+dt+1+σt+1，實現第二級中間副機與主機基準時鐘同步；同理，直至目的副機與主機基準時鐘同步。

進一步，所述步驟一具體包括：

stuctrt_entry

{in_addrrt_nexttip；∥下一中間副機地址

boolrt_flag；∥標志位

in_addrre_dst；∥目的副機地址

charrt_nextmac[б]；

intrt_hop；∥中繼次數

in_addrrt_prelist[10]；∥上一中間副機地址

re_entrylink；∥指向激活的相鄰中間副機

synchronizationflag：∥同步完成標志f

其次在aodv路由協(xié)議中路由請求rreq分組定義基礎上增加主機發(fā)出報文的本地時鐘標記字段t1。

本發(fā)明的另一目的在于提供紫外光通信網絡時鐘同步系統(tǒng)包括：

一個主機和若干個副機；

所述主機是主動通信作用的設備；

所述副機即從動或中繼通信作用的設備；

所述副機包括目的副機和中間副機；

所述主機與副機均由控制管理單元、發(fā)射單元、接收單元和電源管理單元組成，控制管理單元是核心單元，通過總線分別與發(fā)射單元、接收單元相連，電源管理單元向各單元提供直流電能支持，主機與副機都具有通信路由的建立和信息接收、發(fā)射的功能。

進一步，所述控制管理單元由arm為主處理器、fpga為從處理器、cpu控制器、對外接口組成；arm主處理器分別與fpga從處理器連接負責協(xié)調、處理、控制各單元，與cpu控制器連接負責時鐘同步，通過對外接口實現人機交互。

arm，用于負責網絡層信息處理、mac層信息處理，協(xié)調處理控制管理單元各模塊工作，實現信息轉發(fā)接收、路由建立、時間記錄、信息整理等；

fpga，用于負責物理層信息處理，實現arm與接收、發(fā)射單元的信息交互，具有信息緩存、分時提取、解調、信道編碼、報文調制、控制接收單元、發(fā)射單元收發(fā)數字報文信息；

cpu控制器，由計算模塊、定量預測法模塊、時鐘同步模塊、rtc時鐘組成。cpu根據網絡ntp時鐘同步協(xié)議及定量預測法對收發(fā)信息時間進行邏輯運算、執(zhí)行本地rtc時鐘頻率調節(jié)、克服晶振漂移與主機基準時鐘源同步；

進一步，所述接收單元由光學集光器、自制紫外光探測器、可變增益放大器、帶通濾波器、數模轉換模塊、對外接口組成；自制紫外光探測器是接收單元的核心器件，載有信息的紫外光通過光學集光器收集、再通過自制紫外光探測器光電轉換、可變增益放大器信號放大、帶通濾波器濾波、最后通過模數轉換模塊進行模數信號轉換。

可變增益放大器，用于使電信號增益放大；

帶通濾波器，用于去除雜散光；

模數轉換模塊，用于將模擬電信號轉換為數字信號，模數轉換后的數字信息經fpga物理層解調、解碼、緩存，arm在得到幀結束信號后，向fpga緩存器中讀取數字信息，mac協(xié)議對收到的數字信息進行去掉報頭、重組分段信息、數字報文幀處理，然后提取有用數字信息給aodv路由協(xié)議分析，arm根據aodv路由協(xié)議分析結果對數字信息實施路由建立、中繼轉發(fā)、信息反饋，cpu時鐘同步流程處理。

進一步，所述發(fā)射單元由光電耦合器、高速開關、陣列紫外led光源模塊組成；陣列紫外led光源模塊是發(fā)射單元主要部件，受控的高速開關調節(jié)光電耦合器實現陣列紫外led光源模塊發(fā)射紫外光信號。

光電耦合器加載到紫外led驅動基準電源上，調節(jié)陣列紫外led光源模塊的發(fā)射時序，控制陣列紫外led光源模塊發(fā)射耦合直流脈沖信號的紫外光信號。

進一步，所述電源管理單元由高能量鋰離子電池、直流調壓器、充電接口組成；高能量鋰離子電池通過充電接口接收外電源電能補充，輸出的直流電經過直流調壓器調壓向各單元提供多電壓的直流電源。

高能量鋰離子電池具有供電、充電功能，一部分調壓直流電供給陣列紫外led發(fā)射的驅動基準電源，一部分經降壓后3.3v直流電供給各單元電路使用電源，通過充電接口與外電源實現補充電能。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種應用任意一項所述紫外光通信網絡時鐘同步方法的局域網。

本發(fā)明的優(yōu)點及積極效果為：采用主從式adhoc網絡拓撲結構組成整個時鐘同步系統(tǒng)，以主機本地時鐘源為基準時鐘，將網絡ntp時鐘同步協(xié)議、aodv路由協(xié)議、定量預測法優(yōu)化融合，從而完成紫外光通信多跳網絡上每個通信副機分別與主機時鐘同步，實現了全網時鐘同步精度要求在5ms級范圍內。本發(fā)明均衡了主機與副機的能量耗費，減少了網絡中信息傳輸次數，降低了網絡負載及信息傳輸沖突概率，保證了全網時鐘同步精度，特別適合軍事小分隊通信。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例提供的紫外光通信網絡時鐘同步系統(tǒng)結構示意圖；

圖中：1、主機；2、副機。

圖2是本發(fā)明實施例提供的紫外光通信網絡時鐘同步方法流程圖。

圖3是本發(fā)明實施例提供的主機時鐘與副機時鐘收發(fā)信息時序圖。

圖4是本發(fā)明實施例提供的主機與第一級中間副機時鐘同步方法流程圖。

圖5是本發(fā)明實施例提供的主機與第二級中間副機時鐘同步方法流程圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結合附圖對本發(fā)明的應用原理作詳細的描述。

如圖1所示，本發(fā)明實施例提供的紫外光通信網絡時鐘同步系統(tǒng)包括：主機1、副機2。

本發(fā)明實施例提供的紫外光通信網絡時鐘同步系統(tǒng)包括一個主機1和若干個副機2，所述主機1即是發(fā)揮主動通信作用的設備，所述副機2即是發(fā)揮從動或中繼通信作用的設備，副機2包括目的副機和中間副機，主機1與副機2均由控制管理單元、發(fā)射單元、接收單元、電源管理單元組成，都具有通信路由的建立和信息接收、發(fā)射的功能，在不同的通信時段主機與副機是可以角色轉換。

所述控制管理單元由arm為主處理器、fpga為從處理器、cpu控制器、對外接口組成。以arm為主處理器，fpga為從處理器。arm是整個系統(tǒng)核心處理器，負責協(xié)調處理控制管理單元各模塊工作，arm中配備經過裁剪和修改后包括基本網絡體系結構和netfilter過濾器的linux操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠使arm實現aodv路由協(xié)議和通過用戶編程實現ieee802.11mac協(xié)議，完成信息處理流程中繼轉發(fā)、路由建立、時間記錄、信息整理、等。fpga負責arm與接收、發(fā)射單元的信息交互，并具有信息緩存、分時提取通過物理層解調、信道編碼、報文調制、控制接收單元、發(fā)射單元收發(fā)數字報文信息，cpu控制器由計算模塊、定量預測法模塊、時鐘同步模塊、rtc時鐘組成。cpu根據網絡ntp時鐘同步協(xié)議及定量預測法對收發(fā)信息時間進行邏輯運算、執(zhí)行本地rtc時鐘頻率調節(jié)、克服晶振漂移與主機基準時鐘源同步。rtc時鐘由頻率50mhz的有源晶振構成，時鐘周期配置20ns，為系統(tǒng)提供本地時間。arm、fpga、cpu之間通過數據總線、地址總線連接進行通信。

所述的接收單元由光學集光器(透鏡和sb-af紫外濾光片組成)、自制紫外光探測器、可變增益放大器(vga)、帶通濾波器(bpf)、數模轉換模塊(adc)、對外接口(wifi接口、藍牙接口、usb接口)組成，負責信息接收。外機發(fā)射來的微弱紫外光經光學集光器收集、自制紫外光探測器檢測、光電信號轉換、去除直流偏置信號、可變增益放大器(vga)使電信號增益放大、帶通濾波器(bpf)去除雜散光、模數轉換(adc)模塊將模擬電信號轉換為數字信號，模數轉換后的數字信息經fpga物理層解調、解碼、緩存，arm在得到幀結束信號后，向fpga緩存器中讀取數字信息，mac協(xié)議對收到的數字信息進行去掉報頭、重組分段信息、數字報文幀等處理，然后提取有用數字信息給aodv路由協(xié)議分析，arm根據aodv路由協(xié)議分析結果對數字信息實施路由建立、中繼轉發(fā)、信息反饋，cpu時鐘同步等流程處理。

所述的發(fā)射單元由光電耦合器、高速開關、陣列紫外led光源模塊組成，負責信息發(fā)射。通過本機發(fā)出的信息或者經路由協(xié)議分析不是發(fā)往本機的信息，arm控制此信息傳入mac層協(xié)議進行增加報頭、信息分段、設置路由、時間記錄、發(fā)出報文幀等處理，然后進入fpga緩存，fpga依次取出數字信息通過物理層信道編碼、報文調制變?yōu)橹绷髅}沖信號，再通過光電耦合器加載到紫外led驅動基準電源上，調節(jié)陣列紫外led光源模塊的發(fā)射時序，控制陣列紫外led光源模塊發(fā)射耦合了直流脈沖信號的紫外光信號。

所述的電源管理單元由高能量鋰離子電池、直流調壓器(dc/dc)、充電接口組成。高能量鋰離子電池具有供電、充電功能，一部分調壓直流電供給陣列紫外led發(fā)射的驅動基準電源，一部分經降壓后3.3v直流電供給各單元電路使用電源，通過充電接口與外電源實現補充電能。

如圖2所示，本發(fā)明實施例提供的紫外光通信網絡時鐘同步方法包括以下步驟：

s201：以主機本地時鐘源為基準時鐘，將網絡ntp時鐘同步協(xié)議、aodv路由協(xié)議、定量預測法優(yōu)化融合，按照路徑發(fā)現過程實現主機分別與第一級中間副機、第二級中間副機、n級中間副機至止目的副機進行時間信息交互；

s202：根據副機收到主機t4時刻的傳輸延時預測值、時鐘偏差預測值，調校副機時鐘使其與主機時鐘同步，完成紫外光通信多跳網絡上每個通信副機與主機時鐘同步。

本發(fā)明實施例提供的紫外光通信網絡時鐘同步方法同步周期為每次通信前實現時鐘同步一次，包括以下步驟：

步驟1、首先在aodv路由協(xié)議的原始數據結構中增加是否完成同步標志f；

stuctrt_entry

{in_addrrt_nexttip；∥下一中間副機地址

boolrt_flag；∥標志位

in_addrre_dst；∥目的副機地址

charrt_nextmac[б]；

intrt_hop；∥中繼次數

in_addrrt_prelist[10]；∥上一中間副機地址

re_entrylink；∥指向激活的相鄰中間副機

synchronizationflag：∥同步完成標志f

其次在aodv路由協(xié)議中路由請求rreq分組定義基礎上增加主機發(fā)出報文的本地時鐘標記字段t1。

步驟2、如圖3所示，目的副機不在主機紫外光單級傳輸距離范圍內，主機與目的副機之間又無有效路徑，主機通過紫外光通信信號向在紫外光單級傳輸距離范圍內的第一級中間副機廣播分組發(fā)送路由請求rreq報文，根據本地時鐘記錄發(fā)送時刻為t1，第一級中間副機首先判斷是否是在規(guī)定時間間隔內首次接收來自主機的路由請求rreq報文，否，則丟棄路由請求rreq報文。是，根據本地時鐘記錄收到時刻為t12，解析路由請求rreq報文獲得t1，則建立到主機的反向路由，設置變量f的值為flase，表明第一級中間副機與主機雖然建立了路徑但未實現時鐘同步，第一級中間副機若發(fā)現路由請求rreq報文地址不是發(fā)給本副機的，又沒有目的副機的信息時，就會等待第一級中間副機與主機完成時鐘同步后，再根據網絡拓撲信息繼續(xù)向相鄰第二級中間副機中繼廣播分組發(fā)送路由請求rreq報文，此路由需要保存到路由請求rreq穿越網絡直到目的副機路由應答rrep反饋到主機為止。

第一級中間副機根據本地時鐘記錄發(fā)出路由應答rrep報文時刻為t13，路由應答rrep報文并沿剛才路徑單播反饋至主機，主機根據本地時鐘記錄收到路由應答rrep報文時刻為t14。

步驟3、如圖4所示，主機將時間信息t14插入delayresp報文中發(fā)至第一級中間副機，第一級中間副機解析delayresp報文獲得t14，根據網絡ntp時鐘同步協(xié)議中時間信息(t1、t12、t13、t14)與時鐘偏差、傳輸延時關系式，推導出公式σ＝(t12－t1)－(t14－t13)/2；d＝(t12－t1)+(t14－t13)/2。式中σ為時鐘偏差，d為傳輸時延，采用定量預測法中一次指數平滑優(yōu)化處理σ、d數值，st+1＝αyt+(1－α)st，式中st+1為σ或d在(t+1)時刻預測值，yt為σ或d在t時刻實際值，st為σ或d在t時刻預測值，α為平滑常數，其取值范圍在[0，1]，并獲得第一級中間副機收到主機t14時刻信息即t+1時刻的傳輸延時預測值dt+1、時鐘偏差預測值σt+1，執(zhí)行校準函數公式s(t)＝t+dt+1+σt+1，s(t)為第一級中間副機收到主機t14時刻信息的校準時間，實現第一級中間副機與主機基準時鐘同步。

步驟4，如圖5所示，同理，按步驟2第二級中間副機根據本地時鐘記錄收到第一級中間副機中繼的路由請求rreq報文時刻為t22，發(fā)出路由應答rrep報文時刻為t23，主機根據本地時鐘記錄收到第二級中間副機反饋的路由應答rrep報文時刻為t24。按步驟3主機將時間信息t24插入delayresp報文中發(fā)至第二級中間副機，第二級中間副機根據網絡ntp時鐘同步協(xié)議中時間信息(t1、t22、t23、t24)與時鐘偏差、傳輸延時關系式，推導出公式σ＝(t22－t1)－(t24－t23)/2；d＝(t22－t1)+(t24－t23)/2。采用定量預測法中一次指數平滑優(yōu)化處理σ、d數值，并獲得第二級中間副機收到主機t24時刻信息即t+1時刻的傳輸延時預測值dt+1、時鐘偏差預測值σt+1，執(zhí)行校準函數公式s(t)＝t+dt+1+σt+1，實現第二級中間副機與主機基準時鐘同步。

按上述步驟，……至止目的副機實現與主機基準時鐘同步，從而完成紫外光通信多跳網絡上每個通信副機與主機時鐘同步。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。