阅读说明：本技术 一种跳频同步方法 (Frequency hopping synchronization method ) 是由 董国英 蒋开创 徐哲 李名祺 周益青 赵冰 彭澎 黄诚 于 2020-05-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种跳频同步方法,各个跳频接收机通过勤务频率慢扫描的方法捕获跳频发射机广播时隙的同步头,从而获取网络系统的初始TOD时间,实现各个跳频接收机的TOD时间粗同步；跳频接收机和跳频发射机在预分配的时隙中传输RTT往返计时消息,从而计算时间校正量调整初始TOD时间,实现各个跳频接收机的TOD时间精同步；各个跳频发射机和各个跳频接收机根据精同步TOD时间生成业务时隙跳频图案,实现各个跳频接收机与跳频发射机的跳频同步。本发明不需要专门的设备维护各跳频接收机的初始时间,硬件平台通用性强,而且无需专门的授时模块,降低了系统复杂度,同时降低了产品的成本。(The invention discloses a frequency hopping synchronization method.A synchronization head of a broadcast time slot of a frequency hopping transmitter is captured by each frequency hopping receiver through a duty frequency slow scanning method, so as to obtain the initial TOD time of a network system and realize the TOD time coarse synchronization of each frequency hopping receiver; the frequency hopping receiver and the frequency hopping transmitter transmit RTT round trip timing messages in pre-allocated time slots, so that time correction is calculated to adjust initial TOD time, and precise synchronization of the TOD time of each frequency hopping receiver is realized; and each frequency hopping transmitter and each frequency hopping receiver generate a service time slot frequency hopping pattern according to the precise synchronization TOD time, so that the frequency hopping synchronization of each frequency hopping receiver and each frequency hopping transmitter is realized. The invention does not need special equipment to maintain the initial time of each frequency hopping receiver, has strong universality of a hardware platform, does not need a special time service module, reduces the complexity of the system and reduces the cost of products.)

一种跳频同步方法

技术领域

本发明涉及一种跳频网络中的跳频同步方法，尤其涉及一种适用于多用户跳频网络的跳频同步方法。

背景技术

跳频同步是指跳频接收机与跳频发射机在相同的时刻使用相同的频率。跳频同步的内容包括：跳频频率表相同、跳频序列相同、跳变的起止时刻相同。在跳频网络中，网络中各节点即使拥有相同的跳频序列，但是在实现同步之前，各节点仍然存在着时差，为了实现同步跳频，引入实时时间TOD(Time of Day)。在多节点无中心自组网网络系统中，采用载波高速跳频技术可以增强系统抗干扰能力，但多个网络节点入网时间随机，且入网前没有统一的时间基准，在授时子系统应用受限的情况下，采用传统的跳频同步方法无法实现跳频同步。

专利1(一种基于时间信息的跳频同步实现方法，CN108521287A，2018)通过发送端发送TOD时间信息，接收端收到发端TOD信息并对本地TOD信息进行校正实现收发跳频同步。这种跳频同步算法要求发端和收端的TOD值初始误差小于容许偏差值，而这对于随机入网、侦听入网等入网时间完全不确定的多节点自组织网络系统来说是无法做到的。

专利2(基于北斗授时芯片的跳频同步实现方法，CN102983881B，2015)通过北斗授时系统对跳频发射机和跳频接收机校时，也就是为了维持收发跳频同步多个跳频发射机和接收机都需要另外配备北斗授时子系统，这样增加了系统复杂度，同时增加了成本。

发明内容

本发明提出了一种适于多用户跳频网络的跳频同步方法，基于时分多址组网协议，实现节点的入网、在网跳频同步。

为了达到上述目的，本发明提出的一种跳频同步方法，包括以下步骤：

S1、各个跳频接收机捕获跳频发射机所发送的广播报文的同步头，获取网络系统的初始TOD时间，实现各个跳频接收机TOD时间粗同步；

S2、各个跳频接收机根据初始TOD时间生成RTT时隙的初始跳频图案，并根据由初始跳频图案得到的RTT应答消息调整网络初始TOD时间，实现各个跳频接收机的TOD时间精同步；

S3、各个跳频发射机和各个跳频接收机根据当前的精同步TOD时间生成业务时隙跳频图案，实现各个跳频接收机与跳频发射机的跳频同步。

优选地，所述的S1包括以下步骤：

S1.1、各个跳频发射机的主节点按照同步头加数据部分的时隙格式发送广播报文；

S1.2、各个跳频接收机侦听跳频发射机发送的广播，并生成勤务频率捕获主节点发送的广播时隙的同步头，实现跳频接收机的初始跳频同步；

S1.3、跳频接收机根据广播时隙的同步头解调译码所侦听到的广播报文，获取网络系统的初始TOD时间，从而实现跳频接收机与跳频发射机的TOD时间粗同步。

优选地，所述的S2包括以下步骤：

S2.1、各个跳频接收机的从节点将粗同步获取的网络系统的初始TOD时间作为本地时间生成RTT时隙的初始跳频图案，再按照生成的RTT时隙的初始跳频图案在预分配的RTT时隙中发送RTT询问消息并在同一时隙内接收主节点回复的RTT应答消息；

S2.2、各个跳频接收机的从节点根据RTT应答消息中的时间信息以及时隙长度计算时间校正量，并对本地时间进行调整，得到精同步的TOD时间。

优选地，所述的勤务频率由预先约定的时间因子与跳频密钥生成。

优选地，各个跳频接收机采用勤务频率慢扫描的方式捕获主节点发送的广播时隙的同步头

本发明具有以下优势：

本发明通过粗同步和精同步两步实现多用户跳频网络的跳频同步。粗同步通过在勤务频率上捕获广播时隙同步头实现，对各跳频接收机初始时间误差偏差没有任何限制，不需要专门的设备维护各跳频接收机的初始时间，硬件平台通用性强；精同步通过主、从节点在预分配的时隙中传输RTT往返计时消息，从节点计算时间校正量并进行校时实现，以很小的时间开销为代价，无需专门的授时模块，降低了系统复杂度，同时降低了产品的成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种跳频同步方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的网络数据帧格式；

图3为本发明实施例提供的同步头勤务频率慢扫描搜索方式。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种跳频同步方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明基于时分多址组网协议，实现网络中多节点跳频不同。如图1所示，本发明提出了一种跳频同步方法，包括以下步骤：

S1、各个跳频接收机捕获跳频发射机所发送的广播报文的同步头，获取网络系统的初始TOD时间，实现各个跳频接收机TOD时间粗同步；

本发明中跳频发射机的主节点按照同步头加数据部分的时隙格式发送广播报文，发送广播报文的节点被选为主节点，其他节点为从节点。如图2所示，每个时隙时间是10ms，其中RTT(往返计时)时隙分为从发主收和主发从收两个5ms的和小时隙。广播时隙的勤务频率由预先约定的时间因子TODH_RADIO(可以是一个有限集合)和跳频密钥生成。

各个跳频接收机侦听跳频发射机发送的广播，在侦听周期内成功收到广播后发起入网申请。各个跳频接收机的入网节点捕获到广播时隙的同步头，即可实现跳频接收机与跳频发射机达到初始跳频同步。广播报文中包含有广播播发节点的TOD信息，各个跳频接收机侦听到广播的节点便可知道网络系统时间，其误差为该节点与广播发发节点之间传播路径延时。

具体地，所述的S1包括以下步骤：

S1.1、各个跳频发射机的主节点按照同步头加数据部分的时隙格式发送广播；

假设广播时隙的时间因子TODH_RADIO是[TODH_RADIO1TODH_RADIO2]组成的有限集合，[TODH_RADIO1 TODH_RADIO1+1TODH_RADIO1+2]、[TODH_RADIO2 TODH_RADIO2+1TODH_RADIO2+2]分别和跳频密钥一起生成的跳频频率为[f00,f01,f02]和[f10,f11,f12]。如图3所示，跳频发射机主节点发送的广播的同步头采用扩频序列进行循环发送的方式，采用2组频率，每组3个频点各循环发送4次。

S1.2、各个跳频接收机侦听跳频发射机发送的广播，并生成勤务频率捕获主节点发送的广播时隙的同步头，实现跳频接收机的初始跳频同步；

各个跳频接收机的从节点的勤务频率由时间因子和跳频密钥组成，从节点的时间因子从有限集合[TODH_RADIO1 TODH_RADIO2]中随机选择一个作为TODH_RADIO，并生成勤务频率[f00’,f01’,f02’]。跳频接收机的从节点采用慢扫描的方式以发跳频发射机1/4的勤务频率搜索同步头序列。当跳频接收机的本地同步头序列和跳频发射机的匹配滤波的相关峰超过门限时，则认为成功捕获到广播时隙的跳频频点，即可实现跳频接收机的初始跳频同步。

S1.3、跳频接收机根据广播时隙的同步头解调译码所侦听到的广播报文，获取网络系统的初始TOD时间，从而实现跳频接收机与跳频发射机的TOD时间粗同步。

实现跳频初同步后，跳频接收机得知跳频发射机所发送报文的频率，各个跳频接收机便可对所侦听到的广播报文进行解调译码。广播报文中包含有广播播发节点的TOD信息，各个跳频接收机解调译码所侦听到的广播报文，即可获取网络系统的初始TOD时间，实现跳频接收机与跳频发射机的时间粗同步。

S2、各个跳频接收机根据初始TOD时间生成RTT时隙的初始跳频图案，并根据由初始跳频图案得到的RTT应答消息调整网络初始TOD时间，实现各个跳频接收机的TOD时间精同步；

在完成初始跳频同步后，跳频接收机和跳频发射机频率跳变的起止时刻达到粗同步，但是由于发射机或接收机的钟漂、相对运动等原因，各节点还需不断地调整本地跳频序列发生器的时钟，维持各节点间频率跳变时刻、跳频图案的一致。本发明采用往返计时(RTT)算法实现时间校准。从节点在RTT时隙发送RTT询问消息，并在同一时隙内接收主节点回复的RTT应答消息，通过应答消息到达时间计算出从节点系统时钟的修正量。多个从节点在各自预分配的RTT时隙采用相同的方法分别通过主节点进行校时，网络中各节点TOD时间实现精同步。

具体地，所述的S2包括以下步骤：

S2.1、各个跳频接收机的从节点将粗同步获取的网络系统的初始TOD时间作为本地时间生成RTT时隙的初始跳频图案，再按照生成的RTT时隙的初始跳频图案在预分配的RTT时隙中发送RTT询问消息并在同一时隙内接收主节点回复的RTT应答消息；

本发明中所有12个节点的RTT时隙分布在连续3帧中，也可以通过侦听广播报文中时隙占用标识，随机选择空闲的业务时隙作为RTT时隙。

S2.2、各个跳频接收机的从节点根据RTT应答消息中的时间信息以及时隙长度计算时间校正量，并对本地时间进行调整，得到精同步的TOD时间。

具体地，各个跳频接收机的从节点根据RTT应答消息中的RTT消息达到时间以及时隙长度计算时间校正量，对本地时间进行调整，从而得到与跳频发射机精同步的TOD时间。网络中每个跳频接收机实现时间精同步后，网络中每个跳频接收机具有统一的TOD时间，既保证了各个跳频接收机和跳频发射机的频率跳变沿一致，同时也保证了跳频图案一致。

S3、各个跳频发射机和各个跳频接收机根据当前的精同步TOD时间生成业务时隙跳频图案，实现各个跳频接收机与跳频发射机的跳频同步。

每个业务时隙内，各个跳频发射机的主节点按照业务时隙跳频图案进行业务数据的发送，各个跳频接收机的从节点根据业务时隙跳频图案进行业务数据的接收。业务通信期间，各个跳频发射机的主节点通过RTT时隙周期性对各个跳频接收机的从节点校时，跳频收发信机处于与跳频发射机TOD时间精同步和跳频同步状态。此外，根据业务数据报文中所接收的ID标识判断该报文发送给网络中的哪个跳频发射机。

本发明通过粗同步和精同步两步实现多用户跳频网络的跳频同步。粗同步通过在勤务频率上捕获广播时隙同步头实现，对各跳频接收机初始时间误差偏差没有任何限制，不需要专门的设备维护各跳频接收机的初始时间，硬件平台通用性强；精同步通过主、从节点在预分配的时隙中传输RTT往返计时消息，从节点计算时间校正量并进行校时实现，以很小的时间开销为代价，无需专门的授时模块，降低了系统复杂度，同时降低了产品的成本。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。