一种双向时间同步方法、系统与装置

1.本发明涉及通信技术中的时间同步技术领域，尤其涉及一种双向时间同步方法、系统与装置。


背景技术：

2.共频带定位系统是一种新型的具有广阔前景的通信导航融合系统。共频带定位系统结合无线通信网络与定位导航网络，并发挥其各自优势，实现了受约束场景下高精度定位，其中无线时间同步算法的精度是影响定位精度的一个重要因素之一。
3.目前共频带定位系统中时间同步采用基于tpsn的双向时间同步通信，该通信方法在每次进行通信都会发送时间信息，在每一次通信过程中进行时间同步计算，通过反复、多次的时间同步计算以达到高精度的时间同步。这意味着现有技术在时间同步过程中，需要在两端节点之间不断进行时间信息的交互和同步计算，消耗了大量的通信资源和算力资源。


技术实现要素：

4.鉴于此，本发明实施例提供了一种双向时间同步通信方法，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷，以解决传统通信方法中通信和算力资源开销大的问题。
5.本发明的一个方面提供了一种双向时间同步方法，该方法包括以下步骤：
6.所述主节点和所述从节点建立通信链路；
7.由所述主节点与所述从节点进行信号同步交互，在一个交互周期内，由所述从节点率先向所述主节点发送第一同步信号，并接收所述主节点反馈的第二同步信号；由所述从节点记载本地产生的发送所述第一同步信号的第一时间戳，以及接收所述第二同步信号的第二时间戳；由所述主节点记载本地产生的接收所述第一同步信号的第三时间戳，以及发送所述第二同步信号的第四时间戳；
8.在执行多次交互周期后，由所述主节点对本地记载的各交互周期内对应的所述第三时间戳和所述第四时间戳做一次函数拟合得到第一线性函数，将所述第一线性函数的斜率作为主时钟漂移系数，将所述第一线性函数的截距作为主时钟初始相位；由所述从节点对本地记载的各交互周期内对应的所述第一时间戳和所述第二时间戳做一次函数拟合得到第二线性函数，将所述第二线性函数的斜率作为从时钟漂移系数，将所述第二线性函数的截距作为从时钟初始相位；
9.在各交互周期结束后，由所述主节点在本地时间的第五时间戳处，将所述主时钟漂移系数、所述主时钟初始相位以及所述第五时间戳作为时间特征信息发送至所述从节点；
10.根据所述主时钟漂移系数、所述从时钟漂移系数建立同一时刻主节点本地时间和从节点本地时间的关系式，基于所述关系式利用所述第五时间戳、所述主时钟漂移系数、所述从时钟漂移系数、所述主时钟初始相位和所述从时钟初始相位，计算所述主节点和所述
从节点的时钟相位差，由所述从时钟漂移系数和所述主时钟漂移系数，计算所述从节点和所述主节点的时钟漂移系数比，根据所述时钟相位差和时钟漂移系数比执行时钟同步操作。
11.在一些实施例中，所述交互周期的执行次数至少为30次。
12.在一些实施例中，由所述主节点对本地记载的各交互周期内对应的所述第三时间戳和所述第四时间戳做一次函数拟合得到第一线性函数，包括：
13.对每个交互周期对应的所述第三时间戳和所述第四时间戳求平均值后，采用最小二乘法对各平均值进行拟合得到所述第一线性函数，表达式为：
14.tm＝αm×
t+βm；
15.其中，tm表示所述主节点本地时间，t表示时间变量，αm表示拟合得到的所述主时钟漂移系数，βm表示拟合得到的所述主时钟初始相位；
16.由所述从节点对本地记载的各交互周期内对应的所述第一时间戳和所述第二时间戳做一次函数拟合得到第二线性函数，包括：
17.对每个交互周期对应的所述第一时间戳和所述第二时间戳求平均值后，采用最小二乘法对各平均值进行拟合得到所述第二线性函数，表达式为：
18.ts＝αs×
t+βs；
19.其中，ts表示所述从节点本地时间，t表示时间变量，αs表示拟合得到的所述从时钟漂移系数，βs表示拟合得到的所述从时钟初始相位。
20.在一些实施例中，所述方法还包括：
21.由所述主节点将各交互周期对应的所述第三时间戳和所述第四时间戳存储在所述主节点本地硬件的第一存储空间内；
22.由所述从节点将各交互周期对应的所述第一时间戳和所述第二时间戳存储在所述从节点本地硬件的第二存储空间内。
23.在一些实施例中，根据所述主时钟漂移系数、所述从时钟漂移系数建立同一时刻主节点本地时间和从节点本地时间的关系式中，所述关系式为：
24.ts＝α
×
(t
m-t
m,0
)+β；
[0025][0026]
其中，ts表示所述从节点本地时间，tm表示所述主节点本地时间，t
m,0
表示所述主节点的实际初始时钟相位，αs表示所述从时钟漂移系数，αm表示所述主时钟漂移系数，α表示所述从时钟与所述主时钟的时钟漂移系数比，β表示主从时钟的初始相位差。
[0027]
在一些实施例中，基于所述关系式利用所述第五时间戳、所述从时钟与所述主时钟的时钟漂移系数比、所述主时钟初始相位和所述从时钟初始相位，计算所述主节点和所述从节点的时钟相位差，包括：
[0028]
根据所述关系式计算所述主从时钟的初始相位差的表达式为：
[0029]
β＝t
s-α
×
tm+α
×
t
m,0
；
[0030]
与tm＝αm×
t+βm和ts＝αs×
t+βs联立，得到：
[0031]
β＝β
s-α
×
βm+α
×
t
m,0
；
[0032]
其中，ts表示所述从节点本地时间，tm表示所述主节点本地时间，t
m,0
表示所述主节
点的实际初始时钟相位，α表示所述从时钟与所述主时钟的时钟漂移系数比，β表示主从时钟的初始相位差；
[0033]
根据所述同一时刻主节点本地时间和从节点本地时间的关系式，所述主节点发送所述时间特征信息时，从节点的时间的计算式为：
[0034]
t
s,end
＝α
×
(t
m,end-t
m,0
)+β；
[0035]
其中，t
s,end
表示所述主节点发送所述时间特征信息时从节点的时间，t
m,end
表示所述第五时间戳，t
m,0
表示所述主节点的实际初始时钟相位，α表示所述从时钟与所述主时钟的时钟漂移系数比，β表示主从时钟的初始相位差；
[0036]
所述主节点发送所述时间特征信息时从节点的时间与所述第五时间戳的差，即为此时主从时钟的相位差，计算式为：
[0037]
t
s,end-t
m,end
＝(α-1)
×
(t
m,end-t
m,0
)+β；
[0038]
引入β＝β
s-α
×
βm+α
×
t
m,0
，得到：
[0039]
t
s,end-t
m,end
＝(α-1)
×
(t
m,end-t
m,0
)+β
s-α
×
βm。
[0040]
其中，t
m,end
表示所述第五时间戳，t
m,0
表示所述主节点的实际初始时钟相位，βm表示拟合得到的所述主时钟初始相位，此处t
m,0
＝βm，α表示所述从时钟与所述主时钟的时钟漂移系数比。
[0041]
在一些实施例中，所述主节点和所述从节点建立通信链路之前，还包括：
[0042]
由所述从节点进行计时，并按照设定时间间隔发起执行双向时间同步。
[0043]
在一些实施例中，所述方法还包括：
[0044]
由所述从节点对多次计算得到的所述时钟相位差和所述时钟漂移系数比计算标准偏差，将所述标准偏差与预设警戒值进行对比，当所述标准偏差大于等于所述预设警戒值时，生成告警信息。
[0045]
本发明的另一方面提供了一种双向时间同步系统，所述系统包括至少一个主节点和从节点；所述主节点和所述从节点均包含处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器用于执行所述存储器中存储的计算机指令，当所述计算机指令被处理器执行时，该系统中的所述主节点和所述从节点实现上述方法的步骤。
[0046]
本发明的另一方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
[0047]
本发明的有益效果至少是：
[0048]
本发明所述的一种双向时间同步方法、系统与装置，要求主从节点在前n次交互周期通信过程中，仅记载发射和接收到同步信号时在本地的时间戳，并不需要额外打包时间信息到交互信号中，能够减少打包时间信息的误差。在第n次交互周期结束后，由主节点和从节点分别对本地记载的时间戳进行一次函数拟合以得到主节点的主时钟漂移系数和主时钟初始相位，以及从节点的从时钟漂移系数和从时钟初始相位，通过建立同一时刻主节点本地时间和从节点本地时间的关系式，基于关系式根据主节点发送交互信号的本地时间戳、主时钟漂移系数、主时钟初始相位、从时钟漂移系数和从时钟初始相位推导计算出主节点和从节点的时钟相位差，由从时钟漂移系数和主时钟漂移系数，计算出从节点和主节点的时钟漂移系数比，根据时钟相位差和时钟漂移系数比执行时钟同步操作。
[0049]
本发明实现时间同步时仅仅需要极少量的时间信息即可完成时间同步，计算时不
会消耗大量资源与时间，算法简单，容易实现。能够在保证一定程度的高精准的时间同步下，大幅度减少通信资源的消耗。
[0050]
本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
[0051]
本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。
附图说明
[0052]
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
[0053]
图1为本发明一实施例所述双向时间同步方法的流程图。
[0054]
图2为本发明一实施例所述双向时间同步方法中信号传输周期的示意图。
具体实施方式
[0055]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
[0056]
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
[0057]
应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
[0058]
在设备通信过程中，需要通过时间戳标记信息或执行程序的先后顺序，各硬件通过本地时钟进行计时，时钟是利用晶体振荡器的高精度稳定的振荡特性,将时钟信号转化为以晶振振荡周期为基础的计数信号。在相对稳定的运行环境的下，各硬件的晶振频率不会产生较大的变化，但是由于各硬件本身的工艺误差，不同设备之间的晶振频率存在一定差异，会导致不同设备的实际时间与真实时间存在区别，从而在各设备之间产生时间误差。需要说明的是，实际时间是设备本地计时对应的时间，即本地时间戳，真实时间是指现实的标准时间。
[0059]
为了实现高精准时间同步，传统方案是每次进行通信都会发送时间戳信息，通过反复、多次的进行时间同步计算以达到高精度的时间同步。尽管这种方法能够实现相当高精度的时间同步，但是往往会消耗大量的通信资源：每一次进行通信时，都传播了时间信息，并且从节点进行了一次运算与调整，使得在一段时间内的通信，有相当大的一部分通信资源用于维持主从节点间高精度时间同步，占用了其他的通信资源，同时也大量消耗了主从节点的计算资源。对此，本发明提供了一种双向时间同步方法、系统与装置。
[0060]
具体的，本实施例提供一种双向时间同步方法，本方法用于在进行通信的双方主体上运行，所述双方主体可以是通信或定位系统中不同的主体设备，也可以是电子设备中
建立通信的不同元器件。该方法如图1所示，包括以下步骤s101～s105：
[0061]
步骤s101：主节点和从节点建立通信链路。
[0062]
步骤s102：由主节点与从节点进行信号同步交互，在一个交互周期内，由从节点率先向主节点发送第一同步信号，并接收主节点反馈的第二同步信号；由从节点记载本地产生的发送第一同步信号的第一时间戳，以及接收第二同步信号的第二时间戳；由主节点记载本地产生的接收第一同步信号的第三时间戳，以及发送第二同步信号的第四时间戳。
[0063]
步骤s103：在执行多次交互周期后，由主节点对本地记载的各交互周期内对应的第三时间戳和第四时间戳做一次函数拟合得到第一线性函数，将第一线性函数的斜率作为主时钟漂移系数，将第一线性函数的截距作为主时钟初始相位；由从节点对本地记载的各交互周期内对应的第一时间戳和第二时间戳做一次函数拟合得到第二线性函数，将第二线性函数的斜率作为从时钟漂移系数，将第二线性函数的截距作为从时钟初始相位。
[0064]
步骤s104：在各交互周期结束后，由主节点在本地时间的第五时间戳处，将主时钟漂移系数、主时钟初始相位以及第五时间戳作为时间特征信息发送至从节点。
[0065]
步骤s105：根据主时钟漂移系数、从时钟漂移系数建立同一时刻主节点本地时间和从节点本地时间的关系式，基于关系式利用第五时间戳、主时钟漂移系数、从时钟漂移系数、主时钟初始相位和从时钟初始相位，计算主节点和从节点的时钟相位差，由从时钟漂移系数和主时钟漂移系数，计算出从节点和主节点的时钟漂移系数比，以根据时钟相位差和时钟漂移系数比执行时钟同步操作。
[0066]
在步骤s101中，主节点和从节点预先设定交互周期，为了保证后续步骤s103中一次函数的拟合效果，交互周期的执行次数至少为30次，为了兼顾同步效率和节约算力，本实施例中交互周期的执行次数优选为30次。在另一些实施例中，交互周期的执行次数可以根据具体应用场景的需求进行调整。
[0067]
在步骤s102中，第一同步信号与第二同步信号为预设格式的通信信号，可以包括帧头信息、节点身份标识符、帧数据以及帧尾信息，在前n个交互周期内，第一同步信号和第二同步信号仅用于交替响应，但不传递其他与交互时间相关的数据信息。主节点和从节点在时钟同步的前n个交互周期中，除了执行第一同步信号和第二同步信号的交替响应外，仅对本地发送和接收第一同步信号和第二同步信号的时间戳进行记录。
[0068]
在步骤s103中，主节点和从节点本地的时间戳是基于本地晶振产生的，其不同于真实时间，由于本地晶振的频率差异，主从节点在同一时刻产生的时间戳也存在差异。但需要说明的是，由于稳定环境下晶振的频率是稳定的，所以，主从节点本地时钟与真实时间的时钟漂移系数也是稳定的，因此，主从节点之间本地时钟的时间能够建立稳定的转换关系。基于此，在多次交互周期之后，主节点和从节点本地记载的时间戳可以通过一次函数拟合的方式，求得主时钟漂移系数、主时钟初始相位、从时钟漂移系数和从时钟初始相位。
[0069]
具体的，步骤s103中，由主节点对本地记载的各交互周期内对应的第三时间戳和第四时间戳做一次函数拟合得到第一线性函数，包括：对每个交互周期对应的第三时间戳和第四时间戳求平均值后，采用最小二乘法对各平均值进行拟合得到第一线性函数，表达式为：
[0070]
tm＝αm×
t+βm；
[0071]
其中，tm表示主节点本地时间，t表示时间变量，αm表示拟合得到的主时钟漂移系
数，βm表示拟合得到的主时钟初始相位。这里，主时钟漂移系数是指主时钟时间相对于标准时间的比值。
[0072]
步骤s103中，由从节点对本地记载的各交互周期内对应的第一时间戳和第二时间戳做一次函数拟合得到第二线性函数，包括：对每个交互周期对应的第一时间戳和第二时间戳求平均值后，采用最小二乘法对各平均值进行拟合得到第二线性函数，表达式为：
[0073]
ts＝αs×
t+βs；
[0074]
其中，ts表示从节点本地时间，t表示时间变量，αs表示拟合得到的从时钟漂移系数，βs表示拟合得到的从时钟初始相位。这里，从时钟漂移系数是指从时钟时间相对于标准时间的比值。
[0075]
在步骤s104中，当前n次交互周期结束后，主节点将时间特征信息、发送该时间特征信息时主节点本地的第五时间戳发送至从节点。主节点在n+1周期发送时间特征信息时从节点的时间与第五时间戳的差即为当前主从节点之间的时钟相位差。需要说明的是，主节点在n+1周期发送时频信息时，从节点的时间是一个未知量。
[0076]
在步骤s105中，由于主时钟漂移系数、从时钟漂移系数是稳定的值，因此可以建立同一时刻主节点本地时间和从节点本地时间的关系式。
[0077]
具体的，根据主时钟漂移系数、从时钟漂移系数建立同一时刻主节点本地时间和从节点本地时间的关系式中，所述关系式为：
[0078]
ts＝α
×
(t
m-t
m,0
)+β；
[0079][0080]
其中，ts表示从节点本地时间，tm表示主节点本地时间，t
m,0
表示主时钟的实际初始时钟相位，αs表示从时钟漂移系数，αm表示主时钟漂移系数，α表示从时钟与主时钟的时钟漂移系数比，β表示主从时钟的初始相位差。
[0081]
进一步的，基于关系式利用第五时间戳、从时钟与主时钟的时钟漂移系数比、主时钟初始相位和从时钟初始相位，计算主节点和从节点的时钟相位差，包括：
[0082]
根据关系式计算主从时钟的初始相位差的表达式为：
[0083]
β＝t
s-α
×
tm+α
×
t
m,0
；
[0084]
与tm＝αm×
t+βm和ts＝αs×
t+βs联立，得到：
[0085]
β＝β
s-α
×
βm+α
×
t
m,0
；
[0086]
其中，ts表示从节点本地时间，tm表示主节点本地时间，t
m,0
表示主时钟的实际初始时钟相位，α表示从时钟与主时钟的时钟漂移系数比，β表示主从时钟的初始相位差；
[0087]
从节点接收到时间特征信息时，在本地产生的主节点在n+1周期发送时频信息时，从节点的时间的计算式为：
[0088]
t
s,end
＝α
×
(t
m,end-t
m,0
)+β；
[0089]
其中，t
s,end
表示主节点发送所述时间特征信息时从节点的时间，t
m,end
表示第五时间戳，t
m,0
表示主节点的实际初始时钟相位，α为从时钟与主时钟的时钟漂移系数比，β表示主从时钟的初始相位差；
[0090]
主节点发送时间特征信息时从节点的时间与第五时间戳的差，即为此时主从时钟的相位差，计算式为：
[0091]
t
s,end-t
m,end
＝(α-1)
×
(t
m,end-t
m,0
)+β；
[0092]
引入β＝β
s-α
×
βm+α
×
t
m,0
，得到：
[0093]
t
s,end-t
m,end
＝(α-1)
×
(t
m,end-t
m,0
)+β
s-α
×
βm。
[0094]
根据上式，其中，t
m,end
是由主节点采集并发送至从节点的第五时间戳时间，βs、βm以及用于计算α的αm、αs是基于步骤s103拟合得到的，此处t
m,0
＝βm，则可以计算出主节点发送时间特征信息时主从节点的时钟相位差。
[0095]
在一些实施例中，所述方法还包括：
[0096]
由主节点将各交互周期对应的第三时间戳和第四时间戳存储在主节点本地硬件的第一存储空间内；
[0097]
由从节点将各交互周期对应的第一时间戳和第二时间戳存储在从节点本地硬件的第二存储空间内。
[0098]
在一些实施例中，步骤s101之前，即主节点和从节点建立通信链路之前，还包括：由从节点进行计时，并按照设定时间间隔发起执行双向时间同步。进一步的，时间同步可以基于设定时间间隔发起，也可以基于实际需求设置相应的发起条件。
[0099]
在一些实施例中，所述方法还包括：由从节点对多次计算得到的时钟相位差计算标准偏差，将标准偏差与预设警戒值进行对比，当标准偏差大于等于预设警戒值时，生成告警信息。
[0100]
本实施例的目的在于，根据多次同步产生的时钟相位差评价其离散性，若离散水平高于预期，则证明主从节点之间一个或两个的晶振水平并不稳定，则可能存在设备故障，需要进行维修。
[0101]
本发明的另一方面提供了一种双向时间同步系统，包括至少一个主节点和从节点；所述主节点和所述从节点均包含处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器用于执行所述存储器中存储的计算机指令，当所述计算机指令被处理器执行时，该系统中的所述主节点和所述从节点实现上述方法的步骤。
[0102]
本发明的另一方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
[0103]
具体的，本发明提出了一种基于发送者和接收者的双向时间同步方法。该方法中，主节点、从节点分别在本地记录了双方n次通信周期中同步信号发送时与接收时的时间戳，主从节点分别根据本地记录的时间戳信息去计算时间特征值，然后主节点在第n+1次交互周期中将计算出的时间特征值发送给从节点。从节点利用主节点计算出的时间特征值计算主从时钟的相位差来调整从节点本地时钟，达到高精度的时间同步。
[0104]
其中，时间戳是根据时钟的实际时间而记载的时间信息；时间特征值是指表达时钟信息的特征信息，包括时钟漂移系数、时钟初始相位相位；时钟相位差是指两个时钟之间的相位差，也就是时间差。如图2所示，该方法包括以下步骤s201～s209：
[0105]
步骤s201：主从节点建立通信链路，保证双方可以完成有效通信。并且已设定好同步信号周期。
[0106]
步骤s202：由从节点率先发射同步信号，并且在发射时从节点在本地记录发射同步信号的时间戳，记为t1。
[0107]
步骤s203：主节点收到从节点发射的同步信号，并在主节点本地记录收到同步信
号的时间戳，记为t2。
[0108]
步骤s204：主节点按照设定，开始发射同步信号，并在主节点本地记录发射同步信号的时间戳，记为t3。
[0109]
步骤s205：从节点收到主节点发射的同步信号，并在从节点本地记录发射同步信号的时间戳，记为t4。
[0110]
步骤s206：重复步骤s202-步骤s205进行通信信号的收发。实现设定好的n次周期的信号通信。
[0111]
步骤s207：主从节点实现n次周期信号通信后，分别在本地根据已经记录的离散的时间戳，按照时间同步算法计算出时间特征值。
[0112]
步骤s208：在第n+1次通信周期，主节点将本地计算出的时间特征值发送给从节点。
[0113]
步骤s209：从节点接收主节点发射的时间特征值，并根据从节点本地计算出的时间特征值，计算出主从时钟的时钟相位差和时钟漂移系数比，完成时间同步。
[0114]
下面结合一具体实施例对本发明中的时间同步算法进行说明：
[0115]
晶振的频率是指晶体振荡器在真实时间1秒振荡了多少次，真实时间是指现实的标准时间。由于硬件本身的工艺误差，不同时钟的晶振频率存在差异，所以制作出的时钟总是与真实时间t存在区别。时钟在温度稳定的情况下，时钟频率与晶振频率晶振本身的频率并不会发生较大的改变，主从时钟与真实时间t之间的比值相对固定，用时钟漂移系数表示这一比值。进而，主从时钟与真实时间的关系可以用一次函数公式表达。经过采集后，从时钟和主时钟的时间戳信息表如下表所示：
[0116][0117]
表1从时钟和主时钟的时间戳信息表
[0118]
采集了n组时间信息之后，从节点以t
1,k
，t
4,k
为一组，主节点以t
2,k
，t
3,k
为一组，从节点和主节点对本地采集的每组时间信息求平均值，称平均值为平均时间信息，从节点和主节点分别在本地对所收集到的平均时间信息进行一次函数拟合：
[0119]
主节点得到以下函数：
[0120]
tm＝αm×
t+βm；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2-1)
[0121]
从节点得到以下函数：
[0122]
ts＝αs×
t+βs；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2-2)
[0123]
其中tm为主时钟时间，ts为从时钟时间，αm为拟合后的主时钟漂移系数，αs为拟合后的从时钟漂移系数，βm为拟合后的主时钟初始相位，βs为拟合后的从时钟初始相位。
[0124]
时间同步的目的主要是为了能够使从时钟和主时钟达到主从时钟漂移系数与时间一致，故设从时钟与主时钟的时间关系如下：
[0125]
ts＝α
×
(t
m-t
m,0
)+β
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2-3)
[0126]
其中ts为从时钟时间，tm为主时钟时间，α为从时钟与主时钟的时钟漂移系数比：
[0127][0128]
t
m,0
为主时钟的实际初始时钟相位，β为主从时钟的初始相位差。初始时钟相位是指在开始进行时间同步时，主时钟显示的时间；初始相位差是指开始进行时间同步时，两个时钟之间的时间差。
[0129]
则在开始进行时间同步时，通过公式(2-3)可得：
[0130]
β＝t
s-α
×
tm+α
×
t
m,0
[0131]
进一步联立公式(2-1)与(2-2)可推导出：
[0132]
β＝β
s-α
×
βm+α
×
t
m,0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2-5)
[0133]
根据公式(2-3)，当主节点在n+1周期时将主节点的时间特征值，即βm与αm发送给从节点，此时的主从时钟时间关系为以下：
[0134]
t
s,end
＝α
×
(t
m,end-t
m,0
)+β
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2-6)
[0135]
则得到此时主从时钟的相位差为：
[0136]
t
s,end-t
m,end
＝(α-1)
×
(t
m,end-t
m,0
)+β
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(2-7)
[0137]
将公式(2-5)代入至公式(2-7)中，可得：
[0138]
t
s,end-t
m,end
＝(α-1)
×
(t
m,end-t
m,0
)+β
s-α
×
βm[0139]
此时的t
m,end
我们设定为：n+1周期时，主节点将主节点算出的时间特征值发送给从节点时的发送时间，该时间为t
3,n+1
。而t
s,end
为主节点在n+1周期发送时间特征值时，从节点的时间。
[0140]
经过该算法，可以算出从时钟与主时钟的时钟漂移系数比为：
[0141][0142]
时钟相位差分别为：
[0143]
t
s,end-t
m,end
＝(α-1)
×
(t
m,end-t
m,0
)+β
s-α
×
βm[0144]
此时t
m,0
＝βm，即主时钟的实际初始相位可以用拟合后得到的主时钟初始相位代替。
[0145]
综上所述，本发明所述的双向时间同步方法、系统及装置，基于发送者和接收者的双向时间同步机制，设定好主节点、从节点信号交互的周期次数。在所述周期次数中只分别在主节点和从节点本地记录时间戳，并不需要额外打包时间戳到交互信号中，能够减少每次信号交互时打包时间戳和解码时间戳的误差。在设定好的周期完成后，由主节点和从节点分别对本地记载的时间戳进行一次函数拟合以得到主节点的主时钟漂移系数和主时钟初始相位，以及从节点的从时钟漂移系数和从时钟初始相位。在下一个交互周期中，由主节点将主节点计算出的主时钟漂移系数、主时钟初始相位、主节点发送本周期交互信号时的本地时间戳发送给从节点。在从节点进行主节点和从节点的时钟相位差的计算，通过建立同一时刻主节点本地时间和从节点本地时间的关系式，基于关系式根据主时钟漂移系数、
主时钟初始相位、主节点发送交互信号时的本地时间戳、从时钟漂移系数和从时钟初始相位推导计算出主节点和从节点的时钟相位差，由从时钟漂移系数和主时钟漂移系数，可计算出从节点和主节点的时钟漂移系数比，从节点根据计算出的时钟相位差和时钟漂移系数比完成时间同步。该技术与传统的双向时间同步技术相比，降低了通信过程中交换时间信息的频率，避免了每次信号交互时打包时间戳和解码时间戳的误差，同时计算的复杂度低，大幅度减少了通信开销和算力损耗，又可以保证一定高精度的时间同步。
[0146]
与上述方法相应地，本发明还提供了一种装置/系统，该装置/系统包括计算机设备，所述计算机设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器用于执行所述存储器中存储的计算机指令，当所述计算机指令被处理器执行时该装置/系统实现如前所述方法的步骤。
[0147]
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时以实现前述边缘计算服务器部署方法的步骤。该计算机可读存储介质可以是有形存储介质，诸如随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、软盘、硬盘、可移动存储盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质。
[0148]
本领域普通技术人员应该可以明白，结合本文中所公开的实施方式描述的各示例性的组成部分、系统和方法，能够以硬件、软件或者二者的结合来实现。具体究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(asic)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。
[0149]
需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
[0150]
本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。
[0151]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种双向时间同步通信方法，其特征在于，所述方法在预设通信系统上执行，所述预设通信系统包括至少一个主节点和一个从节点，该方法包括以下步骤：所述主节点和所述从节点建立通信链路；由所述主节点与所述从节点进行信号同步交互，在一个交互周期内，由所述从节点率先向所述主节点发送第一同步信号，并接收所述主节点反馈的第二同步信号；由所述从节点记载本地产生的发送所述第一同步信号的第一时间戳，以及接收所述第二同步信号的第二时间戳；由所述主节点记载本地产生的接收所述第一同步信号的第三时间戳，以及发送所述第二同步信号的第四时间戳；在执行多次交互周期后，由所述主节点对本地记载的各交互周期内对应的所述第三时间戳和所述第四时间戳做一次函数拟合得到第一线性函数，将所述第一线性函数的斜率作为主时钟漂移系数，将所述第一线性函数的截距作为主时钟初始相位；由所述从节点对本地记载的各交互周期内对应的所述第一时间戳和所述第二时间戳做一次函数拟合得到第二线性函数，将所述第二线性函数的斜率作为从时钟漂移系数，将所述第二线性函数的截距作为从时钟初始相位；在各交互周期结束后，由所述主节点在本地时间的第五时间戳处，将所述主时钟漂移系数、所述主时钟初始相位以及所述第五时间戳作为时间特征信息发送至所述从节点；根据所述主时钟漂移系数、所述从时钟漂移系数建立同一时刻主节点本地时间和从节点本地时间的关系式，基于所述关系式利用所述第五时间戳、所述主时钟漂移系数、所述从时钟漂移系数、所述主时钟初始相位和所述从时钟初始相位，计算所述主节点和所述从节点的时钟相位差由所述从时钟漂移系数与所述主时钟漂移系数可计算出所述从节点和所述主节点的时钟漂移系数比，根据所述时钟相位差和所述时钟漂移系数比执行时钟同步操作。2.根据权利要求1所述的双向时间同步通信方法，其特征在于，所述交互周期的执行次数至少为30次。3.根据权利要求1所述的双向时间同步通信方法，其特征在于，由所述主节点对本地记载的各交互周期内对应的所述第三时间戳和所述第四时间戳做一次函数拟合得到第一线性函数，包括：对每个交互周期对应的所述第三时间戳和所述第四时间戳求平均值后，采用最小二乘法对各平均值进行拟合得到所述第一线性函数，表达式为：t
m
＝α
m
×
t+β
m
；其中，t
m
表示所述主节点本地时间，t表示时间变量，α
m
表示拟合得到的所述主时钟漂移系数，β
m
表示拟合得到的所述主时钟初始相位；由所述从节点对本地记载的各交互周期内对应的所述第一时间戳和所述第二时间戳做一次函数拟合得到第二线性函数，包括：对每个交互周期对应的所述第一时间戳和所述第二时间戳求平均值后，采用最小二乘法对各平均值进行拟合得到所述第二线性函数，表达式为：t
s
＝α
s
×
t+β
s
；其中，t
s
表示所述从节点本地时间，t表示时间变量，α
s
表示拟合得到的所述从时钟漂移系数，β
s
表示拟合得到的所述从时钟初始相位。
4.根据权利要求1所述的双向时间同步通信方法，其特征在于，所述方法还包括：由所述主节点将各交互周期对应的所述第三时间戳和所述第四时间戳存储在所述主节点本地硬件的第一存储空间内；由所述从节点将各交互周期对应的所述第一时间戳和所述第二时间戳存储在所述从节点本地硬件的第二存储空间内。5.根据权利要求3所述的双向时间同步通信方法，其特征在于，根据所述主时钟漂移系数、所述从时钟漂移系数建立同一时刻主节点本地时间和从节点本地时间的关系式中，所述关系式为：t
s
＝α
×
(t
m-t
m，0
)+β；其中，t
s
表示所述从节点本地时间，t
m
表示所述主节点本地时间，t
m,0
表示所述主节点的实际初始时钟相位，α
s
表示所述从时钟漂移系数，α
m
表示所述主时钟漂移系数，α表示所述从时钟与所述主时钟的时钟漂移系数比，β表示主从时钟的初始相位差。6.根据权利要求5所述的双向时间同步通信方法，其特征在于，基于所述关系式利用所述第五时间戳、所述从时钟与所述主时钟的时钟漂移系数比、所述主时钟初始相位和所述从时钟初始相位，计算所述主节点和所述从节点的时钟相位差，包括：根据所述关系式计算所述主从时钟的初始相位差的表达式为：β＝t
s-α
×
t
m
+α
×
t
m，0
；与t
m
＝α
m
×
t+β
m
和t
s
＝α
s
×
t+β
s
联立，得到：β＝β
s-α
×
β
m
+α
×
t
m，0
；其中，t
s
表示所述从节点本地时间，t
m
表示所述主节点本地时间，t
m,0
表示所述主节点的实际初始时钟相位，α表示所述从时钟与所述主时钟的时钟漂移系数比，β表示主从时钟的初始相位差；根据所述同一时刻主节点本地时间和从节点本地时间的关系式，所述主节点发送所述时间特征信息时，从节点的时间的计算式为：t
s,end
＝α
×
(t
m,end-t
m,0
)+β；其中，t
s,end
表示所述主节点发送所述时间特征信息时从节点的时间，t
m,end
表示所述第五时间戳，t
m,0
表示所述主节点的实际初始时钟相位，α表示所述从时钟与所述主时钟的时钟漂移系数比，β表示主从时钟的初始相位差；所述主节点发送所述时间特征信息时从节点的时间与所述第五时间戳的差，即为此时主从时钟的相位差，计算式为：t
s，end-t
m，end
＝(α-1)
×
(t
m，end-t
m，0
)+β；引入β＝β
s-α
×
β
m
+α
×
t
m,0
，得到：t
s，end-t
m，end
＝(α-1)
×
(t
m，end-t
m，0
)+β
s-α
×
β
m
。其中，t
m,end
表示所述第五时间戳，t
m,0
表示所述主节点的实际初始时钟相位，β
m
表示拟合得到的所述主时钟初始相位，此处t
m,0
＝β
m
，α表示所述从时钟与所述主时钟的时钟漂移系数比。7.根据权利要求1所述的双向时间同步通信方法，其特征在于，所述主节点和所述从节
点建立通信链路之前，还包括：由所述从节点进行计时，并按照设定时间间隔发起执行双向时间同步。8.根据权利要求1所述的双向时间同步通信方法，其特征在于，所述方法还包括：由所述从节点对多次计算得到的所述时钟相位差和所述时钟漂移系数比计算标准偏差，将所述标准偏差与预设警戒值进行对比，当所述标准偏差大于等于所述预设警戒值时，生成告警信息。9.一种适用于双向时间同步通信的系统，其特征在于，所述系统包括至少一个主节点和从节点；所述主节点和所述从节点均包含处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器用于执行所述存储器中存储的计算机指令，当所述计算机指令被处理器执行时，该系统中的所述主节点和所述从节点实现如权利要求1至8中任一项所述方法的步骤。10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1至8中任一项所述方法的步骤。

技术总结
本发明提供一种双向时间同步方法、系统与装置，基于发送者和接收者的双向时间同步机制建立通信链路，预设主节点、从节点之间的信号交互周期次数。在所述周期中分别在主节点和从节点本地记录时间戳。预设的周期完成后，在主节点和从节点分别对本地时间戳进行一次函数拟合以得到主节点和从节点的时间特征值。在下一个交互周期中，由主节点将时间特征值发送给从节点。基于主、从节点时间关系式在从节点根据主节点、从节点的时间特征值计算出主节点和从节点的时钟相位差和时钟漂移系数比，从节点根据计算出的结果完成时间同步。该技术降低了通信过程中交换时间信息的频率，大幅减少了通信开销和算力损耗，同时保证一定高精度的时间同步。同步。同步。


技术研发人员：邓中亮 张耀 王淦 叶倪军 石威 吕响 张义琅 孟凡琨 吴子晋 马宇轩
受保护的技术使用者：北京邮电大学
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/8/5