CN100379183C - 移动无线自组织网络的互同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动Adhoc网络的互同步方法。该方法通过网络中相邻节点之间时间基准的相互交换和相互控制进行。在时序安排上，将相邻的若干个时帧组成超帧，并在每个时帧中增加一个时标信号域；网络中的每个节点在每个超帧的某个特定时帧的时标信号域中周期性地发送时标信号标明其时间基准。同时在一个超帧中，每个节点还要接收其它节点的时标信号，从中提取出时间基准，并根据这些时间基准调整本节点的时间基准。之后节点再按照调整后的时间基准发送时标信号。本发明的同步实现方法不依赖于其它外部的时钟，实现简单，工作可靠，可广泛应用于采用同步接入技术的AdHoc网络，也可用于总线型或网状型采用分布式控制的有线局域网络。

Description

移动无线自组织网络的互同步方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及移动无线自组织网络，即Ad Hoc网络，具体的说是一种移动Ad hoc网络的互同步方法，适用于野战通信、紧急搜救、临时会议等所需要的无线局域通信系统，同时也适合于总线型和网状分不布式控制的有线局域网络。

背景技术

移动Ad hoc由一组具有平等特性的自主节点组成，具有网络系统自治的特性。与传统的无线网络相比，其显著特点是不需要建立固定的通信基础设施，仅仅由网络节点便可组成一个完整的网络。在该网络中，所有节点都是可以移动的，每个移动节点既是终端，又是路由器，能够提供业务的存储转发功能，所有节点作为对等的实体存在于网络之中，由于该网络无需固定的基础通信设施的支持，因此，具有很高的可靠性、灵活性和机动性，被广泛应用于敌对、突发和不易建设固定通信设施的环境中，如野战通信、紧急搜救、临时会议等。同时由于移动Ad hoc网络没有固定通信设施的支持，且各节点的作用完全对等，因此，它采用的是分布式控制的工作方式。这种网络一般工作在异步模式，即所有节点的时间基准不要求统一，其MAC层协议多采用异步接入方式，例如：IEEE 802.11，MACA，MACAW，MACA-BI等。因而这种网络的主要不足是支持实时业务的能力较差，性能不够理想。

为了解决这个问题就需要在移动Ad hoc网络中采用一些同步的MAC层接入协议，例如：DPRMA、FPRP、CATA等。这些接入方式都是基于时分多址的，它将时间轴划分成周期性的时帧，每个时帧再划分成若干个时隙，相邻连续的若干个时帧中序号相同的时隙组成一个个业务信道，用于传输业务数据或业务分组，如图1所示。实现这种接入方式的关键是网络中的各个节点必须保持同步，即必须知道时帧的确切起始时间，只有这样才能够区分出各个时隙，相邻的时隙才不会出现混叠。这种同步在有中心的网络中是比较容易实现的，一般采用的方法是由中心站产生时间基准，各移动节点接收该时间基准并保持与其同步，便可实现整个网络所有节点的同步。但在分布式网络中，由于不存在中心站，所有节点的地位是完全相同的，因此网络同步技术的实现就比较困难。目前移动Ad hoc网络中可用的同步技术主要有以下三种方式：

第一种方式是各节点分别采用高精度的时钟。显然，这种方式在具体实现时非常困难，而且其成本也非常高，因此在多数应用中是无法接受的。

第二种方式是利用临时群首来实现网络的同步，例如，蓝牙技术就是采用的这种方式。其基本思想是在一段时间内，网络按照一定的规则选取某个节点作为网络的临时群首，由该节点提供网络的时间基准信号，当网络条件变化时，例如拓扑结构，要再重新选取其它节点作为群首。这种方式虽然同步实现简单，成本较低，但却存在两方面的问题，一方面是临时群首的选取非常困难，因为临时群首要为整个网络提供时间基准，因此，考虑到传播延迟的影响，它最好是处于网络的中心位置，这样才能使得整个网络的时间误差最小。但在移动Ad hoc网络中，任何一个节点的位置都是不确定的，因此，临时群首的选取算法非常复杂；另一方面临时群首也是影响网络运行可靠性和稳定性的一个瓶颈。在移动Ad hoc网络中，网络中的节点位置是不断变化的，因此网络的拓扑结构也是不断变化的，这样就要求临时群首也必须相应地进行改变。另外，当临时群首出现故障或被毁时，为了使得网络能够正常运行，也必须重新选择新的节点作为临时群首。但由于临时群首的选取比较复杂，并且当临时群首改变时，需要一定的时间周期来重新建立网络的同步，因此在临时群首切换的过程中会导致网络通信的短时中断。

第三种方式是利用GPS时标作为时间基准，例如参考文献“A Five-PhaseReservation Protocol(FPRP)for Mobil Ad Hoc Network”，Chenxi Zhou and M.ScottCorson，Institute for Systems Research University of Maryland College Park，MarylandCollege Park，Maryland 20742，Proceedings of IEEE INFOCOM 1998，Apr.1998。其基本思想是，所有节点都通过GPS时标信号来获得时间基准，这样由于所有节点的参考时间，即GPS时标一致，因此，便可实现所有节点的同步。这种方式虽然可以为各节点提供足够精确的时间基准，且实现也相对比较简单，但其缺点是网络的运行必须依赖于GPS时标信号，一旦GPS时标信号不可用时，网络便无法运行。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种移动Ad Hoc网络的互同步方法，以解决Ad Hoc网络在成本低廉条件下易于实现，并能保证可靠运行的问题。

实现本发明目的的技术关键是通过网络中相邻的节点之间时间基准的相互交换和相互控制来实现整个网络节点的同步。其技术过程是：

第一步，将若干个相邻的时帧组成超帧，并在每个时帧中增加一个时标信号，每个节点在某个特定的时帧中发送时标信号，以标明各个节点的时间基准；

第二步，在一个超帧中，由网络中的任何一个节点接收其它节点发送的时标信号，并从中提取出这些时标信号的时间基准；

第三步，根据所提取的这些时间基准，接收节点对其本身的时间基准按照一定的规则进行调整，即当接收节点是新节点时，调整后的时间基准是所有接收到的时间基准中最小的时间基准，当接收节点是已入网节点时，调整后的时间基准是本身调整前的时间基准以及所有接收到的时间基准中最小的时间基准；

第四步，接收节点在下一个超帧的特定时帧中按照调整后的时间基准再发送时标信号；

第五步，重复执行第二、第三步、第四步，使整个网络所有节点具有相同的时间基准，从而实现网络中所有节点之间的实时同步。

上述网络中的接收节点包括要求入网的新节点和已入网节点。其中：

所述的新节点对其本身节点的时间基准按如下规则进行调整，即

T_i＝min(T_ij)j＝1，2，...，m    (1)

式中，T_i为新节点调整后的时间基准

T_ij为新节点接收到第j个时标信号中的时间基准

m为接收到的时标信号数。

如果新节点没有接收到任何时标信号，则由新节点按照本身的时间基准，用每隔一个超帧的时间宽度周期性地发送时标信号，以建立一个新的网络，并接纳其它节点的入网请求。

所述的已入网节点对其本身节点的时间基准按如下规则进行的调整，即

T′_i＝min(T_i，T_ij)，j＝1，2，Λ，m    (2)

式中，T_i为当前节点调整前的时间基准

T_i为当前节点调整后的时间基准

T_ij为接收节点接收到第j个时标信号中的时间基准

m为接收到的时标信号数。

上述网络中的接收节点既可接收本子网中其它节点发送的时标信号，也可接收非本子网中其它节点发送的时标信号。如果任何一个接收节点接收到非本子网中其它节点发送的时标信号，表明接收节点所在子网与其所接收时标信号的子网发生重叠，则要对该两个子网进行同步调整，即规模较小的子网中处于两个子网交叠区中的节点与两个子网中其他节点的时间基准进行比较，计算出这两个子网的时间基准差值，并通知所在子网中的所有节点按照该差值进行时间基准调整，以实现两个子网具有相同的时间基准。

上述网络中的时标信号主要用于传递发送节点的时间基准，同时也可以供其它节点对该节点的发送信号质量进行预测，并发现相邻节点。

本发明具有如下显著效果：

(1)极大地降低了系统成本

由于本发明所采用的同步方式要求各节点在每个超帧中都要进行时间基准的调整，因此它可以极大地降低各节点采用的时钟精度，只要在一个超帧中节点的时钟积累误差远小于系统允许的相邻节点之间的最大时间基准偏差r/c(r为系统单跳的最大通信距离；c＝3×10⁸m/s，为电波传播的速率)，则通过时间基准的不断调整，这种误差便可被去除，使系统成本极大地降低。

(2)网络运行不依赖于GPS网络

由于本发明是通过网络中各个相邻节点之间时间基准的相互交换和相互控制实现网络同步的，它完全不依赖于GPS时标信号，在无法获得GPS时标时仍然能够正常工作。

(3)具有良好的环境适应能力和很强的抗毁性能

由于本发明是一种完全的分布式同步控制方式，因此，与有中心的网络和需要临时群首的网络相比，它具有更好的环境适应能力。同时，在这种网络中，任何节点的故障和被毁，都不会影响其它节点的正常工作，因此，具有良好的抗故障和抗毁性能。

附图说明

图1是一般时分多址系统的时帧结构组成图

图2是本发明超帧和时帧结构组成图

图3是本发明的具有专用的管理控制信道的时帧组成结构图

图4是本发明的同步控制过程图

具体实施方式

以下参照附图对本发明作进一步详细描述

参照图2，本发明将移动Ad hoc网络信号发送的时序结构划分成周期性的超帧，每个超帧再划分成若干个时帧，每个时帧又由一个时标和若干个时隙组成，时隙的具体划分方法由具体采用的MAC层协议确定。

参照图3，本发明为了强化网络的管理功能和简化网络管理的复杂性，在每个时帧中又增设了一个专用的管理控制信道，该时帧结构中的管理控制信道主要用于传输新节点的入网请求信令、对入网请求的应答信令，以及传输网络拓扑结构信息、节点的设备信息和管理信息等信令。并且规定，在每个时帧中，发送时标信号的节点才能够占用该时帧的管理控制信道。

参照图4，本发明在时帧结构包含管理控制信道情况下的网络同步控制过程主要包含新节点的入网同步与网络的建立、网络的同步控制与调整、网络的融合与分裂这三个主要方面。为了简化叙述，假设在网络工作前首先对各个节点进行了逻辑编号，节点的逻辑编号和时帧的序号相对应，即节点应该在序号与其逻辑编号相同的时帧中发送时标信号。在这种假设下，各个同步过程的具体描述如下：

1.新节点的入网同步与网络的建立

(1)新节点首先用至少一个超帧的时间宽度进行探测，接收所有可能接收到的时标信号；

在网络的工作过程中，每个新节点必须进行入网登记后，才能作为一个正式的已入网节点参与网络的各种活动和进行业务信息的交换。当某新节点开始工作后，首先处于接收状态，监听在其通信范围之内是否已经建立了一个网络，即是否有其它已入网节点发送时标信号；监听的时间长度根据系统对入网速度和入网可靠性的要求来确定，但至少应保证不小于一个超帧所占的时间长度。在监听的过程中，如果该新节点没有监听到时标信号的存在，表明在其有效的通信范围内尚没有网络建立。此时该新节点按照其时间基准主动发送时标信号，以示建立一个新的网络，并可据此确定超帧的起始时刻，即网络的时间基准，同时该新节点成为已入网节点。以后每隔一个超帧的时间宽度，该已入网节点均在序号相同的时帧中发送时标信号，并对其它新节点的入网请求进行检测。该新节点如果监听到其它已入网节点发送的时标信号，则将一个超帧中能够接收到的所有时标信号全部接收下来，并将这些时标信号对应的节点记录在其相邻节点表中。该时标信号主要用于传递发送节点的时间基准，同时也可以供其它节点对发送节点的发送信号质量进行预测，并发现相邻节点。发送节点的时间基准是利用超帧的起始时刻表示，即由时标信号的发送时刻及其在中超帧中的相对位置通过公式(1)换算得到。

T_i＝t_i-i*T    (1)

其中，T_i表示时标信号表示的时间基准；i表示时标信号所在的时帧的序号；t_i表示时标信号发送的时刻；T表示一个时帧所占的时间宽度。

新节点如果未能接收到任何时标信号，则由新节点按照本身的时间基准，用每隔一个超帧的时间宽度周期性地发送时标信号，以建立一个新的网络，并接纳其它节点的入网请求。

(2)新节点对接收到的时标信号进行分析，确定超帧的起始时间，并调整自己的时间基准与已入网节点保持同步；

新节点时间基准调整的方法是选取所接收到的所有时标信号中最小的时间基准作为自己的时间基准，即如下公式所示：

T_i＝min(T_ij)j＝1，2，...，m    (2)

其中，T_i为新节点调整后的时间基准，T_ij为新节点接收到的第j个时标信号中的时间基准，m为接收到的时标信号数。

(3)按照调整后的时间基准T_i，新节点在系统指派的某个时帧中，周期性地发送时标。

新节点对其自身的时间基准调整完毕后，就可以根据自己的逻辑编号和时间基准，计算出自己发送时标信号的时间，并在此时刻发送时标信号，同时在控制信道中发送入网请求信令，以示请求入网，已入网节点，当接收到新节点的入网请求时，对其合法性进行判断，如果为合法节点，则在自己对应的时帧的控制信道中发送入网许可信令，以示允许新节点加入网络。

新节点在发送完入网申请信号后，接收一个超帧中所有的控制信道中的信息，分析是否有已入网节点允许本节点的入网请求。如果有，则表明自己已经正确登录，完成了入网登记过程并成为已入网节点。以后在所有的对应时帧中均发送自己的时标信号；否则，证明登录失败，然后按一定的退避方法等待一段时间之后重新进行入网登记。

2.网络的同步控制与调整

上述网络中，当新节点完成入网同步，并成功的进行了入网登记后，虽然实现了与网络中其它已入网节点的同步，但由于网络中各已入网节点的时钟存在着一定的偏差，经过一定时间的运行之后，便会导致各已入网节点的时间基准又会出现一定的偏差。因此，为了保证网络中各已入网节点相互之间的实时同步，还要接收相邻节点的时标信号，并根据接收到的时标信号适当地调整自己的相邻节点表和时间基准。其同步控制与调整过程如下：

(1)接收其它已入网节点发送的时标信号；

新节点在完成入网登记后便成为已入网节点，所有已入网节点在进行网络活动的同时，在每个超帧中都要接收其它已入网节点发送的时标信号。

(2)根据所接收到的其它已入网节点发送的时标信号，对本身节点的时间基准进行调整；

假设网络中有两个相邻的已入网节点i和j，它们之间的距离为d，节点i的时间基准为T_i，节点j依据节点i调整其时间基准。由于电波传播延迟的影响，节点j实际从节点i获得的时间基准为：

T_j＝T_ji＝T_i+d/c    (3)

其中：T_ji为节点j接收到的节点i的时间基准，c＝3×10⁸m/s，为电波传播的速率。

同样，当节点j发送其时标后，节点i接收到的节点j的时间基准为：

T_ij＝T_j+d/c＝T_i+2d/c    (4)

假设系统单跳的最大通信距离为r，则判断相邻已入网节点为同步节点的判断准则为：

|T_i-T_ij|＜2r/c    (5)

其中：T_i为当前节点的时间基准；T_ij为当前节点接收到的相邻节点的时间基准。

为了使得网络中的所有已入网节点能够始终保持同步，在网络的整个工作过程中，所有已入网节点都必须按照其所接收到的相邻已入网节点的时标信号，对其时间基准进行调整，每隔一个超帧的时间调整一次。

假设在某个超帧中节点i接收到m个相邻的同步节点的时标信号，它们对应的时间基准分别为T_i1，T_i2，...，T_im，则按照如下公式调整其时间基准：

即

T′_i＝min(T_i，T_ij)，j＝1，2，Λ，m    (6)

其中，T_i为当前节点调整前的时间基准，T_i’为当前节点调整后的时间基准，T_ij为接收节点接收到第j个时标信号中的时间基准，m为接收到的时标信号数。

(3)已入网节点在完成对本身时间基准调整后，在下一个超帧中，按照新的时间基准在相应的时帧中发送时标信号。

虽然，根据以上规则可以看出，各个已入网节点通过相互交换时间基准实现了连通网络内各个已入网节点之间的同步。但由于电波传播延迟和各节点时钟精度的影响，网络在实现同步后，各已入网节点的时间基准仍然存在一定的误差。

首先，由式(4)可以看出，各已入网节点在实现了同步后，网络的参考时间基准为网络中具有最小时间基准的已入网节点的时间基准，可由下式表示。即

网络参考时间基准＝min(T_i)，j＝1，2，ΛN    (7)

因此，网络的参考时间基准的精度取决于该节点的时钟精度。

由式(4)和式(6)可以看出，由于电波传播延迟的影响，当网络实现同步时，各已入网节点之间的时间基准仍然存在着一定的偏差。相邻已入网节点之间的最大同步误差取决于单跳的最大传输距离r，其值为r/c。任意两个已入网节点之间的最大同步误差与网络的最大覆盖半径以及与提供网络参考时间基准的节点所处的位置有关。当该节点处于网络覆盖区域的中心时，已入网节点之间时间基准的最大偏差为：D/c(D为网络覆盖区域的半径)；当该节点处于网络覆盖区域的边缘时，已入网节点之间时间基准的最大偏差为：2D/c。可以看出，互同步的实现方法导致节点之间存在时间基准的偏差，这种偏差对网络工作的影响可以通过在时帧的各个组成部分中设置保护段来消除。该保护段大小的设置只与相邻已入网节点之间的最大时间基准偏差有关，而与网络内已入网节点之间的最大时间偏差无关。

当网络中各已入网节点的相互位置不发生变化时，超帧的宽度是相对固定的。但由于各已入网节点的相对运动，导致已入网节点间信号传播时延的变化，因此，各已入网节点要适当地进行时间基准的调整。

已入网节点除了接收、发送时标信号外，还可以利用控制信道周期性地传递网络拓扑结构信息和网络管理和控制信息。

(3)网络的融合

由于网络中节点的地理分布和开机顺序等原因，可能会形成多个子网。对于任意一个接收节点而言，他所接收到的时标信号可能是本网的时标信号，也可能不是本网的时标信号。当接收节点接收到非本子网中其它节点发送的时标信号时，表明该接收节点所在的子网与其所接收时标信号所处的子网位置发生重叠，此时必须将这些重叠的子网进行融合，形成一个统一的网络。

对于每个子网来讲，其内部的所有已入网节点通过时标的相互约束，保持了相互之间的同步。但不同子网的已入网节点由于时间基准调整的参考点不同，它们之间可能是同步的，也可能是非同步的。

两个子网是否同步的判断可以通过处于两个子网交叠区域的节点是否为同步节点的判断实现，即如果某个节点收到另外一个节点的时标信号，该时标信号对应的时间基准与本节点的时间基准之差大于2r/c，表明这两个节点为非同步节点，它们所属的子网也为非同步子网。反之，则是两个同步的子网。

两个同步的子网的融合，可以看作是网络拓扑结构的变化。此时只需要通过在控制信道中对两个子网中已入网节点的合法性进行验证，并相互交换子网的当前规模和进行网络拓扑结构的更新，便可实现两个子网的融合。

两个非同步子网在进行融合时，首先要将它们调整成同步的子网。当某已入网节点收到一个非同步的已入网节点的时标信号时，表明它进入到了另外一个子网的覆盖范围之内，即出现了子网的交叠，而该已入网节点则处于两个子网的交叠区中。

为了减小子网同步调整的开销，规模较小的子网进行调整。具体过程是，规模较小的子网中处于两个子网交叠区中的已入网节点对两个子网的时间基准差进行测量，然后通过控制信道将该时间基准差通知其目前所在子网中的所有已入网节点，并要求这些节点进行时间基准调整。然后该子网中的所有已入网节点均按照该时间基准差对其时间基准进行调整，这样，这两个子网便成为同步的子网。当两个子网同步后，便可以按照同步子网的融合方法进行融合。

另外，随着时间的变化和节点地理位置的变化，一个网络可能会被分割成若干个互相无法连通的子网。这种现象的处理可以通过在控制信道中传输网络节点的邻接关系和修改网络的拓扑结构实现，各个子网中的已入网节点仍然维持其各自的同步关系，并分别进行时间基准的实时调整。以上的实施方式的叙述是假设各个节点在哪个时帧中发送时标信号是在组网前事先确定的。这种事先的确定具有一定的合理性，它使得网络的建立和网络的融合变得比较简单。但其缺点是对入网设备有一定的限制。例如，在网络工作过程中，如果要更换某个节点设备，必须对该设备的逻辑编号进行设置，然后才能入网运行。当然，也可以采用不事先确定节点哪个时帧中发送时标信号的方法，即新节点在入网时，根据接收到的时标信号对相邻的已入网节点对时帧的占用情况进行分析，然后随机占用一个相邻已入网节点没有占用的时帧发送时标信号并进行入网申请；当其相邻已入网节点接收到该新节点的入网申请并判断其为合法节点后，根据当前已所有入网节点的时标信号在各时帧的分布情况，为其分配一个尚未占用的时帧，并在发送入网许可信令的同时通知新节点应该占用的时帧；之后新节点转换为已入网节点并在该时帧中发送时间基准信号。这种方法的优点是增加了节点设备使用的灵活性，缺点是子网融合时需要对节点占用的时帧进行重新调整，增加了子网融合的复杂性。

对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明方法、原理的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种移动Ad hoc网络的互同步方法，是通过网络中相邻节点之间时间基准的相互交换和相互控制来进行，其步骤如下：

第一步，将相邻的若干个时帧组成超帧，并在每个时帧中增加一个时标信号，每个节点在某个特定的时帧中发送时标信号，以标明各个节点的时间基准；

第二步，在一个超帧中，由网络中的任何一个节点接收本子网中的其它节点发送的时标信号，并从中提取出这些时标信号的时间基准；

第三步，根据所提取的这些时间基准，接收节点对其本身的时间基准按照一定的规则进行调整，即当接收节点是新节点时，调整后的时间基准是所有接收到的时间基准中最小的时间基准，当接收节点是已入网节点时，调整后的时间基准是本身调整前的时间基准以及所有接收到的时间基准中最小的时间基准；

第四步，接收节点在下一个超帧的特定时帧中按照调整后的时间基准再发送时标信号；

第五步，重复执行第二、第三步、第四步，使整个网络所有节点具有相同的时间基准，实现网络中所有节点之间的实时同步。

2.根据权利要求1所述的互同步方法，其特征在于第二步骤中进一步包括：网络中的任何一个节点在处于两个子网的重叠区时还能接收到非本子网中其它节点发送的时标信号。

3.根据权利要求1所述的互同步方法，其特征在于新节点如果未能接收到任何时标信号，则由新节点按照本身的时间基准，用每隔一个超帧的时间宽度周期性地发送时标信号，以建立一个新的网络，并接纳其它节点的入网请求。

4.根据权利要求1或2所述的互同步方法，其特征在于任何一个节点如果接收到非本子网中其它节点发送的时标信号，表明接收节点所在子网与其所接收时标信号的子网发生重叠，则要对该两个子网进行同步调整，即规模较小的子网中处于两个子网重叠区中的节点与两个子网中其他节点的时间基准进行比较，计算出这两个子网的时间基准差值，并通知规模较小的子网中的所有节点按照该差值进行时间基准调整，以实现两个子网具有相同的时间基准。

5.根据权利要求1或4所述的互同步方法，其特征在于发送节点的时间基准是利用超帧的起始时刻表示，由时标信号的发送时刻及其在超帧中的相对位置通过公式3换算得到：

T_i＝t_i-i*T

其中，T_i表示时标信号表示的时间基准；i表示时标信号所在的时帧的序号；

t_i表示时标信号发送的时刻；T表示一个时帧所占的时间宽度。

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