CN101136693A - 基于时分同步码分多址的自组织网络同步系统的实现方法 - Google Patents

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基于时分同步码分多址的自组织网络同步系统的实现方法借助移动终端装载的GPS(全球定位系统)装置，对TD－SCDMA子帧结构中重新定义的SS(同步偏移)字段进行广播，全网节点依据SS字段承载的同步偏移调整消息对自身的定时进行调整，使得移动自组织网络节点统一到TD－SCDMA蜂窝网络的同步时钟上来；同步过程分为四个阶段：同步偏移计算阶段、分层结构构建阶段、SS字段广播阶段、同步偏移调整阶段。该方法是在终端节点装载GPS系统的前提下，它尤其对较小规模的移动自组织网络同步构建而言，收敛速度快，运算量小、节约信道资源。

Description

基于时分同步码分多址的自组织网络同步系统的实现方法
技术领域
本发明利用TD-SCDMA(时分同步码分多址)空中接口的特性，通过对TD-SCDMA子帧结构中SS(同步偏移)字段的重新定义并进行广播，构建了基于TD-SCDMA的移动自组织网络的同步系统。
背景技术
TD-SCDMA作为中国提出的第三代移动通信标准，使用了时分双工、上行同步、智能天线、联合检测和接力切换等先进技术，但仍存在蜂窝覆盖盲区、以及业务类型不够丰富的缺点。移动自组织网络具备无中心、自组织的特点。使用TD-SCDMA空中接口构建移动自组织网络既可以利用TD-SCDMA时分双工的特点，无需对接口做大的修改，同时可以实现对TD-SCDMA蜂窝网络实现补盲，丰富TD-SCDMA终端支持的业务类型。TD-SCDMA蜂窝网络与移动自组织网络融合的典型场景如图1所示。
在基于TD-SCDMA接口的移动自组织网络构建过程中，网络同步是必需首要解决的问题之一。TD-SCDMA空中接口决定了必须使用TDMA(时分多址)和CDMA(码分多址)的信道复用方式，而网络同步正是TDMA工作的基础。
在TD-SCDMA蜂窝系统中通常利用终端侧的匹配滤波器建立下行同步，再根据功率估计确定发送提前量，向node B(无线收发信机)发送子帧，node B根据接收时刻利用SS字段向终端发送同步调整信息，经过多次调整后完成上行同步。
在基于TDMA的移动自组织网络中通常有三种同步方法：基于GPS(全球定位系统)的同步、基于接收者-接收者交换信息的同步、基于发送者-接收者交换信息的同步等。
基于TD-SCDMA接口的移动自组织网络同步系统设计的难点在于需要解决同在TD-SCDMA蜂窝覆盖区和移动自组织网络中的网关节点中的同步冲突，即需要把两网的同步统一到一个同步时钟上来。
基于TD-SCDMA接口的移动自组织网络同步系统的目标是：通过利用TD-SCDMA空中接口的特性，尽可能少改或者不改TD-SCDMA的子帧结构，完成移动自组织网络的全网时隙收发同步。
发明内容
技术问题：本发明的目的是给出一种基于时分同步码分多址的自组织网络同步系统的实现方法，该方法是在终端节点装载GPS系统的前提下，它尤其对较小规模的移动自组织网络同步构建而言，收敛速度快，运算量小、节约信道资源。
技术方案：本发明的基于时分同步码分多址的自组织网络同步系统的实现方法借助移动终端装载的GPS系统完成粗同步，通过广播同步偏移调整消息实现网络的精同步，同步系统构建的具体实现包括以下步骤并按所述顺序进行：
1)同步偏移计算阶段：同步偏移计算阶段由处在时分同步码分多址蜂窝网络覆盖区边缘的网关节点完成，基于GPS时间脉冲确定时分同步码分多址蜂窝网络的子帧时隙定时；
2)分层结构构建阶段：令同时处于时分同步码分多址蜂窝网络和移动自组织网络的网关节点作为分层结构的根节点，使用洪泛法或者最小生成树方法完成分层结构的构建；
3)SS字段广播阶段：根据在分层结构构建阶段完成的节点层次，将同步偏移调整消息利用重新定义的SS字段进行分发；
4)同步偏移调整阶段：根据所有节点接收到的基于SS字段的同步偏移调整消息，网络节点做出相应的同步偏移调整，全网时隙同步统一到基于时分同步码分多址蜂窝网络的子帧时隙定时上来。
在分层结构构建阶段，重新定义时分同步码分多址子帧结构中的SS字段作为信令，构建移动自组织网络的分层结构。
在SS字段广播阶段，重新定义时分同步码分多址子帧结构中的SS字段，用于承载同步偏移调整消息。
本发明基于TD-SCDMA空中接口的特性，借助GPS完成粗同步，然后利用TD-SCDMA子帧的SS字段完成同步调整和精确同步。
同步建立方法共分为四个阶段，分别说明如下：
1.同步偏移计算阶段
这一阶段主要是由处在TD-SCDMA蜂窝网络覆盖区边缘的网关节点完成的。为了准确说明本阶段的工作流程，TD-SCDMA子帧结构见图2。因为在TD-SCDMA子帧中时隙的长度并不相等，TD-SCDMA定时信号分为DwPTS(下行导频时隙)、GP(保护间隔)、UpPTS(上行导频时隙)等三个特殊时隙之和以及普通时隙两类。
定义如下参数：
Y表示TD-SCDMA蜂窝网络中DwPTS、GP、UpPTS等三个特殊时隙之和的同步时钟；
X表示GPS系统的同步时钟；
n1表示DwPTS、GP、UpPTS等三个特殊时隙占用的GPS脉冲数目；
n2表示普通时隙占用的GPS脉冲数目；
Δ表示偏移值；
α为GPS的定时精度。
网关节点需要计算终端装备的GPS系统与TD-SCDMA蜂窝系统定时信号之间的线性关系，可由下式得出：
Y＝n1X+Δ
因为DwPTS、GP和UpPTS这三个特殊时隙的长度分别为96 chips、96 chips和160 chips，其中n1通过下式求出：
n 1 = ( 96 + 96 + 160 ) 1.28 × 10 6 × α
根据DwPTS、GP、UpPTS等三个特殊时隙之和与普通时隙之间的长度比例关系，n2与n1的关系式为：
n 1 275 = n 2 675
因此，通过n1、n2和Δ这三个参数可以基于GPS时间脉冲确定TD-SCDMA蜂窝网络的子帧时隙定时，如图3所示。
2.分层结构构建阶段
令同时处于TD-SCDMA蜂窝网络和移动自组织网络的网关节点作为分层结构的根节点，使用洪泛法或者最小生成树方法来完成分层结构的构建。以洪泛法为例说明如下：根节点加电后完成初始化，并赋予自己层次0，同时向所有一跳内邻节点广播“层次搜索消息”。“层次搜索消息”包含发送节点的标识和层次信息。其中发送节点的标识可以采用节点装载的GPS得到的位置信息，这个位置信息是全网唯一的。根节点的所有邻节点在接收到“层次搜索信息”之后，将发送节点的层次值增加1作为自己的层次值进行赋值。这些节点在完成对自己层次的赋值之后，继续向其邻节点发送“层次搜索消息”，重复这个过程直至移动自组织网络内所有节点都完成层次赋值。在分层结构构建过程中，一旦节点已经完成了层次赋值，则它将忽略所有后到达的层次搜索消息。本阶段中消息类型定义基于对SS字段的重新定义，具体定义见表1、表2。
3.SS字段广播阶段
本阶段中SS字段的重新定义见表3、表4。SS字段之所以可以被用于精确同步调整是因为，在TD-SCDMA空中接口标准中SS字段的功能只在node B到移动节点的下行方向上实现，而在上行方向上予以保留。因此可以利用TD-SCDMA空中接口的这个特点对SS字段在移动自组织网络中进行重新定义，达到仅需要重新定义SS字段就可以完成移动自组织网络同步的效果，而不必对TD-SCDMA的子帧结构再做其他修改，这对于简化移动终端设计以及降低实现复杂度具有明显的好处。
表1分层结构构建阶段QPSK编码情况
  SSBits   含义
  00   层次请求消息
  11   层次回复消息
  01   层次搜索消息
表2分层结构构建阶段8PSK编码情况
  SSBits   含义
  000   层次请求消息
  110   层次回复消息
  011   层次搜索消息
表3 SS字段广播阶段QSPK编码情况
  SS Bits   含义
  00   不变化
  01   减小同步偏移1/4 GPS脉冲周期
  10   减小同步偏移1/2 GPS脉冲周期
  11   减小同步偏移3/4 GPS脉冲周期
表4 SS字段广播阶段8PSK编码情况
  SSBits   含义
  000   不变化
  001   减小同步偏移1/8 GPS脉冲周期
  010   减小同步偏移1/4 GPS脉冲周期
  011   减小同步偏移3/8 GPS脉冲周期
  100   减小同步偏移1/2 GPS脉冲周期
  101   减小同步偏移5/8 GPS脉冲周期
  110   减小同步偏移3/4 GPS脉冲周期
  111   减小同步偏移7/8 GPS脉冲周期
在这一阶段中，在移动自组织网络中根据在分层结构构建阶段完成的节点层次，将同步偏移调整消息利用重新定义的SS字段进行分发。在这一阶段完成时移动自组织网络中所有节点都正确接收到同步偏移调整消息。对每个节点GPS精度α已知，也即n1、n2的值已知，因此本阶段主要完成同步偏移调整量Δ的广播。
4.同步偏移调整阶段
在完成了SS字段广播阶段之后，所有节点接收到了基于SS字段的同步偏移调整消息。网络节点根据n1、n2和Δ可计算出基于TD-SCDMA蜂窝网络的子帧时隙定时，这时网络节点做出相应的同步偏移调整。
在网络节点A有信息需要发送时，A首先对目的节点B发送的消息进行同步偏移计算。假设B发送的消息滞后节点定时τ，则节点A在发送时需要相对于节点定时提前2τ进行发送，如图4所示。
有益效果：所发明的方法是利用TD-SCDMA标准中SS字段在上行方向未使用的特性，通过在移动通信的接收端，利用移动节点装载的GPS系统，建立移动自组织网络中的层次结构，然后通过层次结构在全网范围利用重新定义的SS字段广播同步偏移调整消息，所有网络节点依据同步偏移调整消息及时调整自己的同步定时。它不需要相关计算、匹配滤波、训练序列、干扰和噪声的空间自相关矩阵等先验知识，只需要每个移动终端装载GPS系统。相比较于其他用于融合TD-SCDMA蜂窝网和移动自组织网络的同步方法，它尤其对较小规模的移动自组织网络收敛速度较快，运算量小。同时，尤其重要的是，这种同步方法仅需要对TD-SCDMA子帧中SS字段进行重新功能定义，完全不需要修改TD-SCDMA子帧结构。因而要在TD-SCDMA移动终端中添加移动自组织网络功能不必修改终端的硬件和系统结构，仅需要对终端的操作系统软件进行升级即可。
本说明书设计了基于TD-SCDMA接口的移动自组织网络同步系统构建的具体方法。藉由上述技术方案，本方法具有如下优点：
①是在终端节点装载GPS系统的前提下，它尤其对较小规模的移动自组织网络同步构建而言，收敛速度快，运算量小、节约信道资源。
②仅需要对TD-SCDMA子帧中SS字段进行重新功能定义，完全不需要修改TD-SCDMA子帧结构。因而要在TD-SCDMA移动终端中添加移动自组织网络功能不必修改终端的硬件和系统结构，仅需要对终端的操作系统软件进行升级。
附图说明
图1是TD-SCDMA蜂窝网络与移动自组织网络融合的典型场景示意图。
图2是TD-SCDMA子帧结构示意图。
图3是依据GPS定时脉冲计算TD-SCDMA蜂窝定时示意图。
图4是依据接收子帧到达时刻调整发送时刻示意图。
图5是基于TD-SCDMA接口的移动自组织网络终端同步工作流程示意图。
具体实施方式
处于TD-SCDMA蜂窝网络边缘的网关节点加电后首先完成与基站的上下行同步。这里假定网关节点已经选定，网关节点的判定和选举过程不属于本发明的范畴。基于TD-SCDMA的移动自组织网络同步系统构建的工作流程如图5所示。
该方法借助移动终端装载的GPS系统完成粗同步，通过广播同步偏移调整消息实现网络的精同步，同步系统构建的具体实现包括以下步骤并按所述顺序进行：
1)同步偏移计算阶段：同步偏移计算阶段由处在时分同步码分多址蜂窝网络覆盖区边缘的网关节点完成，基于GPS时间脉冲确定时分同步码分多址蜂窝网络的子帧时隙定时；
2)分层结构构建阶段：令同时处于时分同步码分多址蜂窝网络和移动自组织网络的网关节点作为分层结构的根节点，使用洪泛法或者最小生成树方法完成分层结构的构建；
3)SS字段广播阶段：根据在分层结构构建阶段完成的节点层次，将同步偏移调整消息利用重新定义的SS字段进行分发；
4)同步偏移调整阶段：根据所有节点接收到的基于SS字段的同步偏移调整消息，网络节点做出相应的同步偏移调整，全网时隙同步统一到基于时分同步码分多址蜂窝网络的子帧时隙定时上来。
在分层结构构建阶段，重新定义时分同步码分多址子帧结构中的SS字段作为信令，构建移动自组织网络的分层结构。
在SS字段广播阶段，重新定义时分同步码分多址子帧结构中的SS字段，用于承载同步偏移调整消息。
在网关节点完成与基站的通信后，由上层消息触发准备建立移动自组织网络。网关节点首先进行同步偏移计算，根据已获得的TD-SCDMA蜂窝网络同步定时和自身装载的GPS系统参数，按照上述原理计算得出n1、n2和Δ。
在分层结构构建阶段，网关节点首先把自己的层次值赋为0，同时向所有一跳内邻节点广播“层次搜索消息”。“层次搜索消息”包含发送节点的标识和层次信息。其中发送节点的标识可以采用节点装载的GPS得到的位置信息，这个位置信息是全网唯一的。根节点的所有邻节点在接收到“层次搜索信息”之后，将发送节点的层次值增加1作为自己的层次值进行赋值。这些节点在完成对自己层次的赋值之后，继续向自己的邻节点发送“层次搜索消息”，重复这个过程直至移动自组织网络内所有节点都完成层次赋值。在分层结构构建过程中，一旦节点已经完成了层次赋值，则它将忽略所有后到达的层次搜索消息。
在SS字段广播阶段，在移动自组织网络中根据在分层结构构建阶段完成的节点层次，将同步偏移调整消息利用重新定义的SS字段进行分发。在这一阶段完成时移动自组织网络中所有节点都正确接收到同步偏移调整消息。对每个节点而言GPS精度α已知，也即n1、n2的值已知，因此本阶段主要完成同步偏移调整量Δ的广播。
在完成了SS字段广播阶段之后，所有节点接收到了基于SS字段的同步偏移调整消息。网络节点根据n1、  n2和Δ计算出基于TD-SCDMA蜂窝网络的子帧时隙定时，这时网络节点做出相应的同步偏移调整。
在网络节点A有信息需要发送时，A首先对目的节点B发送的消息进行同
步偏移计算。假设B发送的消息滞后节点定时τ，则节点A在发送时需要相对于节点定时提前2τ进行发送。
基于TD-SCDMA接口的移动自组织网络同步系统的工作同时受移动自组织网络自身的同步调整周期参数和TD-SCDMA蜂窝网络的同步调整触发，即只要满足上述两个条件之一时，移动自组织网络中相应地开始按序执行同步偏移计算阶段、分层结构构建阶段、SS字段广播阶段和同步偏移调整阶段。
通过以上步骤，基于TD-SCDMA接口的移动自组织网络同步时钟统一到TD-SCDMA蜂窝网络的同步时钟上来，同步系统的构建也正是两个网络相融合的基础。
综上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。及凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (3)

1.一种基于时分同步码分多址的自组织网络同步系统的实现方法，其特征在于借助移动终端装载的GPS系统完成粗同步，通过广播同步偏移调整消息实现网络的精同步，同步系统构建的具体实现包括以下步骤并按所述顺序进行：
1)同步偏移计算阶段：同步偏移计算阶段由处在时分同步码分多址蜂窝网络覆盖区边缘的网关节点完成，基于GPS时间脉冲确定时分同步码分多址蜂窝网络的子帧时隙定时；
2)分层结构构建阶段：令同时处于时分同步码分多址蜂窝网络和移动自组织网络的网关节点作为分层结构的根节点，使用洪泛法或者最小生成树方法完成分层结构的构建；
3)SS字段广播阶段：根据在分层结构构建阶段完成的节点层次，将同步偏移调整消息利用重新定义的SS字段进行分发；
4)同步偏移调整阶段：根据所有节点接收到的基于SS字段的同步偏移调整消息，网络节点做出相应的同步偏移调整，全网时隙同步统一到基于时分同步码分多址蜂窝网络的子帧时隙定时上来。
2.根据权利要求1所述的基于时分同步码分多址的自组织网络同步系统的实现方法，其特征在于在分层结构构建阶段，重新定义时分同步码分多址子帧结构中的SS字段作为信令，构建移动自组织网络的分层结构。
3.根据权利要求1所述的基于时分同步码分多址的自组织网络同步系统的实现方法，其特征在于在SS字段广播阶段，重新定义时分同步码分多址子帧结构中的SS字段，用于承载同步偏移调整消息。
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