CN101394245B - 多跳无线网络中一种分布式帧起始时间同步的方法 - Google Patents

Abstract

多跳无线网络中的分布式帧起始时间同步方法，涉及一种在由多个设备构成的多跳无线网络中，能够以分布式的方式使得网络中各设备的帧起始时间达到同步的方法。该多跳无线网络是由多个设备以自组织方式构成的，每个设备都被赋予一个固定的设备编号，而且该类多跳无线网络是基于帧结构的，每帧包括控制子帧和数据子帧两部分，每个设备在数据传输前会在控制子帧中选择某个时隙发送信标，并且在信标中携带进行发送操作所在的控制时隙的编号的信息；对于该类多跳无线网络中的每个设备A，则在任意一帧中的具体实现包括以下三个步骤：设备A监听所有邻居设备的信标；设备A计算自己的权重；设备A根据权重值决定是否以及如何调整自己的帧起始时间。

Description

多跳无线网络中一种分布式帧起始时间同步的方法

技术领域

本发明涉及多跳无线网络中一种分布式的、使网络中各设备的帧起始时间达到同步的方法，属于无线通信领域。

背景技术

考虑一个由多个设备构成的多跳无线网络，如图1所示。在该网络中，假设时间轴被划分为连续等长的帧，如图2所示，并且每帧被进一步划分为控制子帧和数据子帧两部分，其中，控制子帧由若干控制时隙构成，用于各设备传输控制信息，即信标(beacon)；而数据子帧则由若干数据时隙构成，用于各设备传输数据包。一般来说，在信标中包含的比特数比数据包少很多，因此控制时隙的长度要比数据时隙短很多。

给定帧结构，则所有设备都将以该帧结构为定时基准进行数据收发操作，其具体过程说明如下。对每个设备来说，当有数据要传输时，就要在数据子帧中选择某个数据时隙进行数据发送操作。然而，所考虑的无线网络是由各设备以分布式的方式构成的，缺乏统一的中央协调者。因此，当有多个设备同时有数据要传输时，很可能会有两个甚至多个设备同时选中同一个数据时隙进行数据发送操作，从而造成冲突。可以有多种方法(即媒体接入方法)避免冲突。本发明考虑一种控制与数据分开的媒体接入方法，即规定设备在使用某个数据时隙之前，必须首先在控制子帧中选择某个控制时隙上发送信标，并在该信标中包含该设备想要使用哪个数据时隙的信息。通过在信标中携带这些信息，该设备可以对该数据时隙进行预约和冲突预测，从而可以有效避免数据时隙上的冲突。这种媒体接入方法虽然可以避免数据时隙上的冲突，但在控制时隙上却仍有可能发生冲突。然而，由于控制时隙一般比数据时隙短很多，因此在其上发生冲突所带来的损失会比在数据时隙上发生冲突小很多。

综上，本发明的背景是一类基于帧结构的、且使用控制与数据相分离的媒体接入方法的无线网络。这类无线网络的典型例子包括IEEE 802.15、IEEE802.16、ECMA 368等多种工业标准。与那些无帧结构的、或者使用不区分控制与数据的媒体接入方法的无线网络(如IEEE 802.11)相比，这类无线网络对无线资源的利用效率更高。

在前述基于帧结构的、且使用控制与数据相分离的媒体接入方法的多跳无线网络中，每个设备都需要在本地维护每帧的起始时间，并以之为基准选择控制时隙和数据时隙。为了保证多跳无线网络中所有设备的基准相同，给定控制时隙和数据时隙的长度，则每个设备各自维护的帧起始时间必须一致，即同步。这一点对整个网络的正常稳定运行具有非常重要的意义。然而，在无线网络初始启动，或者设备硬件掉电后再启动，或者设备移动(如两群具有不同帧起始时间的设备相遇并融合)等场合，由于无线多跳网络是由各设备以分布式的方式构成的，缺乏统一的中央协调者，各设备的帧起始时间是有可能不同步的。

发明内容

技术问题：针对该问题，本发明的目的是提供多跳无线网络中一种分布式帧起始时间同步的方法，本发明的帧起始时间同步方法是分布式的，即不需要某个中央控制单元进行协调；权值实际代表了有多少设备已经选择了这个帧起始时间，因此可以避免效率低下的情形。

技术方案：在所考虑的无线网络中，假设每个参与设备都被赋予一个固定的设备编号。考虑任意两个相邻设备A和B，如图3，则在设备A处，以自己的帧起始时间为起点，沿时间轴正方向，到最近的一个设备B的帧起始时间的距离称为“设备A与设备B帧起始时间距离”；反之，在设备B处，则称相应的距离为“设备B与设备A帧起始时间距离”。根据上述约定的术语，对于每个设备A在每帧内，本发明的具体实现包括以下三个步骤：

第一步：设备A监听所有邻居设备的信标；

第二步：设备A计算自己的权重；

第三步：设备A根据权重值决定是否以及如何调整自己的帧起始时间。

在上述实现步骤中，第一步监听过程包括以下步骤：

1)设备A监听各邻居设备发送的信标，并记在第N_B个控制时隙上收到邻居设备B发送的信标，如图4所示；

2)设备A监听各邻居设备发送的信标，由于设备在信标中会携带进行发送操作所在的控制时隙的编号信息，则设备A可以知道邻居设备B是在第M_B个控制时隙上发送信标的，如图4所示；

3)设备A对于每个邻居设备B，根据已经得到的N_B和M_B，可以计算自己与设备B帧起始时间距离并记为d_AB。

在上述实现步骤中，第二步计算过程包括以下步骤：

1)设备A设置窗口长度W_A为控制子帧的长度；

2)设备A统计自己所有邻居设备中帧起始时间距离不超过窗口长度W_A的设备，即计算集合S＝{B：d_AB<＝W_A}；

3)设备A设置自己的权值G_A为集合S中元素的个数；

4)设备A将权值G_A携带在信标中准备在下一帧中向自己的邻居设备广播。

在上述实现步骤中，第三步调整过程包括以下步骤：

1)设备A通过接收信标可以知道所有相邻设备的权值，并把自己的权值与邻居设备的权值进行比较；

2)如果设备A的权值不是最大的，则设备A调整自己的帧起始时间与取值最大的那个邻居设备的帧起始时间对齐；

3)如果设备A的权值最大且唯一，则设备A不调整帧起始时间；

4)如果设备A的权值最大但不唯一，则在所有这些权值最大的邻居设备中，如果设备A的设备编号最大，则不调整帧起始时间，否则设备A调整自己的帧起始时间与设备编号和权值都最大的那个邻居设备的帧起始时间对齐。

有益效果：与现有技术相比，本发明的帧起始时间同步方法是分布式的，即不需要某个中央控制单元进行协调；进一步的，由于引入了窗口的概念，权值实际代表了有多少设备已经选择了这个帧起始时间，因此可以避免效率低下的情形(例如，有一群已经同步的设备，此时如果有一个未同步设备因移动性到达，则有可能出现该群已同步设备被迫集体改变帧起始时间与那一个设备取得同步的情形，效率非常低下)。

附图说明

图1为多跳无线网络结构示意图。

图2为时间帧结构示意图。

图3为设备间帧起始时间距离含义示意图。

图4为相邻设备推算帧起始时间相对关系过程示意图。

具体实施方式

考虑一类基于帧结构的、使用控制与数据相分离的媒体接入方法的多跳无线网络。选择任意某一帧，则任意设备A的分布式帧起始时间同步的具体实施方式可以分为下列三个步骤。

第一步，设备A监听各邻居设备发送的信标，首先记录在第N_B个控制时隙上收到邻居设备B发送的信标，然后通过信标中携带的信息知道邻居设备B是在第M_B个控制时隙上发送信标的，最后根据N_B和M_B可以计算出设备A与设备B帧起始时间距离d_AB。

1)设备A监听各邻居设备发送的信标，并记在第N_B个控制时隙上收到邻居设备B发送的信标；

2)设备A监听各邻居设备发送的信标，由于设备在信标中会携带进行发送操作所在的控制时隙的编号信息，则设备A可以知道邻居设备B是在第M_B个控制时隙上发送信标的；

3)设备A对于每个邻居设备B，根据已经得到的N₃和M_B，可以计算自己与设备B帧起始时间距离并记为d_AB。

第二步，设备A设置窗口长度W_A为控制子帧的长度，首先统计集合S＝{B：d_AP<＝W_A}，然后设置自己的权值G_A为集合S中元素的个数，并准备在下一帧中通过信标把该权值向自己的邻居设备广播。

1)设备A设置窗口长度W_A为控制子帧的长度；

2)设备A统计自己所有邻居设备中帧起始时间距离不超过窗口长度W_A的设备，即计算集合S＝{B：d_AB<＝W_A}；

3)设备A设置自己的权值G_A为集合S中元素的个数；

4)设备A将权值G_A携带在信标中准备在下一帧中向自己的邻居设备广播。

第三步，设备A通过接收信标可以知道所有相邻设备的权值，并把自己的权值与邻居设备的权值进行比较：如果设备A的权值不是最大的，则设备A调整自己的帧起始时间与取值最大的那个邻居设备的帧起始时间对齐；如果设备A的权值最大且唯一，则设备A不调整帧起始时间；如果设备A的权值最大但不唯一，则在所有这些权值最大的邻居设备中，如果设备A的设备编号最大，则不调整帧起始时间，否则设备A调整自己的帧起始时间与设备编号和权值都最大的那个邻居设备的帧起始时间对齐。

Claims (3)

1.一种多跳无线网络中的分布式帧起始时间同步方法，其特征在于该多跳无线网络是由多个设备以自组织方式构成的，每个设备都被赋予一个固定的设备编号，而且该类多跳无线网络是基于帧结构的，每帧包括控制子帧和数据子帧两部分，每个设备在数据传输前会在控制子帧中选择某个时隙发送信标，并且在信标中携带进行发送操作所在的控制时隙的编号的信息；对于该类多跳无线网络中的每个设备A，则在任意一帧中的具体实现包括以下三个步骤：

第一步：设备A监听所有邻居设备的信标；

第二步：设备A计算自己的权重；

1)设备A设置窗口长度W_A为控制子帧的长度；

2)设备A统计自己所有邻居设备中帧起始时间距离不超过窗口长度W_A的设备，即计算集合S＝{B：d_AB＜＝W_A}；

3)设备A设置自己的权值G_A为集合S中元素的个数；

4)设备A将权值G_A携带在信标中准备在下一帧中向自己的邻居设备广播；

第三步：设备A根据权重值决定是否以及如何调整自己的帧起始时间。

2.如权利要求1所述的多跳无线网络中的分布式帧起始时间同步方法，其特征在于，所述第一步设备A监听所有邻居设备的信标包括以下步骤：

1)设备A监听各邻居设备发送的信标，并记在第N_B个控制时隙上收到邻居设备B发送的信标；

2)设备A监听各邻居设备发送的信标，由于设备在信标中会携带进行发送操作所在的控制时隙的编号信息，则设备A可以知道邻居设备B是在第M_B个控制时隙上发送信标的；

3)设备A对于每个邻居设备B，根据已经得到的N_B和M_B，可以计算自己与设备B帧起始时间距离并记为d_AB。

3.如权利要求1所述的多跳无线网络中的分布式帧起始时间同步方法，其特征在于，所述第三步设备A根据权重值决定是否以及如何调整自己的帧起始时间包括以下步骤：

1)设备A通过接收信标可以知道所有相邻设备的权值，并把自己的权值与邻居设备的权值进行比较；

2)如果设备A的权值不是最大的，则设备A调整自己的帧起始时间与取值最大的那个邻居设备的帧起始时间对齐；

3)如果设备A的权值最大且唯一，则设备A不调整帧起始时间；

4)如果设备A的权值最大但不唯一，则在所有这些权值最大的邻居设备中，如果设备A的设备编号最大，则不调整帧起始时间，否则设备A调整自己的帧起始时间与设备编号和权值都最大的那个邻居设备的帧起始时间对齐。

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