CN102595589B - 一种网格系统的节点同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对网格系统每个节点不能较好同步问题，提供一种网格系统的节点同步方法，通过建立网格系统的通用模型、设置邻近分配策略中的子网分配策略、在网格系统的各个节点里设置脉冲耦合振荡器、建立网格系统稳定和不稳定状态下的节点同步规则等步骤，提高了网格系统的业务传输可靠性。

Description

一种网格系统的节点同步方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及无线传输和优化理论。

背景技术

通信网络的容量是在给定的网络信道整体特性和传输协议的情况下求解网络的最大信息流。现有无线自组网由于无线信道的时变特性、路径衰落、信道干扰、噪声干扰等原因引起网络吞吐量较低。另外，由于网络拓扑动态变化的特性，使其路由协议难以实现理想的工作，势必造成网络带宽利用率降低，从而进一步影响网络吞吐量。但是现实的无线通信应用中，诸如传感器网络和战术网络的指挥台都需要大容量的实时处理数据信息。

影响网络容量的因素主要是信道增益、节点的发射功率、信道间干扰和噪声干扰等等，相应提高网络容量的途径有变速率、功率控制、方向天线、多信道和干扰消除技术等。

无线信道的时变衰落等不利特点和Ad Hoc网络拓扑动态分布式变化限制了网络容量的扩展。IEEE802.11a/g基本设备提供的带宽最高速率为54Mps，当考虑开销时，如MAC冲突，802.11报头，802.1lACK，分组出错，实际应用的吞吐量要减半。另外，发送节点和接收节点的距离增大引起信号的衰减将导致网络的链路层数据速率急剧降低；来自其它链路邻节点和同路径上邻节点的干扰，势必严重恶化多跳Ad Hoc网络的带宽问题。然而，诸如IP语音、视频和多媒体等网络应用都要求网络具有高吞吐量。

另一方面，节点移动性使得节点不是选择源节点到目的节点的既定链路传送信息，而是有可能选择链路质量好的链路发送数据，因此能够提高网络容量。但是多跳路由和节点移动性造成端到端传输时延过大，其应用具有局限性，因此为提高网络容量，有必要进行高效的链路设计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：解决网格系统每个节点不能较好同步问题。

本发明为解决上述技术问题提供一种网格系统的节点同步方法，其特征在于：

A、建立网格系统的通用模型； 

B、设置邻近节点分配策略中的子网分配策略；

C、在网格系统的各个节点里设置脉冲耦合振荡器; 

D、建立网格系统稳定和不稳定状态下的节点同步规则。

所述步骤A中，网格系统可通过M（W,H）来描述，其中W为网格系统宽度，H为其长度。节点为（x,y）,其中                                               ，并且。网络中的结点个数为N=WH。无线mesh网络中的子网w*h可用表示，其中为子网的基，为其尾部，，，。当所有节点未被分配时，不存在子网，网格系统的节点由业务传输与处理节点和业务控制节点组成，业务控制节点由基于MIMO的无线路由器、无线信道资源分配单元和自适应带宽控制单元构成，总的流程如图1所示，基于MIMO的无线路由器的功能组成模块示意图如图2所示，无线信道资源分配单元的功能组成模块示意图如图3所示，自适应带宽控制单元的组成模块示意图如图4所示，自适应带宽控制单元由边缘控制单元、内部控制单元和控制服务器组成，边缘控制单元与用户端相连，边缘控制单元用于业务的监管和业务速率的自适应调整，内部控制单元用于进行数据包选择性丢弃和业务状态观测，控制服务器用于获取链路状态测量信息。

所述步骤B中，对与网格系统边缘对齐的最大边缘长度的自由子网执行分配策略。当没有足够大边缘长度的子网存在时，在能够找到的第一个合适的内部自由子网的基部分配一个请求。内部子网的边缘长度等于0。一个内部节点与4个邻近节点相连：，这4个临近节点有两个邻近节点，剩下的节点有三个邻居节点。，。若一个分配候选者包含一个无线mesh拐角，则请求被用于此节点，但如果其包含多个mesh节点，则需考虑左下角，右上角，左上角，右上角。在所有的情况中，当一个无线mesh节点的放置被找到时，搜寻过程停止。任何无线mesh节点的放置都有最大可能网络边界长度。如果一个无线mesh拐角节点放置不存在，存在一个或多个非拐角边缘分配候选者，第一个具有网络边界节点最大数目的设置被指定给此要求。具体的子网分配策略子步骤：a.为子网设置分配请求；b.若自由节点的数目小于，则表示分配请求失败；c.对于在多功能函数库(MFL)中的每一个自由子网，如果，并且，并且如果有一个左下角，右上角，左上角，右上角，在第一个被找到的无线mesh拐角处放置子网，为请求分配子网，重建MFL，更新自由节点的数目，分配任务完成；d.如果有与左面，底部，顶部，右边对齐的一条边，则分别在的左下角，右上角，左上角，右上角放置一个的子网；e.如果，并且，则转至子步骤a；f.如果，则为请求分配子网，重建MFL，更新自由节点的数目，此时分配完成。

所述步骤C中，令脉冲耦合振荡器可通过相位函数来表示，当时，此函数为线性变化，当时，其中为门限值，此振荡器将会产生一个脉冲，并且使相位回到初始状态，如果没有其它脉冲耦合振荡器时，其按其自身的变化规律变化，产生一个脉冲的周期为T，每个节点都具有一个脉冲耦合振荡器。

所述步骤C中，当脉冲耦合振荡器与其它振荡器耦合时，此脉冲耦合振荡器接受邻近脉冲耦合振荡器的脉冲，当节点的脉冲耦合振荡器在时产生一个脉冲时，使用规则立即增加脉冲耦合振荡器的邻居节点脉冲耦合振荡器的相位，由于脉冲耦合振荡器接收邻居节点的脉冲，此脉冲耦合振荡器使用规则过早产生脉冲，其中为相邻脉冲耦合振荡器之间的耦合系数。

所述步骤D中，当相邻脉冲耦合振荡器和之间出现传播延迟时，整个网格系统处于不稳定状态，有，其中为网络的最大传播延迟，为人工设定的参考时延。为参考节点的脉冲耦合振荡器设置的相位频率，其频率补偿为，其扫描周期小于普通脉冲耦合振荡器，因此网格系统的同步精度提高。采用此方法时，无线网络的同步精度由其传输延迟决定。

所述步骤D中，当一个节点的脉冲耦合振荡器发射一个脉冲之后，此节点等待进行传输，其中，对于一个具有N个节点的网格系统，即时脉冲在2T时间内随机产生，每一个脉冲耦合振荡器在传输之前具有相同的等待规则，超时的脉冲耦合振荡器根据前述的子网分配规则被分为两部分，每一部分间隔时间T产生一次脉冲。

所述步骤D中，人工设置的参考节点与每隔时间T发射一次脉冲的脉冲耦合振荡器相对应。人工设置的参考节点的脉冲耦合振荡器可调补偿的相位函数为：当时，，时，，其中 ，相应的扫描周期为。当人工设置的参考节点在传输之前发射脉冲，同步突发则不会完全被传输。频率补偿限制为，则的取值范围为，在时间段内需被设置为零以使得系统稳定，当人工设置的参考节点完成扫描前，其应在同一个时隙内返回。若，那么。

本发明的有益效果为：提供一种网格系统的节点同步方法，通过建立网格系统的通用模型、设置邻近分配策略中的子网分配策略、在网格系统的各个节点里设置脉冲耦合振荡器、建立网格系统稳定和不稳定状态下的节点同步规则等步骤，提高了网格系统的业务传输可靠性。

附图说明

图1为总的流程示意图

图2为基于MIMO的无线路由器的功能组成模块示意图；

图3为无线信道资源分配单元的功能组成模块示意图；

图4为自适应带宽控制单元的组成模块示意图。

Claims (4)

1.一种网格系统的节点同步方法，解决网格系统每个节点不能较好同步问题，包括如下步骤：

A、建立网格系统的通用模型，具体为网格系统通过M(W，H)来描述，其中W为网格系统宽度，H为其长度，节点为(x，y)，其中1≤x≤W，并且1≤y≤H，网络中的结点个数为N＝WH，无线mesh网络中的子网w*h可用(x_b，y_b，x_e，y_e)表示，其中(x_b，y_b)为子网的基，(x_e，y_e)为其尾部，w＝x_e-x_b+1，h＝y_e-y_b+1，1≤w≤W，1≤h≤H，当所有节点未被分配时，不存在子网，网格系统的节点由业务传输与处理节点和业务控制节点组成，在业务控制节点处有基于MIMO的无线路由器、无线信道资源分配单元和自适应带宽控制单元构成；

B、设置邻近分配策略中的子网分配策略，对与网格系统边缘对齐的最大边缘长度的自由子网执行分配策略，当没有足够大边缘长度的子网存在时，在能够找到的第一个合适的内部自由子网的基部分配一个请求，内部子网的边缘长度等于0，一个内部节点与4个邻近节点相连：(x-1，y)，(x+1，y)，(x，y-1)，(x，y+1)，这4个邻近节点有两个邻居节点，剩下的节点有三个邻居节点，w＝x_e-x_b+1，h＝y_e-y_b+1，若一个分配候选者包含一个无线mesh拐角，则请求被用于此节点，但如果其包含多个mesh节点，则需考虑左下角，右下角，左上角，右上角，在所有的情况中，当一个无线mesh节点的放置被找到时，搜寻过程停止，任何无线mesh节点的放置都有最大可能网络边界长度，如果一个无线mesh拐角节点放置不存在，存在一个或多个非拐角边缘分配候选者，第一个具有网络边界节点最大数目的设置被指定给此要求，具体的子网分配策略子步骤：a.为α×β子网设置分配请求；b.若自由节点的数目小于αβ，则表示分配请求失败；c.对于在多功能函数库(MFL)中的每一个自由子网F_i，如果w≥α，并且h≥β，并且如果F_i有一个左下角，右下角，左上角，右上角，在第一个被找到的无线mesh拐角处放置α×β子网，为请求分配子网，重建MFL，更新自由节点的数目，分配任务完成；d.如果F_i有与左面，底部，顶部，右边对齐的一条边，则分别在F_i的左下角，右下角，左上角，右上角放置一个α×β的子网；e.如果h≥α，并且w≥β，则转至子步骤a；f.如果max_mpl≥0，则为请求分配子网，重建MFL，更新自由节点的数目，此时分配完成；

C、在网格系统的各个节点里设置脉冲耦合振荡器，具体为令脉冲耦合振荡器i可通过相位函数Φ_i(t)来表示，当Φ_i(t)≤Φ_th时，此函数为线性变化，当Φ_i(t)＞Φ_th时，其中Φ_th为门限值，此振荡器将会产生一个脉冲，并且使相位回到初始状态，如果没有其它脉冲耦合振荡器时，其按其自身的变化规律变化，产生一个脉冲的周期为T，每个节点都具有一个脉冲耦合振荡器；

D、建立网格系统稳定和不稳定状态下的节点同步规则，具体为当相邻脉冲耦合振荡器i和j之间出现传播延迟时，整个网格系统处于不稳定状态，有其中为网络的最大传播延迟，T_refr为人工设定的参考时延，为参考节点的脉冲耦合振荡器设置的相位频率，其频率补偿为f_sw，其扫描周期小于普通脉冲耦合振荡器，因此网格系统的同步精度提高，采用此方法时，无线网络的同步精度由其传输延迟决定。

2.根据权利要求1的方法，对于所述步骤C其特征在于：当脉冲耦合振荡器i与其它振荡器耦合时，此脉冲耦合振荡器接受邻近脉冲耦合振荡器的脉冲，当节点j的脉冲耦合振荡器在t＝τ_j时产生一个脉冲时，使用规则立即增加脉冲耦合振荡器j的邻居节点脉冲耦合振荡器的相位，由于脉冲耦合振荡器j接收邻居节点的脉冲，此脉冲耦合振荡器使用规则Φ_i(τ_j)+ΔΦ(Φ_i(τ_j))＝min(α·Φ_i(τ_j)+β，1)过早产生脉冲，其中α，β为相邻脉冲耦合振荡器之间的耦合系数。

3.根据权利要求1的方法，对于所述步骤D其特征在于：当一个节点的脉冲耦合振荡器发射一个脉冲之后，此节点等待T_wait进行传输，其中T_wait＝T-(T_TX+T_dec)，对于一个具有N个节点的网格系统，即时脉冲在2T时间内随机产生，每一个脉冲耦合振荡器在传输之前具有相同的等待规则，超时的脉冲耦合振荡器根据前述的子网分配规则被分为两部分，每一部分间隔时间T产生一次脉冲。

4.根据权利要求1的方法，对于所述步骤D其特征在于：人工设置的参考节点与每隔时间T发射一次脉冲的脉冲耦合振荡器相对应，人工设置的参考节点的脉冲耦合振荡器可调补偿f_sw的相位函数为：当t∈[0，T_Δ]时，Φ_ref(t)＝0，t∈[T_Δ，T_sw]时，其中T_Δ＝T-T_Rx，相应的扫描周期为当人工设置的参考节点在传输之前发射脉冲，同步突发则不会完全被传输，频率补偿限制为则f_sw的取值范围为在N_stab时间段内f_sw需被设置为零以使得系统稳定，当人工设置的参考节点完成扫描前，其应在同一个时隙内返回，若N_sw·(T-T_sw)＝T，那么 $f_{\mathrm{sw}}=\frac{1}{N_{\mathrm{sw}}\·\frac{T_{\mathrm{Rx}}}{T}-1}.$