CN103595494B - 一种适用于无线自组网的无中心时分多址同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线自组网的时分多址通信技术领域，公开了一种适用于无线自组网的无中心时分多址同步方法。该适用于无线自组网的无中心时分多址同步方法，包括以下步骤：在分配的发送信号的时隙上设置同步头；在各个节点设置时帧计数器，在各个节点的每个时帧上设置时隙计数器；任一节点启动后，对信息进行侦听，利用时帧计数器进行计数；如果在一个时帧的时长内，收到来自其他节点的同步头，则实现本节点和对应节点的时间同步；如果没有收到来自其他节点的同步头，则利用时隙计数器进行计数；如果在下一个分配的发送信号的时隙之前收到同步头；则实现本节点和对应节点的时间同步；否则，在下一个分配的发送信号的时隙，向外发送本节点的同步头。

Description

一种适用于无线自组网的无中心时分多址同步方法

技术领域

本发明属于无线自组网的时分多址通信技术领域，特别涉及一种适用于无线自组网的无中心时分多址同步方法。

背景技术

时分多址（TDMA）是目前在无线自组网中普遍采用的一种信道接入方法。时分多址信道访问需要维护一个公共的时间参考基准来实现无冲突时分多址通信，网络时间同步为一个基本要求。因而网络同步技术是实现时分多址通信的关键技术之一。对于分布式（无中心）的无线自组网而言，节点之间没有统一的时钟，而时分多址信道接入方式是要求统一时钟的，因而传统的方法是采用设置中心节点或设置临时中心节点的办法统一时钟，并没有实现真正意义上的完全的无中心网络。

无线自组网（AdhocNetwork）也称多跳无线网，是由一组带有无线通信收发装置的移动终端节点组成的一个多跳的临时性无中心网络，可以在任何时刻、任何地点快速构建起一个移动通信网络，并且不需要现有信息基础网络设施的支持，网中的每个终端可以自由移动，地位相等。在无线自组网中采用时分多址（TDMA）接入方式是目前常用的信道接入方法之一。采用时分多址（TDMA）接入方式，对于用户数较少而且通信业务量比较稳定的网络，可以提供可靠的服务质量，所以在以流媒体（话音、视频）为主要业务的系统中得到了很好的应用。而实现时分多址（TDMA）接入方式的基础是实现网络同步。在时分多址信道接入方式中，在实现时间同步的基础上，将无线信道的访问时间划分为若干固定长度的时隙，将一定数量的时隙组成周期性的帧。根据一定的时隙分配原则，对每个节点在一个帧中分配一个或者多个发送信号的时隙，用于发送信号。

定时同步方法的主要作用是使各节点的时间基准保持一致，各个节点保持同步，从而能以时分多址的接入方式使用公共的无线媒介。目前，常用的时分多址定时同步技术主要有：1）高精度时钟法，各节点采用高精度的时钟如原子钟、铷钟等产生自己的时间基准；2）外部时间基准法，利用GPS或北斗时标作为时间基准；3）分布式同步法；分为两种，其中，一种是中心式的，即以某节点为中心，其它节点与它同步；另一种是互同步技术，节点之间相互计算同步误差，利用数学迭代方法逐步收敛到同步位置上。在《一种Adhoc网络TDMA时隙同步方法》（中国专利公开号CN103096312A）中提到各节点中的管理时隙通过选举产生时间主控节点和备份主控节点，并将其余节点按照其与主控节点的距离跳（距离和跳数）划分等级。在专利《数字无中心通信系统的时隙同步方法》（中国专利公开号CN101114866A）中提到主呼台首先检测8个业务频点的状态，选择合适的业务接入频点和时隙，然后与所选择的业务频点取得定时同步，并在适当的时刻于控制频点上向被呼电台发起呼叫请求，并指配到选择好的业务频点和时隙，被呼电台收到该呼叫后立即转到相应的业务频点和时隙开始与主呼电台通信。

但是，时分多址定时同步技术都有缺点，其中，高精度时钟法的缺点是网络中各个节点都需要装备高精度时钟法，成本高、体积和功耗较大。外部时间基准法的缺点则是网络的运行必须依赖于GPS或北斗时标信号，一旦时标信号不可用，网络便无法运行。中心式的分布式同步法，不管是设置或者以某种规则产生，都必须产生中心节点，全网的节点都和该节点进行对时同步，一旦中心节点退网或者被破坏，则全网节点就没有了对时标准，网络很快会处于失步状态，引起数据的收发的碰撞，从而产生倒置错包、丢包现象。而利用数学迭代方法实现的互同步技术，网络收敛慢，定时精度低。

发明内容

本发明的目的在于提出一种适用于无线自组网的无中心时分多址同步方法。本发明在任意节点的发送信息中增加了同步头和路由信息，实现了节点间相互时间同步，无需全网定时同步，无需中心节点。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种适用于无线自组网的无中心时分多址同步方法，包括以下步骤：

S1：在时分多址接入系统的各个节点的每个时帧中，分配接收信号的时隙和发送信号的时隙；在分配的发送信号的时隙上设置用于传输时间同步信息的同步头；

S2：在各个节点的内部设置一个用于对时帧进行计数的时帧计数器，在各个节点的每个时帧上设置一个用于对时隙进行计数的时隙计数器；

S3：任一个节点启动后，按照预先分配的接收信号的时隙，对来自其他节点的信息进行侦听，同时利用时帧计数器对时帧进行计数；如果在一个时帧的时长内，在分配的接收信号的时隙上收到了来自其他节点的同步头，则根据接收到的同步头，实现本节点和发送同步头的其他节点的时间同步；

反之，如果在一个时帧的时长内，在分配的接收信号的时隙上没有收到来自其他节点的同步头，则开始利用时隙计数器对时隙进行计数；

在下一个分配的发送信号的时隙之前，判断在对应的分配的接收信号的时隙上是否收到了来自其他节点的同步头；如果是，则根据接收到的同步头，实现本节点和发送同步头的其他节点的时间同步；如果否，则在下一个分配的发送信号的时隙，向外发送本节点的同步头。

本发明的特点和进一步改进在于：

在步骤S1中，对于时分多址接入系统的各个节点，在其中的每个时帧的每个时隙的前端和后端分别设置一个时隙保护带。

在步骤S1和步骤S3中，所述同步头是由源节点地址经Walsh系列或m序列扩频而成。

在步骤S1中，在分配的发送信号的时隙上设置对应的动态路由表；在步骤S3中，在接收来自其他节点的同步头的同一时隙之内，接收来自其他节点的对应的动态路由表。

在步骤S1中，在分配的发送信号的时隙上设置需要发送的用户数据；在步骤S3中，在接收来自其他节点的同步头的同一时隙之内，接收来自其他节点的用户数据。

本发明的有益效果为：在任意节点的发送信息中增加了同步头和路由信息，实现了节点间相互时间同步，无需全网定时同步，无需中心节点，减小了无线自组网内部的同步延时，具有抗毁性强的特点。

附图说明

图1为本发明的一种适用于无线自组网的无中心时分多址同步方法的时帧结构组成示意图；

图2为本发明的一种适用于无线自组网的无中心时分多址同步方法的每个节点的动态路由表的拓扑结构示意图；

图3为本发明的一种适用于无线自组网的无中心时分多址同步方法的节点时间同步过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

本发明实施例中，节点指位于无线自组网中的各个无线通信终端。本发明的一种适用于无线自组网的无中心时分多址同步方法包括以下步骤：

S1：参照图1，为本发明的一种适用于无线自组网的无中心时分多址同步方法的时帧结构组成示意图。对于采用时分多址信道接入方式的无线自组网来说，每个节点设置有若干个时帧，例如，设置有第0时帧至第N时帧，N为大于0的自然数。在每个时帧中，设置有若干个时隙，例如设置有第0时隙至第M时隙，M为大于0的自然数。在时分多址接入系统的各个节点的每个时帧（Frame）中，分配接收信号的时隙（Slot）和发送信号的时隙（发送信号的时隙为一个时隙或几个时隙）。每个节点根据该分配好的时隙来发送信号或接收信号，即在分配的发送信号的时隙发送信号，而在分配的接收信号的时隙接收信号。

在分配的发送信号的时隙上设置动态路由表、时隙保护带、以及用于传输时间同步信息的同步头，其中，在每个时帧的每个时隙的前端和后端分别设置一个时隙保护带。也就是说，对于每个节点来说，当处于分配的发送信号的时隙，需要发送的信号包括三部分：同步头、动态路由表、以及时隙保护带。当然，如果有用户数据需要发送时，此时需要发送的信号还包括用户数据。下面分别对这四部分作出说明：

时隙保护带用于克服在下次时间同步之前引起的时间偏差。该时间偏差主要是由晶体飘移误差、同步误差和数据处理延时的不确定性等引起。该时隙保护长度设置取决于系统采用晶体的精度、同步误差和数据传输延时的不确定值等。

同步头是由源节点地址（发送信号的节点地址）经Walsh系列、m序列或其他扩频序列扩频而成。同步头主要用于节点间时间相互同步，并用于发送源节点地址值。同步头长度选择取决于需要设计的时间同步精度和无线自组网网络中的节点数。

在无线自组网中，每个节点都可以充当路由使用，每个节点都有对应的路由信息。动态路由表记录路由信息（例如采用动态路由算法生成），参照图2，为本发明的一种适用于无线自组网的无中心时分多址同步方法的每个节点的动态路由表的拓扑结构示意图。在该动态路由表的拓扑结构中，节点在分配的发送信号的时隙上发送自己的邻节点信息来，进而更新该拓扑结构。如图2所示，DN为目的节点，Next为到达该目的节点的下一个中转节点（如果本节点和目的节点在一跳通信范围之内，则Next为本节点），Metric用于表示本节点是一跳节点（指与目的节点在一跳通信范围之内）还是多跳节点（指与目的节点在一跳通信范围之外），Seq表示路由序列号，用来避免路由环路；stable表示本节点的存在时间（stable可以采用计时器进行计时，stable用于及时地感知节点丢失)。

用户数据是指无线自组网的使用者需要发送的数据。

S2：在各个节点的内部设置一个用于对时帧进行计数的时帧计数器，在各个节点的每个时帧上设置一个用于对时隙进行计数的时隙计数器；时帧计数器和时隙计数器用于实现各节点之间的时间同步。

S3：参照图3，为本发明的一种适用于无线自组网的无中心时分多址同步方法的节点时间同步过程示意图。任一个节点启动后，按照预先分配的接收信号的时隙，对来自其他节点的信息进行侦听，同时利用时帧计数器对时帧进行计数；如果在一个时帧的时长内（通过时帧计数器实现），在分配的接收信号的时隙上收到了来自其他节点的同步头，则根据接收到的同步头，实现本节点和发送同步头的其他节点的时间同步；例如，一个节点启动后，在一个时帧的时长内在对应的分配的接收信号的时隙上收到了其他两个节点的同步头，则说明其他两个节点已经启动，并且向外发送同步头。此时，本节点就分别与其他两个节点建立时间同步。

反之，如果在一个时帧的时长内，在分配的接收信号的时隙上没有收到来自其他节点的同步头，则开始利用时隙计数器对时隙进行计数（同时要对来自其他节点的信息进行侦听）；一般来讲，出现这种情况的原因在于：本节点是第一个启动的节点，或者无线通信信道出现延迟。

在下一个分配的发送信号的时隙之前，通过对来自其他节点的信息的侦听，来判断在对应的分配的接收信号的时隙上是否收到了来自其他节点的同步头；如果是，则根据接收到的同步头，实现本节点和发送同步头的其他节点的时间同步；如果否，则在下一个分配的发送信号的时隙，向外发送本节点的同步头。寻找下一个分配的发送信号的时隙是通过时隙计数器实现的，下一个分配的发送信号的时隙可能处于当前（指开始寻找下一个分配的发送信号的时隙的时刻）的时帧中，也可能处于下一个时帧中，例如对于每个节点来说，每个时帧中设置有5个时隙，其中第3个时隙用于向发送信号，如果开始寻找下一个分配的发送信号的时隙的时刻为某个时帧的第2个时隙，则在利用时隙计数器进行1次计数后，就到达了下一个分配的发送信号的时隙；如果开始寻找下一个分配的发送信号的时隙的时刻为某个时帧的第4个时隙，则在利用利用时隙计数器进行4次计数后，就到达了下一个分配的发送信号的时隙。

从本节点启动到下一个分配的发送信号的时隙的时间段内，如果本节点在对应的时隙上没有收到其他节点的同步头，则认为本节点是自组无线网中第一个启动的节点，此时需要本节点率先发送同步头，并以此来开始建立节点之间的时间同步。

在步骤S3中，在接收来自其他节点的同步头的同一时隙之内，还要接收来自其他节点的对应的动态路由表。在步骤S3中，如果源节点还向目的节点发送了用户数据，则目的节点在接收来自其他节点的同步头的同一时隙之内，接收来自其他节点的用户数据。

在步骤S3之后，每个节点在分配的发送信号的时隙发送同步头，在分配的接收信号的时隙接收来自其他节点的同步头；根据接收到的同步头，得出本节点与其他节点之间的传输延时、以及本节点与其他节点之间的时隙差距；根据所述本节点与其他节点之间的传输延时、以及本节点与其他节点之间的时隙差距，来调制本节点的同步定时，实现实现本节点和其他节点的时间同步。

本发明的一种适用于无线自组网的无中心时分多址同步方法还设置有路由维护方法。现说明如下：在通常的无线自组网中，任意两个节点之间不一定处于一跳通信范围之内，此时就需要通过至少一个中转节点来实现信息的中转传输，为了确定由哪些节点对数据进行中转，则需要每个节点都能实时的掌握路由表的拓扑结构。综上所述，对于任一节点来说，在分配的发送信号的时隙上，无论有没有用户数据需要发送，都要向外（指其余的各个节点）发送动态路由表的拓扑结构数据。

结合图2，在动态路由表的拓扑结构中，每个节点对应的路由序列号用seq表示。每个节点在启动时，seq的值为0，以后每收到一个同步头，seq的值就加上2。seq的值的大小与动态路由表的拓扑结构的更新有关，seq的值越大，则说明对应的动态路由表的拓扑结构更具有实时性。除此之外，当在设定的时间（例如从本节点启动的两个时帧长度）内还未收到其他节点的同步头，就将seq的值就加上1，此时seq的值就为奇数，此时，本节点对应的动态路由表的拓扑结构没有实时性。

为了能使各节点能动态地掌握路由信息，对于任一节点来说，在分配的发送信号的时隙上，无论有没有用户数据需要发送，都要向外（指其余的各个节点）发送动态路由表的拓扑结构数据。任一节点在没有用户数据需要发送的情况下，在分配的发送信号的时隙上只发送同步头、动态路由表的拓扑结构（向其余的各个节点发送）；而如果任一节点需要发送用户数据时，则向目的节点发送同步头、动态路由表的拓扑结构、以及用户数据。对应的节点（目的节点或中转节点）在收到动态路由表的拓扑结构之后，将收到的动态路由表的拓扑结构的seq的值、以及本节点向外发送对应的动态路由表的拓扑结构的seq的值；利用seq值大的动态路由表的拓扑结构来进行更新。当两个seq的值相等时，选择收到的动态路由表的拓扑结构进行更新，或者选择最小跳数少的动态路由表的拓扑结构进行更新（此时需要预先在每个节点向外发送的动态路由表的拓扑结构中设置最小跳数）。

本发明实施例中，还可以对中转节点进行设置，现说明如下：任一个节点向目的节点发送信号时，如果目的节点和本节点在一跳通信范围之内，则中转节点个数为0，并将信号直接发送至目的节点。如果目的节点和本节点在一跳通信范围之外，则需要设置中转节点，则在本节点对应的向外发送的动态路由表的拓扑结构中，查找本节点与目的节点之间的中转节点。

由上可知，在本发明的一种适用于无线自组网的无中心时分多址同步方法的路由维护方法中，任一节点在自己的发送信号的时隙上都发送同步头和动态路由表的拓扑结构，在不另外增加网络（无线自组网）开销的情况下，使得每个节点都能及时、准确地实现相互同步并感知网络拓扑结构的变化。

本发明既无需装备高精度时钟，也不利用外部时间基准。本发明利用特殊设计的数据帧结构和同步信息发送策略，在数据帧中增加了同步头和路由信息，实现了完全无需中心节点的时分多址的时间同步。在利用该方法构建的无线自组网中，由于没有固定或临时的中心节点，使得全网同步延时小，实现了网络中节点的完全平等，增强了系统的抗毁性能。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种适用于无线自组网的无中心时分多址同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在时分多址接入系统的各个节点的每个时帧中，分配接收信号的时隙和发送信号的时隙；在分配的发送信号的时隙上设置用于传输时间同步信息的同步头；在分配的发送信号的时隙上设置对应的动态路由表；

S2：在各个节点的内部设置一个用于对时帧进行计数的时帧计数器，在各个节点的每个时帧上设置一个用于对时隙进行计数的时隙计数器；

S3：任一个节点启动后，按照预先分配的接收信号的时隙，对来自其他节点的信息进行侦听，同时利用时帧计数器对时帧进行计数；如果在一个时帧的时长内，在分配的接收信号的时隙上收到了来自其他节点的同步头，则根据接收到的同步头，实现本节点和发送同步头的其他节点的时间同步；并在接收来自其他节点的同步头的同一时隙之内，接收来自其他节点的对应的动态路由表；

反之，如果在一个时帧的时长内，在分配的接收信号的时隙上没有收到来自其他节点的同步头，则开始利用时隙计数器对时隙进行计数；

在下一个分配的发送信号的时隙之前，判断在对应的分配的接收信号的时隙上是否收到了来自其他节点的同步头；如果是，则根据接收到的同步头，实现本节点和发送同步头的其他节点的时间同步；如果否，则在下一个分配的发送信号的时隙，向外发送本节点的同步头。

2.如权利要求1所述的一种适用于无线自组网的无中心时分多址同步方法，其特征在于，在步骤S1中，对于时分多址接入系统的各个节点，在其中的每个时帧的每个时隙的前端和后端分别设置一个时隙保护带。

3.如权利要求1所述的一种适用于无线自组网的无中心时分多址同步方法，其特征在于，在步骤S1和步骤S3中，所述同步头是由源节点地址经Walsh系列或m序列扩频而成。

4.如权利要求1所述的一种适用于无线自组网的无中心时分多址同步方法，其特征在于，在步骤S1中，在分配的发送信号的时隙上设置需要发送的用户数据；

在步骤S3中，在接收来自其他节点的同步头的同一时隙之内，接收来自其他节点的用户数据。