CN105307261A - 一种定向Ad hoc网络自同步方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种定向Ad？hoc网络自同步方法，包括：先从定向Ad？hoc网络的所有网络节点中确定出同步基准节点；然后将网络节点与同步基准节点之间的节点跳数大小作为分级依据，按照节点跳数从小到大的顺序，对所有的网络节点进行分级处理，相应地得到M级网络节点；并按照距离同步基准节点的节点跳数越小优先权越高的优先权确定原则，相应地为M级网络节点中的每一级网络节点赋予优先权；最后按照优先权从高到低的顺序，依次对M级网络节点中的每相邻两级网络节点进行级间时钟同步处理，以实现全网时钟同步。本申请在无须依赖外界固定基础设施的情况下，实现对整个定向Ad？hoc网络的时钟同步处理，提高了网络的健壮性。

Description

一种定向Ad hoc网络自同步方法

技术领域

本发明涉及网络时钟同步技术领域，特别涉及一种定向Adhoc网络自同步方法。

背景技术

目前，定向Adhoc网络(Adhoc网络，即自组织网络)通常采用TDMA时分多址(TDMA，即TimeDivisionMultipleAccess，时分多址)接入的信道访问控制机制，以使网络中的节点通过使用时隙分时来共享无线信道，从而实现最大化信道利用率的目的。在网络节点共享无线信道时，为了确保各节点无冲突地接入信道，整个定向Adhoc网络需要对时间进行同步处理。

然而，由于目前大多数TDMA时分多址接入系统均采用外部时钟同步的方式来进行同步，使得定向Adhoc网络的时钟同步过程严重依赖于外界的固定基础设施，例如GPS系统(GPS，即GlobalPositioningSystem，全球定位系统)或北斗导航系统。一旦这些固定基础设施遭到故意破坏或发生故障，便会导致定向Adhoc网络无法进行时钟同步，从而无法正常地进行网络通信。

综上所述可以看出，如何消除时钟同步过程对外界固定基础设施的依赖，以提高网络的健壮性是目前亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种定向Adhoc网络自同步方法，消除了时钟同步过程对外界固定基础设施的依赖，从而提高了网络的健壮性。其具体方案如下：

一种定向Adhoc网络自同步方法，包括：

从所述定向Adhoc网络的所有网络节点中确定出同步基准节点；

将网络节点与所述同步基准节点之间的节点跳数大小作为分级依据，按照节点跳数从小到大的顺序，对所述定向Adhoc网络中所有的网络节点进行分级处理，相应地得到M级网络节点，M为不小于2的正整数；其中，任意相邻两级网络节点之间的节点跳数为1跳；每一级网络节点包括至少一个网络节点；

按照距离所述同步基准节点的节点跳数越小优先权越高的优先权确定原则，相应地为所述M级网络节点中的每一级网络节点赋予优先权；

按照优先权从高到低的顺序，依次对所述M级网络节点中的每相邻两级网络节点进行级间时钟同步处理，以实现所述定向Adhoc网络的全网时钟同步。

优选的，所述定向Adhoc网络自同步方法还包括：

当存在新网络节点需要加入所述定向Adhoc网络时，利用预先构建的TDMA时帧，对所述新网络节点进行时钟初始同步处理；所述TDMA时帧包括邻居发现子帧和数据传输子帧；所述邻居发现子帧包括同步时隙、探测时隙、响应时隙和确认时隙；所述同步时隙包括K个同步微时隙，其中，K的具体数值与所述定向Adhoc网络中定向天线产生的定向波束方向的方向个数相同，K为正整数；所述数据传输子帧包括N个数据时隙，N为正整数；

在对所述新网络节点进行时钟初始同步处理后，建立所述新网络节点与其目标邻居节点之间的数据收发链路；所述目标邻居节点为距离所述新网络节点的节点跳数为1跳的网络节点；

确定所述新网络节点与所述目标邻居节点中的任一网络节点之间的时钟偏差，利用该时钟偏差对所述新网络节点进行时钟临时同步处理。

优选的，设所述定向天线产生的K个定向波束方向中波束方向编号依次从0至K-1；则，所述利用预先构建的TDMA时帧，对所述新网络节点进行时钟初始同步处理的过程，包括：

步骤S11：利用伪随机数发生器，在0至K-1之间产生1个伪随机整数K_i；

步骤S12：在预设侦听时间段内，令所述新网络节点在波束方向编号为K_i的定向波束方向上，展开同步序列和同步消息的侦听工作；其中，所述预设侦听时间段的时间长度与一个所述TDMA时帧的时间长度相等；同步序列和同步消息为所述定向Adhoc网络中已入网网络节点向外界循环发送的信息，同步消息包括当前所述TDMA时帧的帧序号、同步微时隙序号和发送该同步消息的网络节点的节点ID编号；

步骤S13：如果所述新网络节点在波束方向编号为K_i的定向波束方向上，没有侦听到同步序列和同步消息，则令K_i＝K_i+1，并进入步骤S12，如果侦听到同步序列和同步消息，则进入步骤S14；

步骤S14：当侦听到的同步序列的相关峰值达到预设最大值时，根据侦听到的同步消息中的同步微时隙序号、同步微时隙的时间长度和当侦听到的同步序列的相关峰值达到最大值时所述新网络节点已接收的比特数，确定初始同步时刻，并将所述初始同步时刻确定为所述新网络节点的时帧起始时间，并且，所述新网络节点从侦听到的同步消息中获取到当前所述TDMA时帧的帧序号，以完成对所述新网络节点的时钟初始同步处理。

优选的，设k表示同步微时隙序号，n表示当前处于激活状态的定向波束方向的波束方向编号，并设所述K个同步微时隙中同步微时隙序号依次从1至K；则，所述定向Adhoc网络中任一已入网网络节点向外界循环发送同步序列和同步消息的过程，包括：

步骤S21：对k和n进行初始化，使得k＝1，n＝1；

步骤S22：获取当前所述TDMA时帧的帧序号F，令n＝FmodK；

步骤S23：在同步微时隙序号为k的同步微时隙内，令该已入网网络节点在波束方向编号为n的定向波束方向上向外界发送同步序列和同步消息，并令k＝k+1；

步骤S24：令n＝(n+k)modK，并在同步微时隙序号为k的同步微时隙内，令该已入网网络节点在波束方向编号为n的定向波束方向上向外界发送同步序列和同步消息；

步骤S25：如果kmodK≠0，则令k＝k+1，并进入步骤S24；如果kmodK＝0，则判定该已入网网络节点已完成向外界循环发送同步序列和同步消息的过程。

优选的，所述确定所述新网络节点与所述目标邻居节点中的任一网络节点之间的时钟偏差，利用该时钟偏差对所述新网络节点进行时钟临时同步处理的过程，包括：

在所述新网络节点与所述目标邻居节点中的任一网络节点之间进行探测消息的收发操作以及响应消息的收发操作，并相应地获取到四个消息收发时间戳；

利用所述四个消息收发时间戳，计算所述新网络节点与所述任一网络节点之间的时钟偏差；

利用该时钟偏差，对所述新网络节点的时帧起始时间进行修正，以完成对所述新网络节点的时钟临时同步处理。

优选的，如果当前所述新网络节点处于消息发送模式，则所述确定所述新网络节点与所述目标邻居节点中的任一网络节点之间的时钟偏差的过程，包括：

在所述探测时隙内的T11时刻，令所述新网络节点向所述任一网络节点发送第一探测消息，所述第一探测消息的消息头部携带有与所述T11时刻对应的探测消息发送时间戳；

当所述任一网络节点在所述探测时隙内的T12时刻，接收到所述第一探测消息后，令所述任一网络节点在所述响应时隙内的T13时刻，向所述新网络节点发送第一响应消息，所述第一响应消息的消息头部携带有与所述T11时刻对应的探测消息发送时间戳、与所述T12时刻对应的探测消息接收时间戳和与所述T13时刻对应的响应消息发送时间戳；

当所述新网络节点在所述响应时隙内的T14时刻下接收到所述第一响应消息后，所述新网络节点记录与所述T14时刻对应的响应消息接收时间戳，并对所述第一响应消息中记录的时间戳进行提取，得到所述探测消息发送时间戳、所述探测消息接收时间戳、所述响应消息发送时间戳和所述响应消息接收时间戳；

利用所述探测消息发送时间戳、所述探测消息接收时间戳、所述响应消息发送时间戳和所述响应消息接收时间戳，计算所述新网络节点与所述任一网络节点之间的时钟偏差offset₁，相应的计算公式为：

${\mathrm{offset}}_1=\frac{(T12-T11)-(T14-T13)}{2}.$

优选的，如果当前所述新网络节点处于消息接收模式，则所述确定所述新网络节点与所述目标邻居节点中的任一网络节点之间的时钟偏差的过程，包括：

令所述任一网络节点在所述探测时隙内向所述新网络节点发送第二探测消息，当接收到所述第二探测消息后，所述新网络节点在所述响应时隙内的T21时刻，向所述任一网络节点发送第二响应消息，所述第二响应消息的消息头部携带有与所述T21时刻对应的响应消息发送时间戳；

当所述任一网络节点在所述响应时隙内的T22时刻，接收到所述第二响应消息后，令所述任一网络节点在所述确认时隙内的T23时刻，向所述新网络节点发送确认消息，所述确认消息的消息头部携带有与所述T21时刻对应的响应消息发送时间戳、与所述T22时刻对应的响应消息接收时间戳和与所述T23时刻对应的确认消息发送时间戳；

当所述新网络节点在所述确认时隙内的T24时刻下接收到所述确认消息后，所述新网络节点记录与所述T24时刻对应的确认消息接收时间戳，并对所述确认消息中记录的时间戳进行提取，得到所述响应消息发送时间戳、所述响应消息接收时间戳、所述确认消息发送时间戳和所述确认消息接收时间戳；

利用所述响应消息发送时间戳、所述响应消息接收时间戳、所述确认消息发送时间戳和所述确认消息接收时间戳，计算所述新网络节点与所述任一网络节点之间的时钟偏差offset₂，相应的计算公式为：

${\mathrm{offset}}_2=\frac{(T22-T21)-(T24-T23)}{2}.$

优选的，所述从所述定向Adhoc网络的所有网络节点中确定出同步基准节点的过程，包括：

根据网络拓扑计算所述定向Adhoc网络中的最大跳数路径，并将位于所述最大跳数路径的中心位置的网络节点确定为所述同步基准节点；其中，所述最大跳数路径为所述定向Adhoc网络中跳数跨度最大的节点路径。

优选的，任意相邻两级网络节点之间的级间时钟同步处理的过程包括：

确定每一低优先级网络节点与相邻的高优先级网络节点之间的时钟偏差，利用时钟偏差对相应的低优先级网络节点的时帧起始时间进行修正，以实现所述任意相邻两级网络节点之间的级间时钟同步处理；

其中，所述低优先级网络节点为所述任意相邻两级网络节点中优先级较低的一级网络节点中的网络节点，所述高优先级网络节点为所述任意相邻两级网络节点中优先级较高的一级网络节点中的网络节点。

优选的，任一低优先级网络节点与相邻的高优先级网络节点之间的时钟偏差的确定过程，包括：

在该低优先级网络节点与相邻的高优先级网络节点之间进行探测消息的收发操作以及响应消息的收发操作，并相应地获取到四个消息收发时间戳，并利用该四个消息收发时间戳，计算该低优先级网络节点与相邻的高优先级网络节点之间的时钟偏差。

本发明中，先从定向Adhoc网络的所有网络节点中确定出同步基准节点；然后，将网络节点与同步基准节点之间的节点跳数大小作为分级依据，按照节点跳数从小到大的顺序，对定向Adhoc网络中所有的网络节点进行分级处理，相应地得到M级网络节点；并按照距离同步基准节点的节点跳数越小优先权越高的优先权确定原则，相应地为M级网络节点中的每一级网络节点赋予优先权；最后按照优先权从高到低的顺序，依次对M级网络节点中的每相邻两级网络节点进行级间时钟同步处理，以实现定向Adhoc网络的全网时钟同步。可见，本发明按照距离同步基准节点的节点跳数越小优先权越高的优先权确定原则，相应地为M级网络节点中的每一级网络节点赋予优先权，从而使得同步基准节点具有最高的优先权，其余每一级网络节点的优先权则按照与同步基准节点的距离从小到大的顺序，依次递减。最后按照优先权从高到低的顺序，依次对M级网络节点中的每相邻两级网络节点进行级间时钟同步处理，也即是先利用同步基准节点对距离同步基准节点1跳的所有网络节点进行同步，然后再利用距离同步基准节点1跳的所有网络节点，对距离同步基准节点2跳的所有网络节点进行同步，其余以此类推，由此在无须依赖外界固定基础设施的情况下，实现对整个定向Adhoc网络的时钟同步处理，从而提高了网络的健壮性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种定向Adhoc网络自同步方法流程图；

图2为本发明实施例公开的一种定向Adhoc网络自同步方法的子流程图；

图3为本发明实施例公开的TDMA时帧结构示意图；

图4为本发明实施例公开的定向天线产生的定向波速方向示意图；

图5为本发明实施例公开的一种时钟初始同步处理的流程图；

图6为本发明实施例公开的一种时钟临时同步处理的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种定向Adhoc网络自同步方法，参见图1所示，该方法包括：

步骤S101：从定向Adhoc网络的所有网络节点中确定出同步基准节点。

需要说明的是，上述同步基准节点为向定向Adhoc网络中的其他所有节点提供基础校准时钟的节点。

其中，从定向Adhoc网络的所有网络节点中确定出同步基准节点的过程，具体可以包括：根据网络拓扑计算定向Adhoc网络中的最大跳数路径，并将位于最大跳数路径的中心位置的网络节点确定为同步基准节点；其中，最大跳数路径为定向Adhoc网络中跳数跨度最大的节点路径。当上述最大跳数路径上的节点总数为奇数时，同步基准节点便是最大跳数路径上位于最中间的网络节点；当上述最大跳数路径上的节点总数为偶数时，同步基准节点便是位于最大跳数路径的中间位置上的两个网络节点中的任一节点。

需要说明的是，上述确定同步基准节点的方法只是一种优选的方法，也可以根据实际的需要，将位于其他位置的网络节点选为同步基准节点，在此不再做进一步的限定。

步骤S102：将网络节点与同步基准节点之间的节点跳数大小作为分级依据，按照节点跳数从小到大的顺序，对定向Adhoc网络中所有的网络节点进行分级处理，相应地得到M级网络节点，M为不小于2的正整数；其中，任意相邻两级网络节点之间的节点跳数为1跳；每一级网络节点包括至少一个网络节点。

其中，上述节点跳数与路由跳数的概念相类似，在此不展开进一步的解释说明。

可以理解的是，由于上述分级处理是将网络节点与同步基准节点之间的节点跳数大小作为分级依据，并且是按照节点跳数从小到大的顺序，对定向Adhoc网络中所有的网络节点进行分级处理，可见，本发明实施例中，由于距离同步基准节点的距离最近的是同步基准节点本身，所以，同步基准节点便作为上述M级网络节点中最先得到的一级网络节点，显然，这一级网络节点只包括一个网络节点，即同步基准节点；紧接着，距离同步基准节点的节点跳数为1跳的所有网络节点便作为下一个得到的一级网络节点，其他的以此类推。

步骤S103：按照距离同步基准节点的节点跳数越小优先权越高的优先权确定原则，相应地为M级网络节点中的每一级网络节点赋予优先权。

由于距离同步基准节点最近的网络节点便是同步基准节点本身，根据上述优先权确定原则可知，同步基准节点具有最高的优先级，其余每一级网络节点的优先权则按照与同步基准节点的距离从小到大的顺序，依次递减。

步骤S104：按照优先权从高到低的顺序，依次对M级网络节点中的每相邻两级网络节点进行级间时钟同步处理，以实现定向Adhoc网络的全网时钟同步。

根据步骤S104可知，在进行级间时钟同步处理时，先是对同步基准节点与距离同步基准节点1跳的所有网络节点进行级间时钟同步处理，然后再对距离同步基准节点1跳的所有网络节点与距离同步基准节点2跳的所有网络节点进行级间时钟同步处理，其余以此类推，由此在无须依赖外界固定基础设施的情况下，实现对整个定向Adhoc网络的时钟同步处理，从而提高了网络的健壮性。

本发明实施例中，先从定向Adhoc网络的所有网络节点中确定出同步基准节点；然后，将网络节点与同步基准节点之间的节点跳数大小作为分级依据，按照节点跳数从小到大的顺序，对定向Adhoc网络中所有的网络节点进行分级处理，相应地得到M级网络节点；并按照距离同步基准节点的节点跳数越小优先权越高的优先权确定原则，相应地为M级网络节点中的每一级网络节点赋予优先权；最后按照优先权从高到低的顺序，依次对M级网络节点中的每相邻两级网络节点进行级间时钟同步处理，以实现定向Adhoc网络的全网时钟同步。

可见，本发明实施例按照距离同步基准节点的节点跳数越小优先权越高的优先权确定原则，相应地为M级网络节点中的每一级网络节点赋予优先权，从而使得同步基准节点具有最高的优先权，其余每一级网络节点的优先权则按照与同步基准节点的距离从小到大的顺序，依次递减。最后按照优先权从高到低的顺序，依次对M级网络节点中的每相邻两级网络节点进行级间时钟同步处理，也即是先利用同步基准节点对距离同步基准节点1跳的所有网络节点进行同步，然后再利用距离同步基准节点1跳的所有网络节点，对距离同步基准节点2跳的所有网络节点进行同步，其余以此类推，由此在无须依赖外界固定基础设施的情况下，实现对整个定向Adhoc网络的时钟同步处理，从而提高了网络的健壮性。

本发明实施例公开了一种具体的定向Adhoc网络自同步方法，相对于上一实施例，本实施例对技术方案作了进一步的说明和优化。具体的：

参见图2所示，本实施例中，定向Adhoc网络自同步方法还可以进一步包括：

步骤S201：当存在新网络节点需要加入定向Adhoc网络时，利用预先构建的TDMA时帧，对新网络节点进行时钟初始同步处理；参见图3所示，本实施例中，TDMA时帧具体包括邻居发现子帧和数据传输子帧；其中，邻居发现子帧包括同步时隙、探测时隙、响应时隙和确认时隙；同步时隙包括K个同步微时隙，其中，K的具体数值与定向Adhoc网络中定向天线产生的定向波束方向的方向个数相同，K为正整数，图4为上述定向天线产生的K个定向波束方向示意图；数据传输子帧包括N个数据时隙，N为正整数；

步骤S202：在对新网络节点进行时钟初始同步处理后，建立新网络节点与其目标邻居节点之间的数据收发链路；目标邻居节点为距离新网络节点的节点跳数为1跳的网络节点；

步骤S203：确定新网络节点与目标邻居节点中的任一网络节点之间的时钟偏差，利用该时钟偏差对新网络节点进行时钟临时同步处理。

参见图5所示，设定向天线产生的K个定向波束方向中波束方向编号依次从0至K-1，则，上述步骤S201中，利用预先构建的TDMA时帧，对新网络节点进行时钟初始同步处理的过程，具体包括：

步骤S11：利用伪随机数发生器，在0至K-1之间产生1个伪随机整数K_i；

步骤S12：在预设侦听时间段内，令新网络节点在波束方向编号为K_i的定向波束方向上，展开同步序列和同步消息的侦听工作；其中，预设侦听时间段的时间长度与一个TDMA时帧的时间长度相等；本实施例中，同步序列和同步消息为定向Adhoc网络中已入网网络节点向外界循环发送的信息，同步消息包括当前TDMA时帧的帧序号、同步微时隙序号和发送该同步消息的网络节点的节点ID编号；

步骤S13：如果新网络节点在波束方向编号为K_i的定向波束方向上，没有侦听到同步序列和同步消息，则令K_i＝K_i+1，并进入步骤S12，如果侦听到同步序列和同步消息，则进入步骤S14；

步骤S14：当侦听到的同步序列的相关峰值达到预设最大值时，根据侦听到的同步消息中的同步微时隙序号、同步微时隙的时间长度和当侦听到的同步序列的相关峰值达到最大值时新网络节点已接收的比特数，确定初始同步时刻，并将初始同步时刻确定为新网络节点的时帧起始时间，并且，新网络节点从侦听到的同步消息中获取到当前TDMA时帧的帧序号，以完成对新网络节点的时钟初始同步处理。

从上述步骤S12可知，同步序列和同步消息是由定向Adhoc网络中已入网网络节点向外界循环发送的信息。

设k表示同步微时隙序号，n表示当前处于激活状态的定向波束方向的波束方向编号，并设K个同步微时隙中同步微时隙序号依次从1至K，则，定向Adhoc网络中任一已入网网络节点(如网络节点N1)向外界循环发送同步序列和同步消息的过程，具体包括：

步骤S21：对k和n进行初始化，使得k＝1，n＝1；

步骤S22：获取当前TDMA时帧的帧序号F，令n＝FmodK；

步骤S23：在同步微时隙序号为k的同步微时隙内，令网络节点N1在波束方向编号为n的定向波束方向上向外界发送同步序列和同步消息，并令k＝k+1；

步骤S24：令n＝(n+k)modK，并在同步微时隙序号为k的同步微时隙内，令网络节点N1在波束方向编号为n的定向波束方向上向外界发送同步序列和同步消息；

步骤S25：如果kmodK≠0，则令k＝k+1，并进入步骤S24；如果kmodK＝0，则判定网络节点N1已完成向外界循环发送同步序列和同步消息的过程。

参见图6所示，在步骤S203中，确定新网络节点与目标邻居节点中的任一网络节点(如网络节点N2)之间的时钟偏差，利用该时钟偏差对新网络节点进行时钟临时同步处理的过程，具体包括：

步骤S31：在新网络节点与网络节点N2之间进行探测消息的收发操作以及响应消息的收发操作，并相应地获取到四个消息收发时间戳；

步骤S32：利用四个消息收发时间戳，计算新网络节点与网络节点N2之间的时钟偏差；

步骤S33：利用该时钟偏差，对新网络节点的时帧起始时间进行修正，以完成对新网络节点的时钟临时同步处理。

更具体的，如果当前新网络节点处于消息发送模式，则在步骤S203中，确定新网络节点与目标邻居节点中的任一网络节点(如网络节点N3)之间的时钟偏差的过程，具体包括：

步骤S41：在探测时隙内的T11时刻，令新网络节点向上述网络节点N3发送第一探测消息，第一探测消息的消息头部携带有与T11时刻对应的探测消息发送时间戳；

步骤S42：当网络节点N3在探测时隙内的T12时刻，接收到第一探测消息后，令上述网络节点N3在响应时隙内的T13时刻，向新网络节点发送第一响应消息，第一响应消息的消息头部携带有与T11时刻对应的探测消息发送时间戳、与T12时刻对应的探测消息接收时间戳和与T13时刻对应的响应消息发送时间戳；

步骤S43：当新网络节点在响应时隙内的T14时刻下接收到第一响应消息后，新网络节点记录与T14时刻对应的响应消息接收时间戳，并对第一响应消息中记录的时间戳进行提取，得到探测消息发送时间戳、探测消息接收时间戳、响应消息发送时间戳和响应消息接收时间戳；

步骤S44：利用探测消息发送时间戳、探测消息接收时间戳、响应消息发送时间戳和响应消息接收时间戳，计算新网络节点与网络节点N3之间的时钟偏差offset₁，相应的计算公式为：

${\mathrm{offset}}_1=\frac{(T12-T11)-(T14-T13)}{2}.$

上述公式的推导过程如下，考虑到：

T12＝T11+tp_AB+offset₁(1)

T14＝T13+tp_BA+offset₁(2)

其中，tp_AB为新网络节点向网络节点N3传送上述第一探测消息的过程中，产生的消息传播时延，tp_BA为网络节点N3向新网络节点传送上述第一响应消息的过程中，产生的消息传播时延。在实际的应用过程中，tp_AB和tp_BA的绝对值是十分接近的，在此基础上将上述等式(1)和等式(2)进行联立，便可得到上述用于计算时钟偏差的计算公式。

如果当前新网络节点处于消息接收模式，则在步骤S203中，确定新网络节点与目标邻居节点中的任一网络节点(如网络节点N4)之间的时钟偏差的过程，具体包括：

步骤S51：令网络节点N4在探测时隙内向新网络节点发送第二探测消息，当接收到第二探测消息后，新网络节点在响应时隙内的T21时刻，向网络节点N4发送第二响应消息，第二响应消息的消息头部携带有与T21时刻对应的响应消息发送时间戳；

步骤S52：当网络节点N4在响应时隙内的T22时刻，接收到第二响应消息后，令网络节点N4在确认时隙内的T23时刻，向新网络节点发送确认消息，确认消息的消息头部携带有与T21时刻对应的响应消息发送时间戳、与T22时刻对应的响应消息接收时间戳和与T23时刻对应的确认消息发送时间戳；

步骤S53：当新网络节点在确认时隙内的T24时刻下接收到确认消息后，新网络节点记录与T24时刻对应的确认消息接收时间戳，并对确认消息中记录的时间戳进行提取，得到响应消息发送时间戳、响应消息接收时间戳、确认消息发送时间戳和确认消息接收时间戳；

步骤S54：利用响应消息发送时间戳、响应消息接收时间戳、确认消息发送时间戳和确认消息接收时间戳，计算新网络节点与网络节点N4之间的时钟偏差offset₂，相应的计算公式为：

${\mathrm{offset}}_2=\frac{(T22-T21)-(T24-T23)}{2}.$

关于上述计算公式的推导过程请参考前述内容，在此不再赘述。

在上述步骤S104中，任意相邻两级网络节点之间的级间时钟同步处理的过程，具体包括：

确定每一低优先级网络节点与相邻的高优先级网络节点之间的时钟偏差，利用时钟偏差对相应的低优先级网络节点的时帧起始时间进行修正，以实现任意相邻两级网络节点之间的级间时钟同步处理；

其中，低优先级网络节点为任意相邻两级网络节点中优先级较低的一级网络节点中的网络节点，高优先级网络节点为任意相邻两级网络节点中优先级较高的一级网络节点中的网络节点。

优选的，任一低优先级网络节点与相邻的高优先级网络节点之间的时钟偏差的确定过程，包括：

在该低优先级网络节点与相邻的高优先级网络节点之间进行探测消息的收发操作以及响应消息的收发操作，并相应地获取到四个消息收发时间戳，并利用该四个消息收发时间戳，计算该低优先级网络节点与相邻的高优先级网络节点之间的时钟偏差。

需要说明的是，上述用于计算低优先级网络节点与高优先级网络节点之间的时钟偏差的方法，可参考前述关于如何具体确定新网络节点与目标邻居节点中的任一网络节点之间的时钟偏差的内容，在此不再赘述。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种定向Adhoc网络自同步方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种定向Adhoc网络自同步方法，其特征在于，包括：

从所述定向Adhoc网络的所有网络节点中确定出同步基准节点；

将网络节点与所述同步基准节点之间的节点跳数大小作为分级依据，按照节点跳数从小到大的顺序，对所述定向Adhoc网络中所有的网络节点进行分级处理，相应地得到M级网络节点，M为不小于2的正整数；其中，任意相邻两级网络节点之间的节点跳数为1跳；每一级网络节点包括至少一个网络节点；

按照距离所述同步基准节点的节点跳数越小优先权越高的优先权确定原则，相应地为所述M级网络节点中的每一级网络节点赋予优先权；

按照优先权从高到低的顺序，依次对所述M级网络节点中的每相邻两级网络节点进行级间时钟同步处理，以实现所述定向Adhoc网络的全网时钟同步。

2.根据权利要求1所述的定向Adhoc网络自同步方法，其特征在于，还包括：

当存在新网络节点需要加入所述定向Adhoc网络时，利用预先构建的TDMA时帧，对所述新网络节点进行时钟初始同步处理；所述TDMA时帧包括邻居发现子帧和数据传输子帧；所述邻居发现子帧包括同步时隙、探测时隙、响应时隙和确认时隙；所述同步时隙包括K个同步微时隙，其中，K的具体数值与所述定向Adhoc网络中定向天线产生的定向波束方向的方向个数相同，K为正整数；所述数据传输子帧包括N个数据时隙，N为正整数；

在对所述新网络节点进行时钟初始同步处理后，建立所述新网络节点与其目标邻居节点之间的数据收发链路；所述目标邻居节点为距离所述新网络节点的节点跳数为1跳的网络节点；

确定所述新网络节点与所述目标邻居节点中的任一网络节点之间的时钟偏差，利用该时钟偏差对所述新网络节点进行时钟临时同步处理。

3.根据权利要求2所述的定向Adhoc网络自同步方法，其特征在于，

设所述定向天线产生的K个定向波束方向中波束方向编号依次从0至K-1；

则，所述利用预先构建的TDMA时帧，对所述新网络节点进行时钟初始同步处理的过程，包括：

步骤S11：利用伪随机数发生器，在0至K-1之间产生1个伪随机整数K_i；

步骤S12：在预设侦听时间段内，令所述新网络节点在波束方向编号为K_i的定向波束方向上，展开同步序列和同步消息的侦听工作；其中，所述预设侦听时间段的时间长度与一个所述TDMA时帧的时间长度相等；同步序列和同步消息为所述定向Adhoc网络中已入网网络节点向外界循环发送的信息，同步消息包括当前所述TDMA时帧的帧序号、同步微时隙序号和发送该同步消息的网络节点的节点ID编号；

步骤S13：如果所述新网络节点在波束方向编号为K_i的定向波束方向上，没有侦听到同步序列和同步消息，则令K_i＝K_i+1，并进入步骤S12，如果侦听到同步序列和同步消息，则进入步骤S14；

步骤S14：当侦听到的同步序列的相关峰值达到预设最大值时，根据侦听到的同步消息中的同步微时隙序号、同步微时隙的时间长度和当侦听到的同步序列的相关峰值达到最大值时所述新网络节点已接收的比特数，确定初始同步时刻，并将所述初始同步时刻确定为所述新网络节点的时帧起始时间，并且，所述新网络节点从侦听到的同步消息中获取到当前所述TDMA时帧的帧序号，以完成对所述新网络节点的时钟初始同步处理。

4.根据权利要求3所述的定向Adhoc网络自同步方法，其特征在于，

设k表示同步微时隙序号，n表示当前处于激活状态的定向波束方向的波束方向编号，并设所述K个同步微时隙中同步微时隙序号依次从1至K；

则，所述定向Adhoc网络中任一已入网网络节点向外界循环发送同步序列和同步消息的过程，包括：

步骤S21：对k和n进行初始化，使得k＝1，n＝1；

步骤S22：获取当前所述TDMA时帧的帧序号F，令n＝FmodK；

步骤S23：在同步微时隙序号为k的同步微时隙内，令该已入网网络节点在波束方向编号为n的定向波束方向上向外界发送同步序列和同步消息，并令k＝k+1；

步骤S24：令n＝(n+k)modK，并在同步微时隙序号为k的同步微时隙内，令该已入网网络节点在波束方向编号为n的定向波束方向上向外界发送同步序列和同步消息；

步骤S25：如果kmodK≠0，则令k＝k+1，并进入步骤S24；如果kmodK＝0，则判定该已入网网络节点已完成向外界循环发送同步序列和同步消息的过程。

5.根据权利要求4所述的定向Adhoc网络自同步方法，其特征在于，

所述确定所述新网络节点与所述目标邻居节点中的任一网络节点之间的时钟偏差，利用该时钟偏差对所述新网络节点进行时钟临时同步处理的过程，包括：

在所述新网络节点与所述目标邻居节点中的任一网络节点之间进行探测消息的收发操作以及响应消息的收发操作，并相应地获取到四个消息收发时间戳；

利用所述四个消息收发时间戳，计算所述新网络节点与所述任一网络节点之间的时钟偏差；

利用该时钟偏差，对所述新网络节点的时帧起始时间进行修正，以完成对所述新网络节点的时钟临时同步处理。

6.根据权利要求5所述的定向Adhoc网络自同步方法，其特征在于，如果当前所述新网络节点处于消息发送模式，则所述确定所述新网络节点与所述目标邻居节点中的任一网络节点之间的时钟偏差的过程，包括：

在所述探测时隙内的T11时刻，令所述新网络节点向所述任一网络节点发送第一探测消息，所述第一探测消息的消息头部携带有与所述T11时刻对应的探测消息发送时间戳；

当所述任一网络节点在所述探测时隙内的T12时刻，接收到所述第一探测消息后，令所述任一网络节点在所述响应时隙内的T13时刻，向所述新网络节点发送第一响应消息，所述第一响应消息的消息头部携带有与所述T11时刻对应的探测消息发送时间戳、与所述T12时刻对应的探测消息接收时间戳和与所述T13时刻对应的响应消息发送时间戳；

当所述新网络节点在所述响应时隙内的T14时刻下接收到所述第一响应消息后，所述新网络节点记录与所述T14时刻对应的响应消息接收时间戳，并对所述第一响应消息中记录的时间戳进行提取，得到所述探测消息发送时间戳、所述探测消息接收时间戳、所述响应消息发送时间戳和所述响应消息接收时间戳；

利用所述探测消息发送时间戳、所述探测消息接收时间戳、所述响应消息发送时间戳和所述响应消息接收时间戳，计算所述新网络节点与所述任一网络节点之间的时钟偏差offset₁，相应的计算公式为：

${\mathrm{offset}}_1=\frac{(T12-T11)-(T14-T13)}{2}.$

7.根据权利要求5所述的定向Adhoc网络自同步方法，其特征在于，如果当前所述新网络节点处于消息接收模式，则所述确定所述新网络节点与所述目标邻居节点中的任一网络节点之间的时钟偏差的过程，包括：

令所述任一网络节点在所述探测时隙内向所述新网络节点发送第二探测消息，当接收到所述第二探测消息后，所述新网络节点在所述响应时隙内的T21时刻，向所述任一网络节点发送第二响应消息，所述第二响应消息的消息头部携带有与所述T21时刻对应的响应消息发送时间戳；

当所述任一网络节点在所述响应时隙内的T22时刻，接收到所述第二响应消息后，令所述任一网络节点在所述确认时隙内的T23时刻，向所述新网络节点发送确认消息，所述确认消息的消息头部携带有与所述T21时刻对应的响应消息发送时间戳、与所述T22时刻对应的响应消息接收时间戳和与所述T23时刻对应的确认消息发送时间戳；

当所述新网络节点在所述确认时隙内的T24时刻下接收到所述确认消息后，所述新网络节点记录与所述T24时刻对应的确认消息接收时间戳，并对所述确认消息中记录的时间戳进行提取，得到所述响应消息发送时间戳、所述响应消息接收时间戳、所述确认消息发送时间戳和所述确认消息接收时间戳；

利用所述响应消息发送时间戳、所述响应消息接收时间戳、所述确认消息发送时间戳和所述确认消息接收时间戳，计算所述新网络节点与所述任一网络节点之间的时钟偏差offset₂，相应的计算公式为：

${\mathrm{offset}}_2=\frac{(T22-T21)-(T24-T23)}{2}.$

8.根据权利要求1至7任一项所述的定向Adhoc网络自同步方法，其特征在于，

所述从所述定向Adhoc网络的所有网络节点中确定出同步基准节点的过程，包括：

根据网络拓扑计算所述定向Adhoc网络中的最大跳数路径，并将位于所述最大跳数路径的中心位置的网络节点确定为所述同步基准节点；其中，所述最大跳数路径为所述定向Adhoc网络中跳数跨度最大的节点路径。

9.根据权利要求8所述的定向Adhoc网络自同步方法，其特征在于，任意相邻两级网络节点之间的级间时钟同步处理的过程包括：

确定每一低优先级网络节点与相邻的高优先级网络节点之间的时钟偏差，利用时钟偏差对相应的低优先级网络节点的时帧起始时间进行修正，以实现所述任意相邻两级网络节点之间的级间时钟同步处理；

其中，所述低优先级网络节点为所述任意相邻两级网络节点中优先级较低的一级网络节点中的网络节点，所述高优先级网络节点为所述任意相邻两级网络节点中优先级较高的一级网络节点中的网络节点。

10.根据权利要求9所述的定向Adhoc网络自同步方法，其特征在于，任一低优先级网络节点与相邻的高优先级网络节点之间的时钟偏差的确定过程，包括：

在该低优先级网络节点与相邻的高优先级网络节点之间进行探测消息的收发操作以及响应消息的收发操作，并相应地获取到四个消息收发时间戳，并利用该四个消息收发时间戳，计算该低优先级网络节点与相邻的高优先级网络节点之间的时钟偏差。