CN105959977A - 无蜂窝覆盖场景下D2D Mesh网络中含支撑节点的混合式同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无蜂窝场景覆盖下D2D Mesh网络中含支撑节点的混合式同步算法,它结合了集中式同步方式与分布式同步方式的优势,能够在多跳自组织网络中同时体现网络的分布性与集中性,使得全网同步收敛时间短,同时精度也在需求范围内的通信同步方式,能够满足语音等对于延时要求较高的通信业务需求。本发明提出的含支撑节点的混合式同步算法,是一种含支撑节点的多局部同步算法,通过加入预同步步骤,使得在同步过程中支撑节点局部形成的局部群体系基本不带来同步开销,减少了同步的延时。此外,利用局部群为网络节点间划分权重信息,然后利用权重信息来决定同步路由,减少了同步过程的盲目性。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信领域,具体涉及无蜂窝覆盖场景下的D2D Mesh网络的同步问题。
背景资料
D2D(Device to Device)即设备直连通信是最近几年提出的一种新的通信模式,旨在通过复用蜂窝用户的频谱资源提高频谱利用率,也就是说在D2D通信模式下设备之间的数据通信不再依赖基站的转发,而是直接通过终端之间进行收发操作,这样一来,由基站统一协调所有终端的同步模式不再适用,此时在D2D模式下终端之间的同步变成一个亟需解决的问题。
Mesh网络是一种多点接入多跳数的网络,自主性和鲁棒性较强,在这种随机性较大的网络中,跳数的多样性给全网的同步带来了挑战,如何解决多跳数终端之间的互同步问题成为了限制Mesh网络运用的阻碍之一。
针对以上两种技术的结合,对于无蜂窝覆盖场景下的D2D Mesh网络的同步问题,传统通信同步方式按照有无中心节点可划分为集中式同步方式与分布式同步方式。集中式同步方式通常采用分簇构造深 度树的方法,其优势在于标准统一,易于广播信令;分布式同步方式通常由局部节点与周围节点进行反复迭代,构建多局部并行同步模式,对于局部网络的同步优势明显。
传统通信同步方式的问题可能有:无蜂窝覆盖场景下的D2D Mesh网络的同步问题既没有基站的统一同步优势同时网络的自组织性较大,单纯的集中式同步方式收敛速度较慢,无法在短时间内同步,随着同步跳数的增加,同步的误差也会积累;分布式同步方式的局部性强,但针对全网的同步,局部网络之间需要反复更新同步才能最终实现全网同步,其局部性限制了全网同步的收敛时间。
所以我们需要一种能够结合集中式同步方式与分布式同步方式的优势,能够在多跳自组织网络中同时体现网络的分布性与集中性,使得全网同步收敛时间短,同时精度也在需求范围内的通信同步方式,使之能够满足语音等对于延时要求较高的通信业务。
发明内容
本发明提出了一种无蜂窝覆盖场景下含支撑节点的混合式同步算法。该算法结合了集中式同步方式与分布式同步方式的优势,是一种含支撑节点的多局部同步算法,该同步算法示意图如图1所示,其具有局部分布式同步的优势,但同时仍由源端集中发起同步请求,既有分布式同步算法的优点,也兼顾了集中式同步算法的特点。通过加入预同步步骤,使得在同步过程中支撑节点局部形成的局部群(预同步后达到同步状态)体系基本不带来同步开销,减少了同步的延时。 此外,利用局部群为网络节点间划分权重信息,然后利用权重信息来决定同步路由,减少了同步过程的盲目性,使同步路由选路更加规范化、标准化。
该算法中,开始时所有的节点随机分布,等价无差别,每间隔一段时间T1所有的节点发出搜索信号,邻居节点根据搜索信号回发包含自身ID信息的确认信号,搜索源节点根据搜索回发信号判断邻居节点的个数,当邻居节点的个数大于等于4个并且该节点与所有邻居节点的平均距离小于任何一个邻居节点自身与其周围邻居节点的平均距离时,确认自己为支撑节点,否则作为一般节点,被确认为支撑节点的节点利用TPSN同步方式与邻居节点完成局部同步,从而在需要同步链路前构建许多局部同步群。局部群(含支撑节点和局部群节点)在单跳范围内搜索其他局部群,搜索成功则与之同步并组成广义局部群;搜索失败,则只在单跳范围内同步,不再进一步搜索两跳范围(这时这两个局部群之间是异步的)。
以上被称为预同步过程,网络中大部分节点都可以加入含支撑节点的局部群网络,剩余的节点是孤立节点,无法与任何节点进行同步。这样一来,在源节点正式发起同步请求之前,网络已经达到了一种半自主局部同步网络状态,为源节点的同步过程节省了大量的时间开销。而对于同步精度来讲,由于局部网络跳数较少,多跳同步带来的局部网络中的误差积累会很小,从源端到目的端的同步跳数要比实际少很多,进一步说明了同步收敛速度快、精度高的特点。
节点描述图如图2所示,图中局部群是指支撑节点和以支撑 节点为中心的所有单跳节点组成的集合;广义局部群是指单跳范围内的局部群与其他局部群所组成的网络。
目的节点在网络中的位置不同,同步过程也有所不同,下面针对三种目的节点进行说明:
针对目的节点1:根据以上广义局部群、局部群的划分,从源节点到目的节点1之间要经过广义局部群最后到目的节点1一共三个部分,原本最少需要8跳完成网络同步的问题变成了准四跳网络同步问题(称之为准四跳是由于广义局部群内部也有同步路径下达指令的开销),这样一来同步的收敛速度很快,比低深度的树形算法开销大大降低。
针对目的节点2:同上所述,这一场景下几乎没有同步开销,只有少量内部传达指令的开销,原本5跳的开销变成了内部指令开销。
针对目的节点3:从源节点到目的节点要经过广义局部群、局部群,但由于目的节点位于另一个广义局部群内,最后同步问题变成了广义局部群之间的同步问题,原本最少需要8跳完成同步的问题变成了只需2跳完成同步的问题,问题的复杂度降低很多。
具体算法流程:
1、节点搜索
节点搜索功能主要用来得到用于判断支撑节点的相关数据,包括邻居节点的个数、各邻居节点到搜索功能发起节点的距离,进而通过邻居节点的个数和搜索功能发起节点到所有邻居节点的平均距离来判断支撑节点,这就是节点搜索功能的描述。
具体来讲,邻居节点个数和平均距离的获知方式如下:
参照TPSN协议的流程,我们可以得到如下数据获取流程,首先该节点(设为节点A)广播搜索信号同时记下信号发送时刻W1,邻居节点(设为节点B)将会收到广播信号同时记下信号接收时刻W2,在时刻W3,该邻居节点回复ACK信号,在时刻W4,搜索信号发起节点收到邻居节点的ACK信号,利用公式
D=[(W2-W1)+(W3-W4)]/2
d=[(W2-W1)-(W3-W4)]/2
可以获得D和d,其中W1 、W4是节点A的本地时刻,W2、W3是节点B的本地时刻,D和d分别为数据包在A,B间的传输时间和A,B节点间的时钟偏差。
此时可得:
LAB=D×c
其中c为光速
节点A保存LAB,直到节点A得到所有的邻居节点距离信息数据组L,并通过这一数据得到平均距离L0,邻居节点数量通过一个计数器K即可,初始时计数器K=0,收到一条ACK,信号K自动加1,以上就是邻居节点个数和平均距离的获知方式,每当最大搜索维持时限计时器T1满时,节点新的一轮搜索功能再次发起。
节点A保存的数据如下表所示:
IDG:用于判断节点身份,每当有包含新的用户ID的ACK信号时,记录新的用户ID到IDG数组中,在ACK信号判断时可以避免K重复计数;
S:用于判断支撑节点,S=1为支撑节点,S=0时为一般节点或者孤立节点,初始时S=0,K或者L0更新时进行再判断,触发信号为ACK;
K:用于统计邻居节点个数,每当收到一个新的ID用户的ACK信号,K自动加1;
L:用于存储计算得出的该节点与所有邻居节点的距离,和K同时变化;
L0:用于得到该节点自身与所有邻居节点的平均距离,在S值的判断过程中,结合邻居节点ACK信号中包含的自身L0以及该节点的K值来进行判定,判定条件如下:
1)该节点周围邻居节点的个数K大于等于n(通常取大于3的整数);
2)
L0:为该节点与所有邻居节点的平均距离;
k:为该节点邻居节点的个数;
Li:为该节点第i个邻居节点与其自身所有邻居节点的平均距离;
ACK:ACK信号是邻居节点发出的回复信号,具体包含以下内 容:
用户自身标示 | 平均距离 |
ID | L0 |
通过上述步骤即可得到支撑节点相关信息,判断支撑节点之后支撑节点利用TPSN同步协议与邻居节点同步,完成局部群的构建。
2、预同步部分
(1)节点发起搜索功能,同时开启最大搜索维持时限计时器T1,判断自身是否为支撑节点,是则与邻居节点同步并构建局部群,紧接着局部群搜索邻近一跳范围内是否有支撑节点,有则与之合并为广义局部群并同步同时转入步骤2,无则只在单跳范围内与之同步并转入第二步步骤2;没有任何搜索回复信号则判断自身为孤立节点,等待下一轮搜索,最大搜索维持时限计时器T1满时,重复步骤1;第一步流程图如图3所示。
(2)源端发起同步,目的节点在源端所在广义局部群、局部群内部时,直接用洪泛指令传达方式构建同步接通链路,目的节点不在内部时内部仍然采用洪泛指令传达方式构建同步接通链路,广义局部群、局部群之间则采用标准洪泛式同步方法构建同步链路,直到和目的端构建完整的同步链路,在此过程中,网络中任何节点在收到洪泛传达指令或者标准洪泛同步信号时则暂停开启最大搜索维持时限计时器T1,开启另一个链路维持计数器T2,收到新的洪泛传达指令或者标准洪泛同步信号时,链路维持计数器T2清零,重新开始计时,直到时间T2内收不到任何新的洪泛传达指令或者标准洪泛同步信号 时,继续开启最大搜索维持时限计时器T1,这一过程不断中断,直到开启最大搜索维持时限计时器T1满时,回到步骤1;在没有收到目的端回传的同步信息之前,源端以T3(T2>T3)为周期周期性的发送同步指令,直到在T2时间内收到目的端回传信号,则开启已同步链路维持计数器T4,计时器T2挂起,同时转入步骤3;否则继续开启最大搜索维持时限计时器T1,当超过这一轮搜索最大时限时,回到步骤1;
(3)同步进入维持阶段,在每一个t(很小)内有数据传递则挂起T4,否则继续T4,T4满则继续T2,有中断时T2清零,直到T2满则继续T1,T1满则转入步骤1;第二三步流程图如图4所示。3、源端和目的端的同步方式
由于预同步过程生成了支撑节点,这时可以根据节点是否为支撑节点来为每一个相邻节点链路赋予权值,相邻节点的链路权值由同步方式(链路两段节点至少有一个是支撑节点则采用含支撑节点的分布式同步方式,否则采用树形分簇同步方式)和链路距离来衡量,那么,当源端发起同步请求时,第一跳权值最小的链路作为同步信令传达链路,以后依次类推,最终找到目的节点则同步成功;找不到目的节点同步失败;或者超过最大延时范围还得不到回复同步失败。
下面是仿真参数说明:
无蜂窝覆盖区域用户数为10时,仿真结果如图5、6、7、8所示;
无蜂窝覆盖区域用户数为40时,仿真结果如图9、10、11、12所示;
延时增益(增益用的是树形算法比上新算法取对数的结果)仿真结果如图13所示。
从仿真结果可以看出,含支撑节点的混合式同步算法比经典树形算法在延时方面具有良好的增益,这是由于支撑节点起到的预同步效果,但是随着用户数目的增加,增益不会一直增加,这时网络信令之间的冲突阻塞作用加剧,延时会相应增加,此时的增益会有所下降;精度方面,由于精度和延时具有一定的制约作用,新算法相比树形算法在精度方面优势不明显,但是仍在系统误差允许范围内,具有实际应用能力;跳数方面,树形算法采用的是最小跳数的算法,虽然新算法跳数会比树形算法多,但新算法侧重延时最小作为评判标准,所以上述仿真验证本发明是成功的、可信的。
附图说明
图1为局部集中化同步算法示意图
图2为网络中的节点描述图
图3为预同步步骤的第一步流程图
图4为预同步步骤的第二、三步流程图
图5为无蜂窝覆盖区域用户数为10时的仿真结果
图6为无蜂窝覆盖区域用户数为10时的撒点图
图7为无蜂窝覆盖区域用户数为10时的精度仿真结果
图8为无蜂窝覆盖区域用户数为10时的延时仿真结果
图9为无蜂窝覆盖区域用户数为40时的仿真结果
图10为无蜂窝覆盖区域用户数为40时的撒点图
图11为无蜂窝覆盖区域用户数为40时的精度仿真结果
图12为无蜂窝覆盖区域用户数为40时的延时仿真结果
图13为延时增益随用户数N的变化曲线 。
Claims (5)
1.一种无蜂窝覆盖场景下含支撑节点的混合式同步方法,其特征在于,包括:
发起节点搜索,获取邻居节点的个数、各邻居节点到搜索功能发起节点的距离等数据,计算搜索功能发起节点到所有邻居节点的平均距离等数据,判断该节点是否为支撑节点;
通过预同步过程,生成支撑节点,并据此建立局部同步群或广义局部群;
根据节点是否为支撑节点,为每一个相邻节点链路赋予权值,当源端发起同步请求时,依次选择第一跳权值最小的链路作为同步信令传达链路,完成源端和目的端的同步。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,发起节点搜索,获取邻居节点的个数、各邻居节点到搜索功能发起节点的距离等数据,计算搜索功能发起节点到所有邻居节点的平均距离等数据,判断该节点是否为支撑节点,具体包括:
节点A广播搜索信号,邻居节点B收到信号后回复ACK信号,节点A根据ACK信号计算A,B节点间的距离LAB;
直到节点A得到所有的邻居节点距离信息数据组L,并通过这一数据得到节点A到所有邻居节点的平均距离L0;
每当最大搜索维持时限计时器T1满时,节点新的一轮搜索功能再次发起;
当邻居节点的个数大于等于4个并且该节点与所有邻居节点的平均距离小于任何一个邻居节点自身与其周围邻居节点的平均距离时,确认自己为支撑节点,否则为一般节点。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,通过预同步过程,生成支撑节点,并据此建立局部同步群或广义局部群,具体包括,
节点发起搜索功能,同时开启最大搜索维持时限计时器T1,判断自身是否为支撑节点,是则与邻居节点同步并构建局部同步群,紧接着局部群搜索邻近一跳范围内是否有支撑节点,有则与之合并为广义局部群并同步同时转入第二步,无则只在单跳范围内与之同步并转入第二步;没有任何搜索回复信号则判断自身为孤立节点,等待下一轮搜索,最大搜索维持时限计时器T1满时,重复以上步骤;
源端发起同步,目的节点在源端所在广义局部群、局部群内部时,直接用洪泛指令传达方式构建同步接通链路,目的节点不在广义局部群、局部群内部时内部仍然采用洪泛指令传达方式构建同步接通链路,广义局部群、局部群之间则采用标准洪泛式同步方法构建同步链路,直到和目的端构建完整的同步链路,在此过程中,网络中任何节点在收到洪泛传达指令或者标准洪泛同步信号时则暂停开启最大搜索维持时限计时器T1,开启另一个链路维持计数器T2,收到新的洪泛传达指令或者标准洪泛同步信号时,链路维持计数器T2清零,重新开始计时,直到时间T2内收不到任何新的洪泛传达指令或者标准洪泛同步信号时,继续开启最大搜索维持时限计时器T1,这一过程不断中断,直到最大搜索维持时限计时器T1满时,回到上一步骤;在没 有收到目的端回传的同步信息之前,源端以T3(T2>T3)为周期周期性的发送同步指令,直到在T2时间内收到目的端回传信号,则开启已同步链路维持计数器T4,计时器T2挂起,同时转入下一步;否则继续开启最大搜索维持时限计时器T1,当超过这一轮搜索最大时限时,回到上一步骤;
同步进入维持阶段,在每一个很短时间t内有数据传递则挂起T4,否则继续T4,T4满则继续T2,有中断时T2清零,直到T2满则继续T1,T1满则转入第一步。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,根据节点是否为支撑节点,为每一个相邻节点链路赋予权值,当源端发起同步请求时,依次选择第一跳权值最小的链路作为同步信令传达链路,完成源端和目的端的同步,具体包括:
根据节点是否为支撑节点,为每一个相邻节点链路赋予权值,相邻节点的链路权值由同步方式和链路距离来衡量;
当源端发起同步请求时,第一跳权值最小的链路作为同步信令传达链路,以后依次类推,最终找到目的节点则同步成功,找不到目的节点同步失败,或者超过最大延时范围还得不到回复同步失败。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于,相邻节点的同步方式:链路两端节点至少有一个是支撑节点,则采用含支撑节点的分布式同步方式,否则采用树形分簇同步方式。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |