CN106972905B - 一种基于波束成形天线的时间同步方法 - Google Patents

一种基于波束成形天线的时间同步方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于波束成形天线的时间同步方法，该方法包括：根节点选举阶段，系统选择连接性最大节点作为网络根节点；同步阶段，根节点的邻居节点与根节点成对同步，同步后再作为参考节点向外传播同步信息，最终达到全网同步。与现有技术相比，本发明可以高效解决波束成形天线网络的时间同步问题，解决了波束成形天线多跳网络时间同步问题，提升同步稳定性，同时降低了通信开销。

Description

一种基于波束成形天线的时间同步方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其是涉及一种基于波束成形天线的时间同步方法。
背景技术
伴随着移动互联网的蓬勃发展，人们对于无线通信技术的依赖逐渐增加，为了保障通信可靠性以及提供更好的用户体验，无线通信技术研究现阶段的主要发力点是保障无线网络协议性能以及优化适应移动互联通信等方面，从而使通信技术为人类提供更便捷的服务。
传统的无线网络大部分都是依赖中心基站的网络，GSM、3G到4G的不断更新迭代，它们都有中心基站，需要在预设的网络设施基础上才可正常运行。相比较基于中心基础设施的移动通信网络，分布式无线网络是由一系列地位平等的移动节点构成的自组织网络，具有更高的便捷性。集中式无线网络在一些环境下不能随时随地满足用户获取信息的需求，如复杂环境下运动物体情况监测，战术通信网络，以及大规模自然灾害后的救援和紧急服务等，而分布式网络可以在这些场景中给予补充，因此分布式网络日益频繁的出现在实际应用中。无线Ad Hoc网络作为一种无中心节点的分布式多跳网络，具有较强的抗毁性，鲁棒性以及快速建立起一个无需中心基础设施的移动通信网络的能力，极大的扩展了无线通信网络的应用领域。
天线在无线网络中负责节点通信与信息传播，对网络通信的性能有着极大的影响。无线通信主要依靠电磁波在自由空间传播，而信道环境复杂，多径效应等问题会制约通信质量，传统Ad Hoc网络都配备全向天线或定向天线，网络性能易受到影响。经过天线技术不断发展，波束成形天线作为一种强大的智能天线，具有截获率低，抗干扰能力强，空分复用等方面的优势，将其与无线分布式网络相结合可以提高网络性能。但波束成形天线带来性能提升的同时，也对网络同步，MAC层协议设计等方面造成了困难。
由于Ad Hoc网络常常应用于军事场景中，在某些情况下可能并不适合使用GPS等设备完成节点的定位与同步，但是一些Ad Hoc网络协议以及基于Ad Hoc网络的应用又亟需网络内节点时间基准相同或者时隙对齐。其次波束成形天线波束集中的特点也对分布式节点之间异步通信造成困难，因此设计一种解决配备波束成形天线的Ad Hoc网络节点时间同步问题的算法是富有挑战的。目前，虽然对于时间同步算法的研究非常多，但是并未有一种针对于波束成形天线的无线Ad Hoc网络的成熟的解决方案。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于波束成形天线的时间同步方法，解决了将波束成形天线引入到Ad Hoc网络中的通信问题，利用波束成形天线的优势完成网络时间同步与动态拓扑下的维护问题，从而使配备波束成形天线的Ad Hoc网络在实际场景中拥有良好的性能。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于波束成形天线的时间同步方法，该方法包括：
根节点选举阶段，系统选择连接性最大节点作为网络根节点；
同步阶段，根节点的邻居节点与根节点成对同步，同步后再作为参考节点向外传播同步信息，最终达到全网同步。
该方法具体包括以下步骤：
步骤A：根节点选举阶段，选举阶段分为全向发现与定向选举两个子过程，全向发现阶段波束成形天线工作在全向模式，此时天线间通过DOA估计得到邻居节点方向信息；定向选举过程天线工作在定向模式，节点通过全向阶段获得的邻居节点方向信息完成网络选举流程，将选举度最大的节点作为时间参考节点，并构建以参考节点为根的生成树层级网络；
步骤B：精同步阶段，网络已经存在时间参考节点，并成功构建以时间参考节点为根的层级网络，在此阶段中，时间参考节点处于接收状态，待同步节点处于发送状态，待同步节点按照生成树层级与时间参考节点通信，与时间参考节点完成同步的节点也作为时间参考节点向外传播时间信息，最终完成全网节点时间同步。
所述的步骤A具体包括以下子步骤：
步骤A1：全向发现过程，开始时，节点的天线设置成全向状态，各个节点都在一段时间内保持接收模式，接收模式结束后，节点广播一次训练序列；此后节点继续在一段时间内保持接收模式，不断重复此过程；节点通过发送接收训练序列发现邻居节点方向，若节点收到训练序列，其估计训练序列接收方向并从邻居节点方向信息表中检测该方向是否已经被发现，若是之前没有出现过的方向，节点更新方向信息表添加该方向信息；若该节点方向已经出现，此时节点不会重复更新方向信息；经过这一过程节点不断刷新邻居方向信息表，并得知天线来波方向进而获得邻居节点位置信息；
步骤A2：定向发现过程，初始状态下，节点都是异步并且无状态的，在每个周期开始时，节点随机选择收发模式，处于发送模式的节点在周期内会朝着一个方向持续发送选举数据包，数据包中包含发送节点ID与时间戳信息，发送节点本地保存的头节点信息与该头节点的度数，以及发送节点还有R值，其中R表示本周期内发送节点还有R个时隙进入接收时隙；
接收节点接收选举数据包后，在发送节点进入接收时隙后快速回复应答数据包，该同样应答数据包包含根节点选举信息，时间戳信息以及节点层级信息；
定向选举过程需要完成根节点选举，生成树层级构建以及节点粗同步三个过程，网络节点本地存储其所知的根节点ID，根节点度数及上一层级节点方向；接收节点接收并解析选举数据包，若其本地根节点度数小于数据包中根节点度数，则更新接收节点本地根节点ID与度数；若两者度数相同则选择ID更小的为根节点，接收节点更新根节点信息同时修改接收节点所在层级，即为发送节点层级加1，并设置发送节点为上一层级节点记录其方向。
所述的上一层级节点方向默认为邻居信息表中随机方向。
为了保证选举数据包与应答数据包长度相同，增加保留字段，用于传输扩展信息。
若选举数据包中时钟信息快于本地时钟则更新本地时钟信息。
所述的步骤B具体包括以下子步骤：
步骤B1：开始时，根节点被设置为接收状态，其余节点设置为发送状态，且发送节点的天线朝向上一层级节点方向，发送节点向上一层级邻居节点发送同步请求数据包，只有接收节点接收同步请求数据包并且快速回复应答数据包，发送节点根据请求数据包和应答数据包与时间参考节点同步并将自身设置为时间参考节点；
步骤B2：假设发送节点A向上一级节点发送同步请求数据包，同步请求数据包包含发送节点ID，发送数据包时间T1以及节点距进入接收时隙剩余时隙数R；
步骤B3：时间参考节点B在T2时刻接收发送节点A的同步请求数据包，等待R时隙直到发送节点A进入接收时隙后在T3时刻向其快速回复应答数据包，该应答数据包包含时间参考节点B的ID，时间参考节点B接收到发送节点A发送同步请求数据包时间T2以及时间参考节点B回复应答数据包时刻T3；
步骤B4：发送节点A在T4时刻接收时间参考节点B回复的应答数据包，发送节点A依据同步数据包与应答数据包中的时间信息与参考节点B完成精同步，发送节点A与时间参考节点B完成同步后，标识为时间参考节点，进入接收模式，继续向外传播时间信息，直到网络中所有节点都与参考节点同步为止。
假设发送节点A与时间参考节点B的时间偏差为Δ，由于双向交互消息的时间较短，因此认为在这段时间内两节点的偏差保持不变，假设双向消息交互的信息传输时延为d，则得出发送节点A与时间参考节点B的本地时间偏差与消息传输时延的表达式为：
其中，
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)针对波束成形天线的特性，设计了一种基于波束成形天线的异步时间扫描同步方法，该方法充分考虑波束成形天线可工作在全向和定向模式的特点，保证了算法的稳定性，同时在选举过程中完成粗同步与层级网络结构构建，有效降低同步阶段通信开销。本发明提出的时间同步算法不需要附加的GPS等外部设备。
2)本发明实现了同步算法同步阶段每周期完成同步节点个数必然增加，因此能够有效提高同步速率及降低通信开销。
附图说明
图1为定向选举过程周期与示意图；
图2为选举数据包的数据结构示意图；
图3为应答数据包的数据结构示意图；
图4为同步请求数据包数据格式示意图；
图5为双向同步时间交换示意图；
图6为同步应答数据包数据格式示意图；
图7为网格状固定拓扑示意图；
图8为不同选举策略选举阶段开销比较图；
图9为固定拓扑精同步阶段开销对比图；
图10为固定拓扑同步阶段误差对比；
图11为随机网络拓扑示意图；
图12为随机拓扑选举阶段通信开销示意图；
图13为随机拓扑精同步阶段开销示意图；
图14为同步阶段节点间误差与最大误差对比图。
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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明基于波束成形天线的时间同步方法，具体如下：
步骤A：选举阶段。选举阶段分为全向发现与定向选举两个子过程，全向发现阶段波束成形天线工作在全向模式，此时天线间通过DOA估计得到邻居节点方向信息，定向选举过程天线工作在定向模式，节点通过全向阶段获得的邻居节点方向信息完成网络选举流程。时间参考节点选举过程优化FTSP的选举逻辑，选举度最大的节点作为时间参考节点，选举参考节点同时节点与网络中时间最快的节点同步，并构建以参考节点为根的生成树层级网络。
步骤B：精同步阶段。网络已经存在时间参考节点，并成功构建以参考节点为根的层级网络。在此阶段中，参考节点处于接收状态，待同步节点处于发送状态。待同步节点按照生成树层级与参考节点通信，与参考节点完成同步的节点也作为参考节点向外传播时间信息，最终完成全网节点时间同步。
选举阶段，所述的步骤A包括如下步骤：
步骤A1：全向发现过程。开始时，开始，节点的天线设置成全向状态，各个节点都在一段时间内保持接收模式。接收模式结束后，节点广播一次训练序列。此后节点继续在一段时间内保持接收模式，不断重复此过程。节点通过发送接收训练序列发现邻居节点方向，若节点收到训练序列，它估计训练序列接收方向并从邻居节点方向信息表中检测该方向是否已经被发现，若是之前没有出现过的方向，节点更新方向信息表添加该方向信息；若该节点方向已经出现，此时节点不会重复更新方向信息。经过这一过程节点可以不断刷新邻居方向信息表，但此过程无法获得节点具体信息，仅可得知天线来波方向进而获得邻居节点位置信息。
步骤A2：定向发现过程。初始状态下，节点都是异步并且无状态的，在每个周期开始时，节点随机选择收发模式，不同收发模式的节点时隙安排可如图1所示。处于发送模式的节点在周期内会朝着一个方向持续发送选举数据包，选举数据包的数据结构如图2所示，选举数据包中包含发送节点ID与时间戳信息，发送节点本地保存的头节点信息与该头节点的度数，以及发送节点还有R值，其中R表示本周期内发送节点还有R个时隙进入接收时隙。
接收节点接收选举数据包后，在发送节点进入接收时隙后快速回复应答数据包，应答数据包结构如图3所示，同样包含根节点选举信息，时间戳信息以及节点层级信息。此外为了保证选举数据包与应答数据包长度相同，增加保留字段，可以用于传输扩展信息。
定向选举过程需要完成根节点选举，生成树层级构建以及节点粗同步三个过程，处理流程较为复杂，此处单独说明。网络节点本地存储其所知的根节点ID，根节点度数及上一层级节点方向(默认为邻居信息表中随机方向)。接收节点接收解析选举数据包，若其本地根节点度数小于数据包中根节点度数，则更新接收节点本地根节点ID与度数；若两者度数相同则比较选择ID更小的为根节点；接收节点更新根节点信息同时修改接收节点所在层级，即为发送节点层级加1，并设置发送节点为上一层级节点记录其方向。此外若数据包中时钟信息快于本地时钟则更新本地时钟信息。
优选地，精同步阶段，所述的步骤B包括如下步骤：
步骤B1：开始时，根节点被设置为接收状态，其余节点设置为发送状态，且发送节点的天线朝向上一层级节点方向。发送节点向上一层级邻居节点发送同步请求数据包，只有接收节点可以接收同步请求数据包并且快速回复应答数据包。发送节点根据请求数据包和应答数据包与参考节点同步并将自身设置为参考节点。
步骤B2：假设发送节点A向上一级节点发送同步请求数据包，数据格式如图5所示，同步请求数据包包含发送节点ID，发送数据包时间T1以及节点距进入接收时隙剩余时隙数R。
步骤B3：时间参考节点B在T2时刻接收发送节点A的同步请求数据包，等待R时隙直到节点A进入接收时隙后在T3时刻向其快速回复应答数据包，时间参考节点返回的应答数据包格式如图6所示。应答数据包包含参考节点B的ID，节点B接收到节点A发送同步请求数据包时间T2以及节点B回复应答数据包时刻T3。
步骤B4：发送节点A在T4时刻接收参考节点B回复的应答数据包，发送节点A依据同步数据包与应答数据包中的时间信息按以下公式的方式与参考节点B完成精同步。发送节点A与参考节点B完成同步后，标识为参考节点，进入接收模式，继续向外传播时间信息，直到网络中所有节点都与参考节点同步为止。
假设节点A与节点B的时间偏差为Δ，由于双向交互消息的时间较短，因此认为在这段时间内两节点的偏差保持不变，假设双向消息交互的信息传输时延为d，则可以得出节点A与节点B的本地时间偏差与消息传输时延的表达式为：
其中，
具体实施例：
仿真中节点都配备独立的时钟，时钟晶振为1ppm，分别对固定结构拓扑与随机结构拓扑进行仿真，网络中的节点从10个节点到50个节点。网络节点都预分配唯一ID，具体仿真参数如表1所示。
表1时间同步算法仿真参数设置
分别对时间同步过程中的开销与同步误差进行仿真分析，由于时间同步算法没有估计时钟漂移，需要周期性的重新同步，同时计算了网络重新同步的同步周期。此外，为了证明基于波束成形天线的异步时间扫描同步算法的有效性，我们分别选择网格状拓扑和随机网络拓扑两种不同的网络拓扑来进行算法验证仿真，进而分析时间同步算法的同步误差与同步开销。
(1)：固定拓扑结构仿真分析：在下图所示的网格状拓扑中，节点6为网络根节点，节点0为ID最小的节点，相邻节点之间的距离为1000米，每个节点的通信范围为1000米，因此每个节点可以与四周相邻节点通信。在这样的拓扑下，分别对选举阶段不同选举方式开销，精同步阶段不同参考节点开销，精同步误差三个方面进行仿真实验。结果如图8所示。
图9为选举阶段网格状拓扑中不同网络规模下采用不同选举策略的开销比较图。从图中可以看出随网络规模增加，采用最大连接性节点作中心节点其通信开销小于以最小ID节点作中心节点的开销，在选举阶段中选举拥有最大度的节点作为中心节点能够更快将信息传播出去。此外在规则网络拓扑结构中，最小ID节点都在网络边缘，而最大节点度更靠近网络中心，所以规则拓扑下最大度节点作为中心节点的开销更小。
选举阶段采用不同的选举策略对精同步开销影响也不相同，如图9，当选举阶段选举最大连接性节点作为参考节点，并且选举的同时构建以参考节点为根节点的生成树层级网络时，精同步阶段时完成每一轮同步节点个数都是极优的，因此其开销最小。
本发明提出异步时间扫描同步算法根本目的是解决多跳定向网络同步问题同时减小网络节点同步误差，图10分别计算了同步完成后节点与根节点最大时钟偏差与网络节点时间误差，可以看出，随着网络规模的增加，同步误差也在增加，这是层级网络同步不可避免的问题，随着节点规模增加，网络跳数也不断增加，所以同步误差也是递增的。
(2)：随机拓扑仿真分析：本发明所述的时间同步算法可以很好的解决固定网格状网络拓扑的同步问题，但是现实生活中，由于无线分布式网络的特殊性，其网络拓扑一般都是随机结构，接下来本章节将针对随机网络拓扑仿真算法开销以及同步误差进行仿真，随机网络拓扑如图11所示，ID为25的节点为网络根节点。
图12-13分别仿真了选举阶段与精同步阶段的通信开销，从图中可见随机网络拓扑的通信开销与固定网络拓扑通信开销大致趋势保持一致。在选举阶段中，当网络规模为40个节点时，最小ID节点作为网络根节点的选举开销相比较最大度做根节点要小，这是因为此时最小ID节点更靠近网络中心，此时选举开销较小。同时在精同步阶段中，三种不同的选举阶段策略的通信开销趋势也保持一致，随着网络规模的增加，网络拓扑随机性的增加，采用生成树层级策略在精同步阶段的通信开销要远远小于选举阶段采用随机节点策略的通信开销。
本发明的同步算法依然可以达到比较高的同步精度。当网络规模为50个节点时，网络节点间最坏同步误差为8.4μs，而仿真实验的时隙宽度为1ms，可见本文提出的异步时间扫描同步算法可以有效的促进网络节点时隙对齐。
结果表明：本发明解决了波束成形天线多跳网络时间同步问题，提升同步稳定性。异步时间扫描算法充分利用了波束成形天线的优势，解决了定向条件下在网络中选取参考时间节点问题，并在选举根节点的同时完成以根节点为基准的生成树层级模型的构建，最终促使整个分布式网络节点时间同步，相较其他算法，具有优越性，达到很高的同步精度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于波束成形天线的时间同步方法，其特征在于，该方法包括：
根节点选举阶段，系统选择连接性最大节点作为网络根节点；
同步阶段，根节点的邻居节点与根节点成对同步，同步后再作为参考节点向外传播同步信息，最终达到全网同步；
该方法具体包括以下步骤：
步骤A：根节点选举阶段，选举阶段分为全向发现与定向选举两个子过程，全向发现阶段波束成形天线工作在全向模式，此时天线间通过DOA估计得到邻居节点方向信息；定向选举过程天线工作在定向模式，节点通过全向阶段获得的邻居节点方向信息完成网络选举流程，将选举度最大的节点作为时间参考节点，并构建以参考节点为根的生成树层级网络；
步骤B：精同步阶段，网络已经存在时间参考节点，并成功构建以时间参考节点为根的层级网络，在此阶段中，时间参考节点处于接收状态，待同步节点处于发送状态，待同步节点按照生成树层级与时间参考节点通信，与时间参考节点完成同步的节点也作为时间参考节点向外传播时间信息，最终完成全网节点时间同步；
所述的步骤A具体包括以下子步骤：
步骤A1：全向发现过程，开始时，节点的天线设置成全向状态，各个节点都在一段时间内保持接收模式，接收模式结束后，节点广播一次训练序列；此后节点继续在一段时间内保持接收模式，不断重复此过程；节点通过发送接收训练序列发现邻居节点方向，若节点收到训练序列，其估计训练序列接收方向并从邻居节点方向信息表中检测该方向是否已经被发现，若是之前没有出现过的方向，节点更新方向信息表添加该方向信息；若该节点方向已经出现，此时节点不会重复更新方向信息；经过这一过程节点不断刷新邻居方向信息表，并得知天线来波方向进而获得邻居节点位置信息；
步骤A2：定向发现过程，初始状态下，节点都是异步并且无状态的，在每个周期开始时，节点随机选择收发模式，处于发送模式的节点在周期内会朝着一个方向持续发送选举数据包，数据包中包含发送节点ID与时间戳信息，发送节点本地保存的头节点信息与该头节点的度数，以及发送节点还有R值，其中R表示本周期内发送节点还有R个时隙进入接收时隙；
接收节点接收选举数据包后，在发送节点进入接收时隙后快速回复应答数据包，该应答数据包包含根节点选举信息，时间戳信息以及节点层级信息；
定向选举过程需要完成根节点选举，生成树层级构建以及节点粗同步三个过程，网络节点本地存储其所知的根节点ID，根节点度数及上一层级节点方向；接收节点接收并解析选举数据包，若其本地根节点度数小于数据包中根节点度数，则更新接收节点本地根节点ID与度数；若两者度数相同则选择ID更小的为根节点，接收节点更新根节点信息同时修改接收节点所在层级，即为发送节点层级加1，并设置发送节点为上一层级节点记录其方向。
2.根据权利要求1所述的一种基于波束成形天线的时间同步方法，其特征在于，所述的上一层级节点方向默认为邻居信息表中随机方向。
3.根据权利要求1所述的一种基于波束成形天线的时间同步方法，其特征在于，为了保证选举数据包与应答数据包长度相同，增加保留字段，用于传输扩展信息。
4.根据权利要求1所述的一种基于波束成形天线的时间同步方法，其特征在于，若选举数据包中时钟信息快于本地时钟则更新本地时钟信息。
5.根据权利要求1所述的一种基于波束成形天线的时间同步方法，其特征在于，所述的步骤B具体包括以下子步骤：
步骤B1：开始时，根节点被设置为接收状态，其余节点设置为发送状态，且发送节点的天线朝向上一层级节点方向，发送节点向上一层级邻居节点发送同步请求数据包，只有接收节点接收同步请求数据包并且快速回复应答数据包，发送节点根据请求数据包和应答数据包与时间参考节点同步并将自身设置为时间参考节点；
步骤B2：假设发送节点A向上一级节点发送同步请求数据包，同步请求数据包包含发送节点ID，发送数据包时间T1以及节点距进入接收时隙剩余时隙数R；
步骤B3：时间参考节点B在T2时刻接收发送节点A的同步请求数据包，等待R时隙直到发送节点A进入接收时隙后在T3时刻向其快速回复应答数据包，该应答数据包包含时间参考节点B的ID，时间参考节点B接收到发送节点A发送同步请求数据包时间T2以及时间参考节点B回复应答数据包时刻T3；
步骤B4：发送节点A在T4时刻接收时间参考节点B回复的应答数据包，发送节点A依据同步数据包与应答数据包中的时间信息与参考节点B完成精同步，发送节点A与时间参考节点B完成同步后，标识为时间参考节点，进入接收模式，继续向外传播时间信息，直到网络中所有节点都与参考节点同步为止。
6.根据权利要求5所述的一种基于波束成形天线的时间同步方法，其特征在于，假设发送节点A与时间参考节点B的时间偏差为Δ，由于双向交互消息的时间较短，因此认为在这段时间内两节点的偏差保持不变，假设双向消息交互的信息传输时延为d，则得出发送节点A与时间参考节点B的本地时间偏差与消息传输时延的表达式为：
其中，
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