CN108322932B - 基于csma-tdma的无线自组织网络节点同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于CSMA‑TDMA的无线自组织网络节点同步方法，包括以下步骤：1)将整个时间轴以超帧为单位进行划分，每个超帧包含一个CSMA帧和N‑1个TDMA帧，其中在CSMA帧完成节点间同步和邻居节点发现；在TDMA帧完成数据传输；2)CSMA帧划分为同步子帧和随机接入子帧，其中，节点在同步子帧完成同步包的发送和接收，结合本地时钟实现网络定时同步；随机接入子帧完成邻居节点发现以及节点之间测距；3)每个TDMA帧由M个时隙组成，在TDMA帧内分为两种逻辑信道：广播信道和业务信道。该方法解决已有方法网络效率低下、难以实现网络自同步的问题。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于CSMA-TDMA的无线自组织网络节点同步方法。
背景技术
随着无线通信技术的发展，无线自组织网络(Ad Hoc)由于不依靠固定的通信基础设施逐渐成为研究的热门。然而，无线自组织网络在具有很高的灵活性的同时也存在很多问题，如网络效率低下、邻居发现困难、难以实现节点间同步等。
2007年，在IEEE International Workshop on Anti-Counterfeiting,Security,Identification上发表的题为A Slot Synchronous Method and Performance Analysisof TDMA Ad Hoc Network的文章提出了一种基于TDMA的时隙同步算法，该算法利用邻居节点之间的时隙差来调整本地时隙参考。2012年，发表在International Symposium onModeling&Optimization in Mobile上的题为On Optimizing CSMA for Wide Area Ad-hoc Networks的文章提出了一种优化CSMA的方法，该方法通过将功率设置为与链路增益的平方成反比来提高系统的吞吐量。2014年7月IEEE Transactions On InformationTheory，VOL.60，NO.7上发表的题为Spatial Reuse and Fairness of Ad Hoc NetworksWith Channel-Aware CSMA Protocols的文章提出了基于信道感知的CSMA协议，文章中提出了两种新的协议：时隙CSMA协议和基于分位数的CSMA协议(QT-CSMA)。第一篇文章提及的时隙同步算法实现了邻居节点之间的局部时隙同步，但是效率太低；后两种方法都是基于CSMA的接入方案，系统资源利用率太低，因此都不能很好满足实际应用需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于CSMA-TDMA的无线自组织网络节点同步方法，解决已有方法网络效率低下、难以实现网络自同步的问题。
为了实现上述目的，本发明包括如下内容：
一种基于CSMA-TDMA的无线自组织网络节点同步方法，包括以下步骤：
1)将整个时间轴以超帧为单位进行划分，每个超帧包含一个CSMA帧和N-1个TDMA帧，其中在CSMA帧完成节点间同步和邻居节点发现；在TDMA帧完成数据传输；
2)CSMA帧划分为同步子帧和随机接入子帧，其中，节点在同步子帧完成同步包的发送和接收，结合本地时钟实现网络定时同步；随机接入子帧完成邻居节点发现以及节点之间测距；
a)同步子帧划分为m个时隙，每个时隙供一个用户以时隙Aloha的形式发送同步包，同步包的发送对齐到时隙起始时刻；
b)随机接入子帧以CSMA/CA的形式接入网络进行节点间测距；
3)每个TDMA帧由M个时隙组成，在TDMA帧内分为两种逻辑信道：广播信道和业务信道；
a)广播信道用于传输网络控制信息和上层业务中的广播数据包，在发送端进行时隙对齐发送；
b)业务信道用于传输上层业务数据包，在发送端通过提前发送实现在接收端时隙对齐。
作为本发明的进一步改进，节点角色分为临时协调节点和普通节点两种，默认的节点角色为普通节点；所有节点开机后默认的同步状态为未同步，开机之后需要侦听一段时间，这段时间称为静默期；CSMA帧完成节点间同步之后，节点可进入TDMA帧进行数据传输。
作为本发明的进一步改进，节点在CSMA帧内的具体步骤如下：
1)节点在未同步状态时处于同步初始阶段，其工作过程如下：
1a)节点在QP期间持续侦听信道，
i.如果节点在QP之内收到同步包，则标记节点角色为普通节点，并转1b)；
ii.如果节点在QP之内没有收到同步包，则标记节点角色为临时协调节点，并标记同步状态为已同步；
1b)节点收到同步包后，在测距窗口内进行测距，测距窗口处于随机接入子帧内，长度小于随机接入子帧；
i.如果发起测距的节点在规定的时间内未收到测距响应，则认为测距失败；如果发起测距的节点在规定的时间内收到测距响应，则认为测距成功；节点在测距窗口内测距失败则最多可连续进行P次测距，如果P次测距均失败，则转到a)；
ii.测距成功的节点根据测距结果和同步信息调整本地时间，标记节点为已同步状态；
2)所有已同步的节点处于同步维持阶段，其在同步子帧的工作过程如下：
2a)如果是临时协调节点，将在时隙0发送同步包；
2b)如果是普通节点，
i.如果同步状态为已同步，节点在时隙1～m-1随机选择一个时隙发送同步包，其余时隙节点保持侦听状态；
ii.如果同步状态是同步超时，节点在整个同步子帧内保持侦听状态；
2c)如果节点在侦听期间接收到同步包，则查找用户信息表，如果表中同步包源节点对应的表项无效，则将该表项置为有效，更新该同步包源节点的MAC地址；
i.如果对同步包源节点的测距信息有效，则直接进行同步；
ii.如果对同步源节点的测距信息无效，则标记该节点信息为等待测距；
3)同步维持阶段的节点在随机接入子帧的工作过程如下：
3a)遍历用户信息表，对所有处于等待测距状态的节点依次发起测距，
i.如果测距成功，则更新用户信息表，标记节点为测距信息有效，如果被测距的节点是最近一次收到同步包的源节点，则利用该测距结果和同步信息调整本地时钟进行时隙同步；
ii.如果测距失败，则转b)；
3b)随机退避一段时间，如果随机接入子帧还未结束，转到3a)。
作为本发明的进一步改进，在同步过程中同时实现了节点的邻居发现，在同步过程中同步到网络中的节点定期发送同步包，收到同步包的节点通过相互测距确定彼此位置信息。
作为本发明的进一步改进，节点在TDMA帧进行以下传输过程：
1)广播信道数据传输时，发送节点根据同步结果在发送端对齐到时隙起始时刻进行发送；
2)业务信道数据传输时，发送节点首先根据测距结果计算传输时延，然后以时延大小为提前量在时隙起始时刻之前进行发送。
作为本发明的进一步改进，节点之间测距的具体实施方法如下：
1)节点S向节点R发起测距，节点S在MAC层发送测距请求包(RRQ)，记录发送时刻ts；
2)节点R在MAC层收到RRQ后，延迟一个固定的时间Td发送测距响应包(RRS)；
3)节点S在MAC层收到RRS之后记录接收时刻tr；
4)传输时延Tp＝(tr-ts-TRRQ-TRRS-Td)/2，其中，TRRQ和TRRS分别是RRQ和RRS的持续期；
5)距离d＝Tp·c，c＝3×108m/s表示电磁波的传播速度。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：
本发明的无线自组织网络节点同步方法，可以在不依赖外部全局时钟/位置信息的条件下实现全网节点同步。本发明将CSMA和TDMA相结合相比单纯的CSMA能够有效提高系统效率和吞吐量，相比单纯的TDMA方法，能够降低邻居发现的复杂度，提高邻居发现的效率，同时能够降低TDMA接入方案对外部时钟的依赖性。
附图说明
图1是本方法中超帧的基本结构；
图2是本方法同步初始阶段的调度过程示意图；
图3是本方法同步完成后的CSMA帧调度过程；
图4是本方法测距过程示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明原理及优势进行解释和说明，以便本领域技术人员更好的理解本发明。下述说明仅是示例性的，并不对其内容进行限定。
一种基于CSMA-TDMA的无线自组织网络节点同步方法，具体步骤如下：
1)将整个时间轴以超帧为单位进行划分，每个超帧包含一个CSMA帧(第0帧)和N-1个TDMA帧(第1～N-1帧)，其中在CSMA帧完成节点间同步和邻居节点发现；在TDMA帧完成数据传输；
2)CSMA帧划分为同步子帧和随机接入子帧。其中，节点在同步子帧完成同步包的发送和接收，结合本地时钟实现网络定时同步；随机接入子帧完成邻居节点发现以及节点之间测距。
a)同步子帧划分为m个时隙，每个时隙可供一个用户以时隙Aloha的形式发送同步包，同步包的发送对齐到时隙起始时刻；
b)随机接入子帧以CSMA/CA的形式接入网络进行节点间测距；
3)每个TDMA帧由M个时隙组成(编号为0～M-1)，时隙是MAC层资源调度的最小单位。在TDMA帧内分为两种逻辑信道：广播信道和业务信道。
a)广播信道用于传输网络控制信息和上层业务中的广播数据包，在发送端进行时隙对齐发送；
b)业务信道用于传输上层业务数据包，在发送端通过提前发送实现在接收端时隙对齐。
超帧的基本结构如图1所示。在具体的节点同步实施方案中，使用3种主要的包结构，分别是同步包(SYNC)、测距请求包(RRQ)、测距响应包(RRS)。
节点角色分为临时协调节点和普通节点两种，默认的节点角色为普通节点。所有节点开机后默认的同步状态为未同步，开机之后需要侦听一段时间，这段时间称为静默期(QP)。CSMA帧完成节点间同步之后，节点可进入TDMA帧进行数据传输。
首先，同步包的发送应该遵循几个基本规则：
-同步包的长度应小于一个时隙的长度；
-临时协调节点在同步子帧的0时隙发送同步包；
-普通节点建立同步之后，以“概率p-坚持”时隙Aloha的方式发送同步包，在一个超帧内每个节点最多发送一个同步包；
-同步包中包含节点发送同步包时距离本次超帧起始时刻的偏移时间、同步源节点MAC地址与同步级别等，收到同步包的节点根据这些参数调整本地同步信息；
在此基础上，节点在CSMA帧内的具体工作步骤如下：
1)节点在未同步状态时处于同步初始阶段，其工作过程如图2所示，具体细节如下：
a)节点在QP期间持续侦听信道，
i.如果节点在QP之内收到同步包，则标记节点角色为普通节点，并转b)；
ii.如果节点在QP之内没有收到同步包，则标记节点角色为临时协调节点，并标记同步状态为已同步；
b)节点收到同步包后，在测距窗口内进行测距，测距窗口处于随机接入子帧内，长度小于随机接入子帧；
i.如果发起测距的节点在规定的时间内未收到测距响应，则认为测距失败；如果发起测距的节点在规定的时间内收到测距响应，则认为测距成功；节点在测距窗口内测距失败则最多可连续进行P次测距，如果P次测距均失败，则转到a)；
ii.测距成功的节点根据测距结果和同步信息调整本地时间，标记节点为已同步状态；
2)所有已同步的节点处于同步维持阶段，如图3所示，其在同步子帧的工作过程如下：
a)如果是临时协调节点，将在时隙0发送同步包；
b)如果是普通节点，
i.如果同步状态为已同步，节点在时隙1～m-1随机选择一个时隙发送同步包，其余时隙节点保持侦听状态；
ii.如果同步状态是超时，节点在整个同步子帧内保持侦听状态；
c)如果节点在侦听期间接收到同步包，则查找用户信息表，如果表中同步包源节点对应的表项无效，则将该表项置为有效，更新该同步包源节点的MAC地址；
i.如果对同步包源节点的测距信息有效，则直接进行同步；
ii.如果对同步源节点的测距信息无效，则标记该节点信息为等待测距；
3)同步维持阶段的节点在随机接入子帧的工作过程如下：
a)遍历用户信息表，对所有处于等待测距状态的节点依次发起测距，
i.如果测距成功，则更新用户信息表，标记节点为测距信息有效，如果被测距的节点是最近一次收到同步包的源节点，则利用该测距结果和同步信息调整本地时钟进行时隙同步；
ii.如果测距失败，则转b)；
b)随机退避一段时间，如果随机接入子帧还未结束，转到a)；
所述方法在同步过程中同时实现了节点的邻居发现，在同步过程中同步到网络中的节点定期发送同步包，收到同步包的节点通过相互测距确定彼此位置信息，同步过程收集的邻居节点信息包括节点ID，节点位置信息(距离)等。在此基础上，节点在TDMA帧进行以下传输过程：
1)广播信道数据传输时，发送节点根据同步结果在发送端对齐到时隙起始时刻进行发送；
2)业务信道数据传输时，发送节点首先根据测距结果计算传输时延，然后以时延大小为提前量在时隙起始时刻之前进行发送，以保证数据包在接收端对齐到时隙起始时刻。
如图4所示，在所述方案下，节点之间测距的具体实施方法如下：
1)节点S向节点R发起测距，节点S在MAC层发送测距请求包(RRQ)，记录发送时刻ts；
2)节点R在MAC层收到RRQ后，延迟一个固定的时间Td发送测距响应包(RRS)；
3)节点S在MAC层收到RRS之后记录接收时刻tr；
4)传输时延Tp＝(tr-ts-TRRQ-TRRS-Td)/2，其中，TRRQ和TRRS分别是RRQ和RRS的持续期；
5)距离d＝Tp·c，c＝3×108m/s表示电磁波的传播速度。
另外，本发明的上述实施方式为实施例，具有与本发明的权利要求书的技术思想使之相同的方法并发挥相同作用效果的技术方案，均包含在本发明内。
Claims (4)
1.一种基于CSMA-TDMA的无线自组织网络节点同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将整个时间轴以超帧为单位进行划分，每个超帧包含一个CSMA帧和N-1个TDMA帧，其中在CSMA帧完成节点间同步和邻居节点发现；在TDMA帧完成数据传输；
2)CSMA帧划分为同步子帧和随机接入子帧，其中，节点在同步子帧完成同步包的发送和接收，结合本地时钟实现网络定时同步；随机接入子帧完成邻居节点发现以及节点之间测距；
a)同步子帧划分为m个时隙，每个时隙供一个用户以时隙Aloha的形式发送同步包，同步包的发送对齐到时隙起始时刻；
b)随机接入子帧以CSMA/CA的形式接入网络进行节点间测距；
3)每个TDMA帧由M个时隙组成，在TDMA帧内分为两种逻辑信道：广播信道和业务信道；
a)广播信道用于传输网络控制信息和上层业务中的广播数据包，在发送端进行时隙对齐发送；
b)业务信道用于传输上层业务数据包，在发送端通过提前发送实现在接收端时隙对齐；
节点角色分为临时协调节点和普通节点两种，默认的节点角色为普通节点；所有节点开机后默认的同步状态为未同步，开机之后需要侦听一段时间，这段时间称为静默期；CSMA帧完成节点间同步之后，节点可进入TDMA帧进行数据传输；
节点在CSMA帧内的具体步骤如下：
1)节点在未同步状态时处于同步初始阶段，其工作过程如下：
1a)节点在QP期间持续侦听信道，
i.如果节点在QP之内收到同步包，则标记节点角色为普通节点，并转1b)；
ii.如果节点在QP之内没有收到同步包，则标记节点角色为临时协调节点，并标记同步状态为已同步；
1b)节点收到同步包后，在测距窗口内进行测距，测距窗口处于随机接入子帧内，长度小于随机接入子帧；
i.如果发起测距的节点在规定的时间内未收到测距响应，则认为测距失败；如果发起测距的节点在规定的时间内收到测距响应，则认为测距成功；节点在测距窗口内测距失败则最多可连续进行P次测距，如果P次测距均失败，则转到a)；
ii.测距成功的节点根据测距结果和同步信息调整本地时间，标记节点为已同步状态；
2)所有已同步的节点处于同步维持阶段，其在同步子帧的工作过程如下：
2a)如果是临时协调节点，将在时隙0发送同步包；
2b)如果是普通节点，
i.如果同步状态为已同步，节点在时隙1～m-1随机选择一个时隙发送同步包，其余时隙节点保持侦听状态；
ii.如果同步状态是同步超时，节点在整个同步子帧内保持侦听状态；
2c)如果节点在侦听期间接收到同步包，则查找用户信息表，如果表中同步包源节点对应的表项无效，则将该表项置为有效，更新该同步包源节点的MAC地址；
i.如果对同步包源节点的测距信息有效，则直接进行同步；
ii.如果对同步源节点的测距信息无效，则标记该节点信息为等待测距；
3)同步维持阶段的节点在随机接入子帧的工作过程如下：
3a)遍历用户信息表，对所有处于等待测距状态的节点依次发起测距，
i.如果测距成功，则更新用户信息表，标记节点为测距信息有效，如果被测距的节点是最近一次收到同步包的源节点，则利用该测距结果和同步信息调整本地时钟进行时隙同步；
ii.如果测距失败，则转b)；
3b)随机退避一段时间，如果随机接入子帧还未结束，转到3a)。
2.根据权利要求1所述的一种基于CSMA-TDMA的无线自组织网络节点同步方法，其特征在于，在同步过程中同时实现了节点的邻居发现，在同步过程中同步到网络中的节点定期发送同步包，收到同步包的节点通过相互测距确定彼此位置信息。
3.根据权利要求2所述的一种基于CSMA-TDMA的无线自组织网络节点同步方法，其特征在于，节点在TDMA帧进行以下传输过程：
1)广播信道数据传输时，发送节点根据同步结果在发送端对齐到时隙起始时刻进行发送；
2)业务信道数据传输时，发送节点首先根据测距结果计算传输时延，然后以时延大小为提前量在时隙起始时刻之前进行发送。
4.根据权利要求1所述的一种基于CSMA-TDMA的无线自组织网络节点同步方法，其特征在于，节点之间测距的具体实施方法如下：
1)节点S向节点R发起测距，节点S在MAC层发送RRQ，记录发送时刻ts；
1)节点R在MAC层收到RRQ后，延迟一个固定的时间Td发送RRS；
2)节点S在MAC层收到RRS之后记录接收时刻tr；
3)传输时延Tp＝(tr-ts-TRRQ-TRRS-Td)/2，其中TRRQ和TRRS分别是RRQ和RRS的持续期；
4)距离d＝Tp·c，c＝3×108m/s。
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