CN112020134B - 一种适用于移动自组织网络的同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于移动自组织网络的同步方法，网络内的所有节点均分配有专属的同步时隙，所述同步时隙包括同步请求子时隙和同步应答子时隙；新入网节点首先进行初始同步，并在所述初始同步完成后进行精确同步；在所述初始同步阶段，网络节点侦听邻居节点的同步信息帧，确定节点类型，并根据所述同步信息帧初始化节点类型和同步信息；在所述精确同步阶段，根节点在其所述同步请求子时隙发送根同步帧；从节点在其所述同步请求子时隙向上级节点发送同步请求帧，并在相应的同步应答子时隙接收同步应答帧，并根据所述同步应答帧携带的信息完成精确时间同步。本发明节点同步精度高，不受通信距离的限制。

Description

一种适用于移动自组织网络的同步方法
技术领域
本发明涉及无线移动通信技术领域，特别是涉及一种适用于移动自组织网络的同步方法。
背景技术
移动自组网是一种节点可任意移动的、自创建、自组织、自管理的临时性自治系统。移动自组网的最大特色就是，其通信不再依赖于基础设施，通信节点间通过分布式的服务，实现无中心的信息交互与共享。相对于有中心的通信网络，移动自组网有效地提高了网络的鲁棒性和抗毁性，避免了因中心节点失效而导致的全网故障。在移动自组网中，网络的覆盖范围不再取决于中心节点，只要相邻终端位于通信范围之内，网络的规模就能不断增大，有效拓展了通信的服务保障范围。移动自组网能够提供真正的伴随保障。基于移动自组织网络的通信服务，网络无需架设，服务快速展开，可满足用户的任意快速移动，从而实现以用户为中心的按需通信服务。
移动自组网节点间的相互通信依赖于精确的全网同步。采用北斗/GPS装置是一种常用的网络同步方式，但是北斗/GPS信号受自然环境影响较大，如在密林、楼宇等环境下很难完成校时同步工作，对网络的稳定运行产生影响。而基于传统TOA(到达时间)算法的定时方法没有考虑距离的影响，且仅能完成点对点的定时同步。而基于TOA算法的多次测量来回时间(Round Trip)的方法虽然能够消除通信距离对同步的影响，但是节点间信息交换频繁，时间的计算需要节点间多次通信TOA时间。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于移动自组织网络的同步方法，使得节点同步精度高，不受通信距离的限制。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种适用于移动自组织网络的同步方法，网络内的所有节点均分配有专属的同步时隙，所述同步时隙包括同步请求子时隙和同步应答子时隙；新入网节点首先进行初始同步，并在所述初始同步完成后进行精确同步；
在所述初始同步阶段，网络节点侦听邻居节点的同步信息帧，确定节点类型，并根据所述同步信息帧初始化节点类型和同步信息；
在所述精确同步阶段，根节点在其所述同步请求子时隙发送根同步帧；从节点在其所述同步请求子时隙向上级节点发送同步请求帧，并在相应的同步应答子时隙接收同步应答帧，并根据所述同步应答帧携带的信息完成精确时间同步。
所述同步信息帧包括根同步帧、同步请求帧和同步应答帧；所述同步信息帧携带帧类型、同步根节点ID、源节点ID、目的节点ID、源节点同步优先级和源节点时间戳的信息。
在所述初始同步阶段确定节点类型时，若节点在限定的时间内侦听到邻居节点的同步信息帧，则所述节点设置为从节点，否则所述节点为根节点。
所述根节点的同步参数被初始化为：所述根节点的根节点为本节点，所述根节点的同步优先级为0，所述根节点的本地时钟计时器初值为本节点专属同步时隙的起始时刻；所述从节点的同步参数被初始化为：所述从节点的根节点为所述同步信息帧的同步根节点，所述从节点的上级节点为所述同步信息帧的源节点，所述从节点的同步优先级为min(srcPri+1,maxPri)，所述从节点的本地时钟计数器初值为srcTimestamp+rxDelay，其中，srcPri为所述同步应答帧的源节点同步优先级，maxPri为设定的最低优先级，srcTimestamp为所述同步应答帧的源节点时间戳，rxDelay为同步信息帧接收处理延迟。
所述从节点根据所述同步应答帧携带的信息完成精确时间同步时，所述从节点的本地时钟计时器计数值调整为srcTimestamp+Δt/2，同步优先级调整为min(srcPri+1,maxPri)，其中，srcTimestamp为所述同步应答帧的源节点时间戳，Δt为发送同步请求帧与接收到同步应答帧之间的时间间隔，srcPri为所述同步应答帧的源节点同步优先级，maxPri为设定的最低优先级。
在所述精确同步阶段，所述根节点和从节点在非己方的同步时隙接收目的节点为本节点的同步请求帧，并在相应的同步应答子时隙发送同步应答帧，其中，所述从节点的同步优先级高于最低优先级。
在所述精确同步阶段，从节点在非己方的同步时隙接收目的节点为非本节点的同步信息帧，并据此选择同步优先级高且信号质量好的邻居节点作为上级节点，其中，所述同步信息帧的根节点与所述从节点的根节点一致，且所述同步信息帧的同步优先级高于所述从节点的同步优先级，且所述同步信息帧的信号质量超过设定门限。
若所述同步信息帧的同步优先级高于locPri-1，则更新本地节点的同步优先级以及上级节点；若所述同步信息帧的同步优先级等于locPri-1，且该同步信息帧的源节点ID小于本地节点ID，则更新本地节点的上级节点；否则不更新，其中，locPri为本地节点的同步优先级。
当两个具有不同根节点的独立子网络发生连通时，竞争并合并根节点，形成单一根节点的网络；在竞争并合并根节点时，若根节点接收到同步信息帧，且所述同步信息帧的根节点ID小于所述根节点ID，则变更所述根节点为从节点，其根节点为所述同步信息帧的根节点；若从节点接收到同步信息帧，且所述同步信息帧的根节点ID小于所述从节点的根节点ID，则设置所述从节点的根节点为所述同步信息帧的根节点。
在所述精确同步阶段，若从节点在设定的时间门限内没有接收到所述同步应答帧，则精确同步失败次数增加1；若精确同步失败次数超出设定失败门限，则重新进行初始同步。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明适用于移动自组织网络节点的自同步，无需依赖于北斗/GPS，本发明适用于多跳网络，对网络跳数没有限制，且节点同步精度高，不受通信距离的限制。
附图说明
图1是集中式的同步时隙划分图；
图2是分布式的同步时隙划分图；
图3是同步信息帧格式示意图；
图4是本发明实施方式的整体流程图；
图5是本发明实施方式中初始同步流程图；
图6是本发明实施方式中精确同步流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种适用于移动自组织网络的同步方法，网络内的所有节点均分配有专属的同步时隙，所述同步时隙包括同步请求子时隙和同步应答子时隙；新入网节点首先进行初始同步，并在所述初始同步完成后进行精确同步。
在所述初始同步阶段，网络节点侦听邻居节点的同步信息帧，确定节点类型，并根据所述同步信息帧初始化节点类型和同步信息。
在所述精确同步阶段，根节点在其所述同步请求子时隙发送根同步帧；从节点在其所述同步请求子时隙向上级节点发送同步请求帧，并在相应的同步应答子时隙接收同步应答帧，并根据所述同步应答帧携带的信息完成精确时间同步。
本实施方式以一个N节点的无线自组织网络为例，其同步时隙可采用集中式划分如图1所示，也可以采用分布式划分如图2所示。图中，Sslotn为第n个节点的专属同步时隙，该时隙的起始时刻为Tslotn。同步时隙的前一段为同步请求子时隙，后一段为同步应答子时隙。一般来说，同步应答子时隙的长度应大于同步请求子时隙的长度。Dslot为节点的数据传输时隙。本地时钟计时器用于维护节点的时隙划分，其计时周期为超帧的重复周期，计时颗粒度为1μs。本地节点与邻居节点之间交互同步信息帧实现时间同步。同步信息帧的格式如图3所示，其携带的信息包括：同步帧类型、同步根节点ID(rootID)、源节点ID(srcID)、目的节点ID(dstID)、源节点优先级(srcPri)和源节点时间戳(srcTimestamp)。同步帧类型则包括根同步帧、同步请求帧和同步应答帧。节点的同步过程具体实现如下：
如图4所示，整体流程如下：
1)设置同步状态为初始同步状态；
2)执行初始同步。初始同步完成后，设置同步状态为精确同步状态，设置精确同步失败次数failCount＝0；
3)判断是否为新的同步时隙。若当前时刻为下一同步时隙的起始，则转至步骤4)；否则转至步骤3)等待下一同步时隙到达；
4)执行精确同步；
5)判断精确同步失败次数failCount。若该计数值达到同步失败门限failThresh，则设置同步状态为初始同步，并转至步骤2)；否则转至步骤3)。
如图5所示，初始同步流程如下：
1)初始化参数。初始化搜索超时计数器srchTimeCount＝0，初始化节点类型为从节点nodeType＝0；
2)设置节点进入接收状态，搜索同步信息帧，同时启动超时计数器。若节点搜索到同步信息帧且计数器未达到搜索超时门限，则转至步骤3)；若计数器达到搜索门限，则转至步骤6)；
3)判断源节点优先级。若同步信息帧的源节点优先级srcPri高于最低优先级maxPri，则转至步骤4)；否则转至步骤2)，继续搜索同步信息帧；
4)设置本节点类型为从同步节点，nodeType＝0；
5)初始化从节点同步参数。初始化节点本地时钟计时器初值为srcTimestamp+rxDelay其中，rxDelay为同步信息帧的接收处理延迟。初始化节点的同步优先级为srcPri+1。初始化节点的上级节点为srcID。初始化节点的根节点为rootID。转至步骤8)；
6)设置本节点类型为根同步节点，nodeType＝1；
7)初始化根节点同步参数。初始化节点本地时钟计时器初值为Tslotn(根节点专属同步时隙的起始值)。初始化节点的同步优先级为最高级minPri＝0。初始化节点的根节点为本地节点locID。
8)启动本地时钟计数器。
9)初始同步完成。
如图6所示，精确同步流程如下：
1)判断是否为本节点的同步时隙。若当前时隙为本节点的同步时隙，则转至步骤2)；否则转至步骤8)；
2)判断本节点是否为根节点。若本节点不是根节点，则转至步骤3)；否则转至步骤7)；
3)发送同步请求帧，同时启动同步应答计时器(初值为0)；
4)等待接收同步应答帧。若同步应答计时器超出设定门限，则转至步骤5)；若接收到同步应答帧且计时器未超时，则转至步骤6)；
5)精确同步失败计数器加1；更新本地同步优先级为最低优先级maxPri，转至步骤17)；
6)更新本地节点的同步参数。停止同步应答计时器，并读出当前计数reqTimeCount。更新本地时钟计时器值为srcTimestamp+reqTimeCount/2，并继续计时；更新本地同步优先级为srcPri+1；重置精确同步失败次数failCount＝0；转至步骤17)；
7)发送根同步帧；转至步骤17)；
8)接收邻居节点的同步请求帧。若在本同步时隙结束时仍未收到同步请求，则转至步骤17)；若在本同步时隙内接收到同步请求，则转至步骤9)；
9)判断该同步请求帧的目的节点ID。若目的节点为本节点，则转至步骤10)；否则转至步骤12)；
10)判断优先级。若locPri<maxPri，即表示本地优先级高于最低优先级，则转至步骤11)；否则转至步骤17)；
11)发送同步应答帧；转至步骤17)；
12)判断该请求帧的根节点ID。若该帧的根节点ID与本地的根节点ID一致，则转至步骤13)；否则转至步骤15)；
13)判断该请求帧的同步优先级。若该帧的同步优先级高于本地优先级，且该请求帧的接收信号质量超出设定门限，则转至步骤14)；否则转至步骤17)；
14)更新本地节点同步参数。更新本地同步优先级为srcPri+1；更新本地节点的上级节点为该同步请求帧的源节点ID。转至步骤17)；
15)判断该请求帧的根节点ID。若该帧的根节点ID小于本地的根节点ID，则转至步骤16)；否则转至步骤17)；
16)更新本地节点的同步参数，合并根节点。更新本地同步优先级为srcPri+1；更新上级节点为该同步请求帧的源节点ID；更新根节点为该同步请求帧的根节点ID；设置节点类型为从节点；更新本地时钟计时器的当前计数值为srcTimestamp+rxDelay，并继续计数。转至步骤17)；
17)本次精确同步完成。
不难发现，本发明适用于移动自组织网络节点的自同步，无需依赖于北斗/GPS，本发明适用于多跳网络，对网络跳数没有限制，且节点同步精度高，不受通信距离的限制。

Claims (10)

1.一种适用于移动自组织网络的同步方法，其特征在于，网络内的所有节点均分配有专属的同步时隙，所述同步时隙包括同步请求子时隙和同步应答子时隙；新入网节点首先进行初始同步，并在所述初始同步完成后进行精确同步；
在所述初始同步阶段，网络节点侦听邻居节点的同步信息帧，确定节点类型，并根据所述同步信息帧初始化节点类型和同步信息；
在所述精确同步阶段，根节点在其所述同步请求子时隙发送根同步帧；从节点在其所述同步请求子时隙向上级节点发送同步请求帧，并在相应的同步应答子时隙接收同步应答帧，并根据所述同步应答帧携带的信息完成精确时间同步，其中，所述从节点根据所述同步应答帧携带的信息完成精确时间同步时，所述从节点的本地时钟计时器计数值调整为srcTimestamp+Δt/2，srcTimestamp为所述同步应答帧的源节点时间戳，Δt为发送同步请求帧与接收到同步应答帧之间的时间间隔。
2.根据权利要求1所述的适用于移动自组织网络的同步方法，其特征在于，所述同步信息帧包括根同步帧、同步请求帧和同步应答帧；所述同步信息帧携带帧类型、同步根节点ID、源节点ID、目的节点ID、源节点同步优先级和源节点时间戳的信息。
3.根据权利要求1所述的适用于移动自组织网络的同步方法，其特征在于，在所述初始同步阶段确定节点类型时，若节点在限定的时间内侦听到邻居节点的同步信息帧，则所述节点设置为从节点，否则所述节点为根节点。
4.根据权利要求3所述的适用于移动自组织网络的同步方法，其特征在于，所述根节点的同步参数被初始化为：所述根节点的根节点为本节点，所述根节点的同步优先级为0，所述根节点的本地时钟计时器初值为本节点专属同步时隙的起始时刻；所述从节点的同步参数被初始化为：所述从节点的根节点为所述同步信息帧的同步根节点，所述从节点的上级节点为所述同步信息帧的源节点，所述从节点的同步优先级为min(srcPri+1,maxPri)，所述从节点的本地时钟计数器初值为srcTimestamp+rxDelay，其中，srcPri为所述同步应答帧的源节点同步优先级，maxPri为设定的最低优先级，srcTimestamp为所述同步应答帧的源节点时间戳，rxDelay为同步信息帧接收处理延迟。
5.根据权利要求1所述的适用于移动自组织网络的同步方法，其特征在于，所述从节点根据所述同步应答帧携带的信息完成精确时间同步时，所述从节点的同步优先级调整为min(srcPri+1,maxPri)，其中，srcPri为所述同步应答帧的源节点同步优先级，maxPri为设定的最低优先级。
6.根据权利要求1所述的适用于移动自组织网络的同步方法，其特征在于，在所述精确同步阶段，所述根节点和从节点在非己方的同步时隙接收目的节点为本节点的同步请求帧，并在相应的同步应答子时隙发送同步应答帧，其中，所述从节点的同步优先级高于最低优先级。
7.根据权利要求1所述的适用于移动自组织网络的同步方法，其特征在于，在所述精确同步阶段，从节点在非己方的同步时隙接收目的节点为非本节点的同步信息帧，并据此选择同步优先级高且信号质量好的邻居节点作为上级节点，其中，所述同步信息帧的根节点与所述从节点的根节点一致，且所述同步信息帧的同步优先级高于所述从节点的同步优先级，且所述同步信息帧的信号质量超过设定门限。
8.根据权利要求7所述的适用于移动自组织网络的同步方法，其特征在于，若所述同步信息帧的同步优先级高于locPri-1，则更新本地节点的同步优先级以及上级节点；若所述同步信息帧的同步优先级等于locPri-1，且该同步信息帧的源节点ID小于本地节点ID，则更新本地节点的上级节点；否则不更新，其中，locPri为本地节点的同步优先级。
9.根据权利要求1所述的适用于移动自组织网络的同步方法，其特征在于，当两个具有不同根节点的独立子网络发生连通时，竞争并合并根节点，形成单一根节点的网络；在竞争并合并根节点时，若根节点接收到同步信息帧，且所述同步信息帧的根节点ID小于所述根节点ID，则变更所述根节点为从节点，其根节点为所述同步信息帧的根节点；若从节点接收到同步信息帧，且所述同步信息帧的根节点ID小于所述从节点的根节点ID，则设置所述从节点的根节点为所述同步信息帧的根节点。
10.根据权利要求1所述的适用于移动自组织网络的同步方法，其特征在于，在所述精确同步阶段，若从节点在设定的时间门限内没有接收到所述同步应答帧，则精确同步失败次数增加1；若精确同步失败次数超出设定失败门限，则重新进行初始同步。
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