CN114885413A - 基于轻量级时钟同步机制自组网通信系统、方法及帧结构 - Google Patents
基于轻量级时钟同步机制自组网通信系统、方法及帧结构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了基于轻量级时钟同步机制自组网通信系统、方法及帧结构，无线自组织网络由N个节点构成，各节点遵循动态时隙的TDMA协议，分别对各自节点进行软件编程，进而实现网络整体在分布式拓扑结构中的通信的功能。系统工作时，每个节点分别通过网口连接一个上位机或监测模块，用于调试更新、配置和实际数据传输。通信自组网节点安装在各种载具(车辆、无人机、水下潜航器等)，根据本发明的协议实现互联互通。由追求各个节点间的绝对精确时钟精度保证完全的时间同步，转变思路为确保节点之间相对时间精度，从而在保证TDMA协议可靠实现的基础上，大大降低时间同步开销。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体的为，基于轻量级时钟同步机制自组网通信系统、方法及帧结构。
背景技术
无线自组网络是一个由几个到几十个节点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的多跳的移动性对等网络。其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的语音流。通常节点具有持续的能量供给，不需要固定设备支持，各节点自行组网。通信时，由其他用户节点进行数据的转发。这种网络形式突破了传统无线网络地理局限性，能够更加快速、便捷、高效地部署，适用于现场无网络，需要快速建网、便捷安装的场景，如地震救援、火灾救援、林区通信、安保通信等。它具有无中心性，自组织，多跳路由，动态拓扑等特点。
传统TDMA协议是采用中心调度的方式来分配信道的，它将信道在时间上划分固定长度的时间周期，每个时间周期又分成若干个小的时隙，在完成时钟同步之后，网络中的每个用户只占用自己的相应的固定时隙发送数据包。TDMA协议的优点在于可以很好地避免各个节点发送的数据包之间的冲突问题，同时对于自组网的分布式拓扑结构，能耗比相对更高，采用TDMA协议可以节约网络系统的能耗。
但是，TDMA协议对时间同步提出了更多的要求，实际应用中面临以下几点问题：(1)传播时延、本地晶振精度等因素都会对时间同步的精度造成不利影响，并且空闲时隙会造成信道资源在时间上的浪费。(2)尽管有些设计引入外部GPS模块进行时钟同步，但对于室内、城市、峡谷等应用场景，网络不能确保接收到卫星信号。(3)对于较大规模的网络，节点间的移动，加入，退出都会改变网络的结构，从而影响节点时间同步，追求全网所有节点的精确时钟同步，算法过于复杂、成本过高。实际无线网络中每个节点通常使用振荡器来控制它们的本地时钟，而振荡器本身可能会由于温度等因素发生变化而产生一定的时钟偏移，一段时间之后时钟就会存在较大的偏差。无线自组网的各节点时间误差会导致通信节点的时钟出现差异，从而影响通信。传统TDMA协议中网络的各个节点需要保证完全的时钟同步，否则多节点间的通信必然会发生通信干扰，造成吞吐量下降。
发明内容
解决的技术问题：为解决上述技术问题，本发明提出基于轻量级时钟同步机制的自组网通信系统及方法。
技术方案：首先，无线自组织网络由N个节点构成，各节点遵循动态时隙的TDMA协议，分别对各自节点进行软件编程，进而实现网络整体在分布式拓扑结构中的通信的功能。系统工作时，每个节点分别通过网口连接一个上位机或监测模块，用于调试更新、配置和实际数据传输。通信自组网节点安装在各种载具(车辆、无人机、水下潜航器等)，根据本发明的协议实现互联互通。
基于轻量级时钟同步机制的自组网通信系统，其特征在于，所述系统包括n个节点，每个所述节点均遵循动态时隙的TDMA协议，每个所述节点分别通过网口连接一个上位机或监测模块，用于调试更新、配置和实际数据传输；
每个所述节点均包括处理模块、射频模块、攻放天线以及电源模块，其中，所述处理模块用于数据帧封装解析、配置操作、数据发送、数据接收及时间同步功能；所述射频模块负责通过功放天线收发信息，并与处理模块交互，所述电源模块给节点中的处理模块、射频模块和功放天线供电；
每个所述节点的工作步骤如下：
(1)处理模块通过网络接口接收上位机的配置信息，根据接收到的配置信息初始化节点；
(2)处理模块通过网络接口接发送数据，对数据进行解析，封装成MAC帧，通过射频模块，经功放天线无线发送；
(3)无线接收模块接收到无线信号，将信息传给处理模块；
(4)处理模块解析从射频模块收到的信号，并完成时间同步；
(5)处理模块将信息中的数据通过接口传到上位机。
有益效果：针对TDMA协议对于时间同步的精度要求、室内等场景的外同步限制、以及动态网络结构变化等不利因素，提出了一种轻量级时钟同步机制。这一机制的思路由传统TDMA协议要求各个节点间确保绝对精确时钟精度，以保证完全的时间同步，转变为确保节点之间相对时间精度，从而在保证TDMA协议可靠实现的基础上，大大降低了时间同步开销。
附图说明
图1为本发明的自组网系统功能框图；
图2为本发明的节点的硬件组成；
图3为本发明的节点状态机；
图4为本发明的加入过程中节点的流程图；
图5为本发明的加入过程中组网的流程图；
图6为本发明的对单个节点的时隙分配图；
图7为本发明的同步算法流程图；
图8为本发明的通信MAC帧结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
首先，无线自组织网络由N个节点构成，各节点遵循动态时隙的TDMA协议，分别对各自节点进行软件编程，进而实现网络整体在分布式拓扑结构中的通信的功能。系统工作时，每个节点分别通过网口连接一个上位机或监测模块，用于调试更新、配置和实际数据传输。通信自组网节点安装在各种载具(车辆、无人机、水下潜航器等)，根据本发明的协议实现互联互通。组网应该包含n个节点，如图1所示。
单个节点的硬件组成如图2，主要由处理模块、射频模块、攻放天线以及电源模块等模块组成。其中，处理模块主要负责数据帧封装解析、配置操作、数据发送、数据接收、时间同步等功能。数据帧封装解析：对于上位机的数据，封装成合适的帧格式，对于射频模块接收的信息，能解析信息中的数据和功能，上报给上位机。配置操作：对于上位机发送的配置信息，能根据配置信息对节点初始化。时间同步：接收到上位机的信息后，处理单元将根据本发明中设计的算法完成时间的相对同步。射频模块负责通过功放天线收发信息，并与处理器单元交互。电源模块给节点中的处理模块、射频模块和功放天线供电。
工作时单个节点的工作流程如下：
(1)处理模块通过网络接口接收上位机的配置信息，根据接收到的配置信息初始化节点。
(2)处理模块通过网络接口接发送数据，对数据进行解析，封装成MAC帧，通过射频模块，经功放天线无线发送。
(3)无线接收模块接收到无线信号，将信息传给处理模块。
(4)处理模块解析从射频模块收到的信号，并完成时间同步。
(5)处理模块将信息中的数据通过接口传到上位机
本系统TDMA的需要时间同步机制的支持，相比于基于时间帧做到绝对同步的时间同步方案，本发明的同步机制属于轻量级的：仅通过接收信息，而不依靠信息额外附加时钟信息，做到时间相对同步。如图1所示，这个系统由n个节点构成。
图3给出了每个节点的状态机转换表示。每个节点可以分为三个状态：关机状态、初始化状态和通信状态。
状态1：关机状态。
状态2：初始化状态。关机状态时开机将进入初始化状态。在初始化状态的节点能完成以下三个功能，即初始化节点配置、时钟粗同步和加入组网。
状态3：通信状态。从初始化状态同步后，节点会进入通信状态。在通信状态，节点能完成以下四个功能，即发送消息、接收信息、利用接收信息完成时间同步和退出并回到关机状态。
下面将详细解释各节点状态中功能原理和实现。
对于初始化状态中初始化节点的配置，实现的方法如下：
一个通信节点初始化过程包括以下三步：
步骤(1)：由上位机分配一个编号(地址)。
步骤(2)：初始化用于节点编号-发送顺序映射关系表。
步骤(3)：初始化下标为发送顺序的数组。对于数组中第i个元素，其内容为上次接收第i个元素对应的节点信息时本地时间，这一数组用于时间同步。
需要进一步说明的是，步骤(2)的储存编号-发送顺序映射关系表的作用有：a)将编号和发送顺序解耦合，使实际过程中不同的节点无需按照特定的顺序自由组网，从而使该自组网更加灵活。b)这个映射表的还可以计算时隙的分配。
在TDMA系统中，时间被分为周期性的帧，每一帧再分成若干时隙，无论帧或时隙都是互不重叠的，时隙是进行报文传输的基本单元。根据一定的时隙分配原则，各个节点在每帧内只能按照指定的时隙进行报文发送，在满足定时和同步的条件下，其它节点就可以在相应的时隙中进行报文接收，从而实现通信资源的共享。
时隙具体分配方式如下：
一帧的时长设置为T，总共应该分出N个时隙，这里T和N是在无线自组网系统确定的。可得出每个时隙的时长为
其中最后一个特殊时隙用于处理新节点加入自组网，其他时隙则用于正常发送信息。由此可以划分通信时隙，一帧可能的情况如表1所示。
表1：
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | … | N |
| U<sub>1</sub> | U<sub>2</sub> | U<sub>6</sub> | U<sub>4</sub> | U<sub>3</sub> | U<sub>5</sub> | U<sub>1</sub> | U<sub>2</sub> | U<sub>6</sub> | U<sub>4</sub> | U<sub>3</sub> | U<sub>5</sub> | … |
表格中第一行为发送顺序，第二行为此时隙中处于发送状态节点的编号，设组网内节点数为n，这n个节点的发送顺序会在一帧中以n为周期重复，直至帧结束。若系统运行中出现发送顺序更新，至少应该在下一个周期T生效。
对于初始化状态的时间同步过程，具体实现如下：
设此节点为Ui,i＝1,2,…,n，Ui节点完成前面的配置后，就可以监听到网络中的信息。信息发送的实现保证了组网中信息允许发出时间是离散的，等间隔的，间隔为
具体实现见通信状态中发送功能的描述。监听应持续多个周期。监听结果有两种。
(1)若Ui节点监听到信息，则可以在第一次听到信息时，知道每一个时隙开始的时刻，从而做到粗同步。且由于每一帧的最后一个时隙是空闲的，Ui节点总能找到在一帧中未使用的时隙，这个时隙可用于发送加入请求。
(2)若Ui节点监听过程中没有听到信息，Ui节点不需要粗同步，但仍应该发送加入请求。
对于初始化状态的节点加入组网过程，具体步骤如下：
步骤1：发送加入请求。加入网络时，Ui节点发送加入信息，这条信息还应该说明Ui节点的编号以及此请求被转发的次数。
步骤2：若Ui节点在监听过程中没有听到信息，且加入请求也未获得响应，说明此时自组网尚未建立，Ui节点成为自组网第一个节点，映射表第一位填Ui的信息即可，组网成功。
步骤3：自组网处理加入请求。节点Ui发送加入请求后，其他节点就能将Ui节点的编号记录下来。当组网内总节点数目大于N-1时，说明组网节点数达到上限，不允许Ui节点加入，组网不作回应。否则允许Ui节点加入，在编号-顺序的映射表的末尾添加Ui节点的编号和顺序，并在
个帧后生效。由于是加入请求是附带转发次数的，每个接收到Ui加入请求的节点可以推断出Ui是在加入的具体时间，从而保证frame个帧后，组网内节点都能收到转发请求，能同时更新，且所有的节点更新后能得到相同的包含Ui节点的映射表。
步骤4：节点Ui获取自组网中信息。若组网允许新节点加入，在收到请求的frame帧后，距节点Ui一跳的节点发送同意加入信息，包括Ui的地址和最新的编号-顺序映射表，让Ui节点能知道自己被同意加入，和完整的编号-顺序映射表。此时节点Ui加入成功。
该过程中流程图如图4和5所示。
经历了以上步骤后，初始化状态就可以转化为通信状态。
处于通信状态的节点根据时隙的不同可分为接收状态和发送状态。可以计算得到对于顺序为i的节点，发送状态的时隙为
到
其中j＝0,1,2…且j*n<N-1。n为组网中节点数目。其余时间为接收状态。将发送时隙中第Tsend时刻称为发送时刻。如图6所示。
对于通信状态中发送信息功能，具体实现如下：
节点要发送信息时，只应该在发送时刻发送。即使在发送状态的时隙内有需要发送的信息时，也应该在下一个发送时刻发送。这一限制的目的是使信息在确定的时刻发送，使其他节点在接收到信息的时刻是一个确定的时刻，从而简化时间同步过程。
对于通信状态中接收信息是简单的，射频模块收到信息后发给处理单元，处理单元根据接收信息解析，若该信息为普通信息则将解析数据并传给上位机，若该信息有额外功能，例如节点加入等，则根据对应的功能处理。
对于利用接收信息完成时间同步，这一算法的详细说明如下：
步骤1：设置最大可容忍误差时间Te。Te的设置与节点的时钟精度和时隙宽度有关，将用于判断后面步骤中接收是否有效。对于地址为i的信息，查映射表可得顺序应为ni，理论上在一个周期T内，接收到顺序为ni的节点时间应该是
将ti理论与节点的时钟Tclock作差，认为差值最小时的j为此信息的j值，从而得到唯一的ti理论。
步骤2：节点Ui在接收状态时，通过映射表可得到每个时隙与此时应发送的节点的对应关系。若在节点Uj的发送时隙中听到了节点Uj的信息，则通过查表得到Uj的顺序，并在接收时间数组对应位置填此时节点Ui时钟ti实际。若在节点Uj的时隙未听到Uj的信息，接收时间数组对应位置填无效值。
步骤3：当时刻到达节点Ui的发送时隙时，节点Ui应该先做时间调整。节点Ui通过接收时间数组完成时间调整。
步骤4：若接收时间数组中均为无效值，无需调整自己的时钟。同步过程结束。
步骤5：若接收时间数组中存在有效值，则找到最近一次接收信息的相关数据。同时利用更早的接收信息的时间加权平均值，判断最近一次接收信息是误差还是错误。具体过程如下：
设接收时间数组中值有效的节点为Vk，k＝0,1,2…，下标按顺序排列，即V0为最近一次接收，且Vk-1之前的一次接收为Vk。对第V1到Vk次接收，相对本地时钟的平均时间误差
式中ωm为加权系数，可以根据实际系统改变。而最近一次(V0)的接收，与本地时钟的误差为Δt0＝t0理论-t0实际，作差，若|Tdiff-T0|>Te为误差不合理，否则误差合理。
步骤6：若误差不合理，则认为最近一次(V0)信息的接收过程有错误，应该无视此次接收信息。将接收时间数组中将V0接收的时间设置为无效值，重复步骤(3)。
步骤7：若误差合理，更改本地时间，由当前的Tclock调整为Tclock+Δt0。这里时钟调整只与最近一次V0的接收有关，这是为了消除前面的累积误差，且由于本系统只要求相对时钟精度，这样做是合理的。算法的流程图如图7。
对于节点退出并回到关机状态，具体说明如下：
节点不应该直接退出，否则组网的时间顺序表中将会产生一个僵尸节点，从而占用时隙。
节点退出分为两种情况：正常退出和异常退出。
一个节点Ui正常主动的退出自组网时，应在自己的发送时刻发送退出信息，标识自己即将退出，与加入类似，退出信息也应附带转发次数。其他节点在接收到退出消息后，在接收时间数组中移除Ui位置以及数据，同时在编号-顺序的映射表中删除Ui的顺序，更新表中的顺序，并在
个帧后生效。
节点退出也可能是由于异常导致的，例如系统断电，节点失联等。这时节点实际上退出了，但是不发出退出消息。为了防止这种可能性占用时隙资源，可以设置一个心跳指令。心跳指令工作过程如下。
设其中一个节点为Ui，顺序表上Ui的下一个节点为Uj，节点Ui应询问节点Uj是否存活，这一信息应设置特殊的功能位。心跳指令可以人工控制发出，也可以设置在距最近一次接收到节点Uj信息后自动定时发出。而当Uj接收到心跳指令时，应该在自己的时隙中发送特定的回码，标识自己存活。若节点Ui未接受到回码，则说明节点Uj异常退出，Ui应该再发送一个信息说明Uj的异常退出，更新表中的顺序，并在
个帧后生效。
由以上的状态图和算法，可以最终设计通信MAC帧结构，每一个MAC帧至少包含五部分。
具体各个位的作用说明如下：
起始位，如起始位与事先设置相同，表示这是属于该组网的节点，否则这一节点不属于该组网，可以直接抛弃。
地址位，指该节点的编号，用于区分不同节点按发送的信息。必须保证地址位的编号不重复。
功能位，用于标识这次数据传输的目的，包括正常信息，节点加入请求，同意加入，节点退出，心跳指令，响应心跳指令等。
数据位，包括此次数据传输具体的数据。
结束位，如结束位与事先设置相同，表示信息正常结束。
具体实现：
下面给出一个小型的基于STM32单片机的具体实现。这一系统中最多有6个节点工作，要求发送信号延迟不大于1s。
在单个节点的硬件组成中，处理模块为stm32单片机，主要负责数据帧封装解析、配置操作、数据发送、数据接收、时间同步等功能。射频模块为lora。
数据帧封装解析：对于上位机的数据，封装成合适的帧格式，对于射频模块接收的信息，能解析信息中的数据和功能。
配置操作：对于上位机发送的配置信息，能根据配置信息对节点初始化。
时间同步：接收到上位机的信息后，处理单元将根据本发明中设计的算法完成时间的相对同步。
lora负责通过功放天线收发信息，并与处理器单元交互。
电源模块给节点中的处理模块、射频模块和功放天线供电。
工作时单个节点的工作流程如下：
(1)处理模块通过网络接口接收上位机的配置信息，根据接收到的配置信息初始化节点。
(2)处理模块通过网络接口接发送数据，对数据进行解析，封装成MAC帧，通过射频模块，经功放天线无线发送。
(3)无线接收模块接收到外界信号，将信息传给处理模块。
(4)处理模块解析从射频模块收到的信号，并完成时间同步。
(5)处理模块将信息中的数据通过接口传到上位机
本系统TDMA的需要时间同步机制的支持，相比于基于时间帧做到绝对同步的时间同步方案，本发明的同步机制属于轻量级的：仅通过接收信息，而不依靠信息额外附加时钟信息，做到时钟相对同步。如图1所示，这个系统由多个节点构成。
每个节点可以分为三个状态：关机状态、初始化状态和通信状态。
1关机状态。
2初始化状态。关机状态时开机将进入初始化状态。在初始化状态的节点能完成以下三个功能，即初始化节点配置、时钟粗同步和加入组网。
3通信状态。从初始化状态同步后，节点会进入通信状态。在通信状态，节点能完成以下四个功能，即发送消息、接收信息、利用接收信息完成时间同步和退出并回到关机状态。
对于初始化状态中初始化节点的配置，实现的方法如下：
一个通信节点初始化过程包括以下3步：
(1)由上位机分配一个编号(地址)。
(2)初始化用于储存编号和实际发送顺序之间映射关系的表。
(3)初始化下标为发送顺序的数组。对于数组中第i个元素，其内容为上次接收i节点信息时本地时间和接收i节点出现误差的次数，这一数组用于时间同步。
第(2)点中映射表的一个作用是将编号和发送顺序解耦合，使实际过程中不同的节点无需按照特定的顺序自由组网，从而使该自组网更加灵活。这个表使用数组实现，可能如下表2所示：
表2：
| 地址编号 | 1 | 2 | 6 | 4 | 3 | 5 |
| 节点顺序 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
这个映射表的还可以计算时隙的分配。具体分配方式如下：
组网内节点数为n，一帧时间长度设置为T，总共应该分出N个时隙，这里T和N是在组网之前确定的。可得出每个时隙的时长为
其中最后一个特殊时隙用于处理新节点加入自组网，其他时隙则用于正常发送信息。在该实例中T设置为4s，N设置为25。由此可以划分通信时隙。
对于初始化状态的时间同步过程，具体实现如下：
设此节点为Ui,i＝1,2,…,n，Ui节点初始化后，就可以监听到网络中的信息。信息发送的实现保证了组网中信息可能的发出时间是离散的，等间隔的，一个时隙长为
具体实现见通信状态中发送功能的描述。在此示例中，监听时长持续5帧。监听结果有两种。
(1)若Ui节点监听到信息，则可以在第一次听到信息时，知道每一个时隙开始的时刻，从而做到粗同步。且由于周期T的最后一个时隙是空闲的，Ui节点总能找到在周期T中未使用的时隙，这个时隙可用于发送加入请求。
(2)若Ui节点监听过程中没有听到消息，则可能是自组网十分空闲，也可能是自组网还没建立。对于这两种情况，Ui节点仍应该发送加入请求。
对于初始化状态的节点加入组网过程，具体步骤如下：
步骤1：发送加入请求。加入网络时，Ui节点发送加入信息，这条信息还应该说明Ui节点的编号以及此请求被转发的次数。
步骤2：若Ui节点在监听过程中没有听到信息，且加入请求也未获得响应，说明此时自组网尚未建立，Ui节点成为自组网第一个节点，组网成功。
步骤3：自组网处理加入请求。节点Ui发送加入请求后，其他节点就能将Ui节点的编号记录下来。当组网内总节点数目大于N-1时，说明组网节点数达到上限，不允许Ui节点加入，组网不作回应。否则允许Ui节点加入，在编号-顺序的映射表的末尾添加Ui节点的编号和顺序，并在frame帧后生效。由于n不大于6，且N＝25，可以直接取frame＝2。由于是加入请求是附带转发次数的，每个接收到Ui加入请求的节点可以推断出Ui是在加入的具体时间，从而保证frame帧后，组网内节点都能收到转发请求，能同时更新，且所有的节点更新后能得到相同的包含Ui节点的映射表。
步骤4：节点Ui获取自组网中信息。若组网允许新节点加入，在收到请求的下一个周期，自组网中顺序映射表第一的节点应发送同意加入信息，包括Ui的地址和最新的编号-顺序映射表，让Ui节点能知道自己被同意加入，以及完整的编号-顺序映射表。此时节点Ui加入成功。
经历了以上步骤后，初始化状态就可以转化为通信状态。
处于通信状态的节点根据时隙的不同可分为接收状态和发送状态。可以计算得到对于顺序为i的节点，发送状态的时隙为
到
其中j＝0,1,2…且j*n<N-1。n为组网中节点数目。其余时间为接收状态。将发送时隙中第Tsend时刻称为发送时刻。在此实例中，Tsend＝20ms。
对于通信状态中发送信息功能，具体实现如下：
节点要发送信息时，只应该在发送时刻发送。即使在发送状态的时隙内有需要发送的信息时，也应该在下一个发送时刻发送。这一限制的目的是使信息在确定的时刻发送，使其他节点在接收到信息的时刻是一个确定的时刻，从而简化时间同步过程。
对于通信状态中接收信息是简单的，射频模块收到信息后发给处理单元，处理单元根据接收信息解析，若该信息为普通信息则将解析数据并传给上位机，若该信息有额外功能,例如加入请求等，则根据对应的功能处理。
对于利用接收信息完成时间同步，这一算法的详细说明如下：
步骤1：设置最大可容忍误差时间Te。Te的设置与节点的时钟精度和时隙宽度有关，将用于判断后面步骤中接收是否有效，在此例中，考虑到单片机的时间精度以及时隙宽度为160ms，Te设置为3ms。对于地址为i的信息，查映射表可得顺序应为ni，理论上在一个周期T内，接收到顺序为ni的节点时间应该是
将ti理论与节点的时钟Tclock作差，认为差值最小时的j为此信息的j值，从而得到唯一的ti理论。
步骤2：节点Ui在接收状态时，通过映射表可得到每个时隙与此时应发送的节点的对应关系。若在节点Uj的发送时隙中听到了节点Uj的信息，则通过查表得到Uj的顺序，并在接收时间数组对应位置填此时节点Ui时钟ti实际。若在节点Uj的时隙未听到Uj的信息，接收时间数组对应位置填无效值，以作区分。
步骤3：当时刻到达节点Ui的发送时隙时，节点Ui应该先做时间调整。节点Ui在接收时间数组中寻找最近一次接收信息来自哪个节点。
步骤4：若接收时间数组中均为无效值，无需调整自己的时钟。同步过程结束。
步骤5：若接收时间数组中存在有效值，则找到最近一次接收信息的相关数据。同时利用更早的接收信息的时间加权平均，判断最近一次接收信息是误差还是错误。具体加权平均过程如下：
设接收时间数组中值有效的节点为Vk，k＝0,1,2…，下标按顺序排列，即V0为最近一次接收，且Vk-1之前的一次接收为Vk。对第V1到Vk次接收，相对本地时钟的平均时间误差
式中ωm为加权系数，在此实际系统中，简单取
即可满足要求。而最近一次(V0)的接收，与本地时钟的误差为Δt0＝t0理论-t0实际，作差，若|Tdiff-T0|>Te为误差不合理，否则误差合理。
步骤6：若误差不合理，则认为最近一次(V0)信息的接收过程有错误，应该无视此次接收信息。将接收时间数组中将最近一次接收的时间设置为无效值，重复步骤(3)。
步骤7：若误差合理，更改本地时间，由当前的Tclock调整为Tclock+Δt0。这里时钟调整只与最近一次V0的接收有关，是为了消除前面的累积误差，且由于本系统只要求相对时钟精度，这样做是合理的。
对于节点退出并回到关机状态，具体说明如下：
节点退出分为两种情况，即正常退出和异常退出。
一个节点Ui正常主动的退出自组网时，应在自己的发送时刻发送退出信息，标识自己即将退出。其他节点在接收到退出消息后，在接收时间数组中移除Ui位置以及数据，同时在编号-顺序的映射表中删除Ui的顺序，更新表中的顺序，并在frame＝2帧后生效。
节点退出也可能是由于异常导致的，例如系统断电，节点失联等。这时节点实际上退出了，但是不发出退出消息。为了防止这种可能性占用时隙资源，可以设置一个心跳指令。心跳指令工作过程如下。
设其中一个节点为Ui，顺序表上Ui的下一个节点为Uj，节点Ui应询问节点Uj是否存活，这一信息应设置特殊的功能位。在此示例中，心跳指令设置在距最近一次接收到节点Uj信息后40s发出。而当Uj接收到心跳指令时，应该在自己的时隙中发送特定的回码，标识自己存活。若节点Ui未接受到回码，则说明节点Uj异常退出，Ui应该再发送一个信息说明Uj的异常退出，更新表中的顺序，并在frame＝2帧后生效。
由以上的状态图和算法，可以最终设计通信MAC帧结构，每一个MAC帧至少包含五部分，具体各个字段的说明如图7，
起始位：如起始位与事先设置相同，表示这是属于该组网的节点，否则这一节点不属于该组网，可以直接抛弃。
地址位：指该节点的编号，用于区分不同节点按发送的信息。
功能位：用于标识这次数据传输的目的，正常信息(0x01)，节点加入请求(0x02)，同意加入(0x03)，节点退出(0x04)，心跳指令(0x05)，响应心跳指令(0x06)等。
数据位：包括此次数据传输具体的数据。
结束位：如结束位与事先设置相同，表示信息正常结束。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.基于轻量级时钟同步机制自组网通信系统，其特征在于，所述系统包括n个节点，每个所述节点均遵循动态时隙的TDMA协议，每个所述节点分别通过网口连接一个上位机或监测模块，用于调试更新、配置和实际数据传输；
每个所述节点均包括处理模块、射频模块、攻放天线以及电源模块，其中，所述处理模块用于数据帧封装解析、配置操作、数据发送、数据接收及时间同步功能；所述射频模块负责通过所述功放天线收发信息，并与处理模块交互，所述电源模块给节点中的处理模块、射频模块和功放天线供电；
每个所述节点的工作步骤如下：
(1)所述处理模块通过网口接收所述上位机的配置信息，根据接收到的配置信息初始化节点；
(2)所述处理模块通过网口接收上位机发送的数据，对数据进行解析，封装成MAC帧，通过射频模块，经功放天线无线发送；
(3)射频模块接收到无线信号，将信息传给处理模块；
(4)处理模块解析从射频模块收到的信号，并完成时间同步；
(5)处理模块将信息中的数据通过网口传到上位机。
2.基于轻量级时钟同步机制的自组网通信方法，其特征在于，每个节点分为三个状态：关机状态、初始化状态和通信状态；
所述初始化状态：关机状态时开机将进入初始化状态，在初始化状态的节点完成初始化节点配置、时钟粗同步和加入组网功能；
所述通信状态：从初始化状态同步后，节点进入通信状态，在通信状态，节点完成发送消息、接收信息、利用接收信息完成时间同步和退出并回到关机状态功能。
3.如权利要求2所述的基于轻量级时钟同步机制的自组网通信方法，其特征在于，所述初始化节点配置的实现过程如下：
步骤(1)：由上位机分配一个编号即地址；
步骤(2)：初始化用于节点编号-发送顺序映射关系表；
步骤(3)：初始化下标为发送顺序的数组；对于数组中第i个元素，其内容为上次接收第i个元素对应的节点信息时本地时间，将这一数组用于时间同步。
4.如权利要求3所述的基于轻量级时钟同步机制的自组网通信方法，其特征在于，对于时钟粗同步的实现过程如下：
设节点为Ui,i＝1,2,…,n，Ui节点完成节点配置后，监听网络中的信息，监听间隔为
其中T为一帧的时长，N为分出的时隙个数；
(a)若Ui节点监听到信息，则在第一次听到信息时，得到每一个时隙开始的时刻，从而做到粗同步，且由于每一帧的最后一个时隙是空闲的，Ui节点总能找到在一帧中未使用的时隙，这个时隙可用于发送加入请求；
(b)若Ui节点监听过程中没有听到信息，Ui节点不需要粗同步，但仍应该发送加入请求。
5.如权利要求4所述的基于轻量级时钟同步机制的自组网通信方法，其特征在于，对于加入组网过程的实现过程如下：
步骤(1)：发送加入请求，加入组网时，Ui节点发送请求加入信息，所述信息还应该说明Ui节点的编号以及此请求被转发的次数；
步骤(2)：若Ui节点在监听过程中没有听到信息，且加入请求也未获得响应，说明此时自组网尚未建立，该Ui节点成为自组网第一个节点，组网成功；
步骤(3)：自组网处理加入请求；节点Ui发送加入请求后，其他节点就将Ui节点的编号记录下来；当组网内总节点数目大于N-1时，说明组网节点数达到上限，不允许Ui节点加入，组网不作回应；否则允许Ui节点加入，在编号-发送顺序映射表的末尾添加该Ui节点的编号和顺序，并在
个帧后生效；
步骤4：节点Ui获取自组网中信息；若组网允许节点Ui加入，在收到请求的F个帧后，距节点Ui一跳的节点发送同意加入信息，节点Ui的地址和最新的编号-顺序映射表，让Ui节点能知道自己被同意加入，和完整的编号-顺序映射表，此时节点Ui加入成功。
6.如权利要求5所述的基于轻量级时钟同步机制的自组网通信方法，其特征在于，
对于发送信息：
处于通信状态的节点根据时隙的不同可分为接收状态和发送状态，可以计算得到对于顺序为i的节点，发送状态的时隙为
到
其中参数j＝0,1,2…且j*n<N-1，n为组网中节点数目，其余时间为接收状态，将发送时隙中第Tsend时刻称为发送时刻；
节点要发送信息时，只应该在发送时刻发送，即使在发送状态的时隙内有需要发送的信息时，也在下一个发送时刻发送，
对于利用接收信息完成时间同步实现过程为：
步骤1：设置最大可容忍误差时间Te，Te的远小于时隙宽度，对于地址为i的信息，查编号-顺序映射表可得顺序应为ni，在一个周期T内，接收到顺序为ni的节点时间是
由于在一帧中一个节点会有多个发送时隙，因此参数j可以有多个取值，将ti理论与节点的时钟Tclock作差，认为差值最小时的参数j为此信息的参数j值，从而得到唯一的ti理论；
步骤2：节点Ui在接收状态时，通过编号-顺序映射表得到每个时隙与此时应发送的节点的对应关系，若在节点Uj的发送时隙中监听到了节点Uj的信息，则通过查编号-顺序映射表得到Uj的顺序，并在接收时间数组对应位置填此时节点Ui时钟ti实际，若在节点Uj的时隙未听到Uj的信息，接收时间数组对应位置填无效值；
步骤3：当时刻到达节点Ui的发送时隙时，节点Ui应该先做时间调整，节点Ui通过接收时间数组完成时间调整；
步骤4：若接收时间数组中均为无效值，无需调整自己的时钟，同步过程结束；
步骤5：若接收时间数组中存在有效值，则找到最近一次接收信息的相关数据，同时利用更早的接收信息的时间加权平均值，判断最近一次接收信息是误差还是错误，具体过程如下：
设接收时间数组中值有效的节点为Vk，k＝0,1,2…，下标按顺序排列，即V0为最近一次接收，且Vk-1之前的一次接收为Vk，对第V1到Vk次接收，相对本地时钟的平均时间误差
式中ωm为加权系数，可以根据实际系统改变，而最近一次V0的接收，与本地时钟的误差为T0＝t0理论-t0实际，对这两次误差求差值，若|Tdiff-T0|>Te为误差不合理，否则误差合理；
步骤6：若误差不合理，则认为最近一次V0信息的接收过程有错误，无视此次接收信息，将接收时间数组中将V0接收的时间设置为无效值，重复步骤(3)；
步骤7：若误差合理，更改本地时间，由当前的Tclock调整为Tclock+Δt0。
7.如权利要求6所述的基于轻量级时钟同步机制的自组网通信方法，其特征在于，节点正常退出：
节点Ui正常主动的退出自组网时，在自己的发送时刻发送退出信息，标识自己即将退出，退出信息同样附带转发次数，其他节点在接收到退出消息后，在接收时间数组中移除Ui位置以及数据，同时在编号-顺序的映射表中删除Ui的顺序，更新表中的顺序，并在
个帧后生效。
8.如权利要求7所述的基于轻量级时钟同步机制的自组网通信系统，其特征在于，节点异常退出：节点退出也可能是由于异常导致的，异常包括系统断电，节点失联，这时节点实际上退出了，但是不发出退出消息，为了防止这种可能性占用时隙资源，设置一个心跳指令，心跳指令工作过程如下：
设其中节点为Ui，编号-顺序的映射表上Ui的下一个节点为Uj，节点Ui询问节点Uj是否存活，心跳指令可以人工控制发出，通过设置在距最近一次接收到节点Uj信息后自动定时发出，而当Uj接收到心跳指令时，在自己的时隙中发送特定的回码，标识自己存活，若节点Ui未接受到回码，则说明节点Uj异常退出，Ui应该再发送一个信息说明Uj的异常退出，更新编号-顺序的映射表中的顺序，并在
个帧后生效。
9.一种通信MAC帧结构，应用于如权利要求1所述的基于轻量级时钟同步机制的自组网通信系统或如权利要求2-7中任一项所述的基于轻量级时钟同步机制的自组网通信方法，其特征在于，每一个MAC帧均包括起始位、地址位、功能位、数据位、结束位，其中：
所述起始位，如果起始位与事先设置相同，表示这是属于该组网的节点，否则这一节点不属于该组网，直接抛弃；
所述地址位，指该节点的编号，用于区分不同节点按发送的信息，地址位的编号不重复；
所述功能位，用于标识此次数据传输的目的，包括正常信息，节点加入请求，同意加入，节点退出，心跳指令，响应心跳指令；
所述数据位，包括此次数据传输具体的数据；
所述结束位，如结束位与事先设置相同，表示信息正常结束。
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