CN1870492B - 无线局域网或自由网中实现时间框架精细同步的方法 - Google Patents
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Abstract
无线局域网或自由网中实现时间框架精细同步的方法在无线无线局域网(WLAN)或自由网(Ad-Hoc？Networks)中，使无线移动装置之间保持时间框架的精细同步的方法。每个无线装置都按照反馈获得的参数周期性地停止正常数据传送而进入一段特定的时期。在此特定时期，各个无线装置进行一系列的保持时间框架同步的操作。具体地说，在此特定时间区内，各个装置首先各自按照算法决定是否发送同步信号。其结果为一部分装置发送同步信号，而另一些装置按照感知到的同步信号与自身的框架时间进行对照，从而对控制进入下一轮数据传送期的时间进行调整，使系统同步。
Description
技术领域本发明涉及无线电信系统。更具体地，但不限制地涉及，在无线局域网或自由网中，实现各个无线装置间时间框架精细同步的方法。
背景技术近几年来，无线网路用户已经进入一个巨大的增长期。在竞争中，无线区域网络(WLANs)或无线保真度(Wi-Fi)由于在他们的价格更趋合理，以及各种不同无线设备的指数增长而得到广泛的应用。从网络结构来看，无线的系统可分为以以基础设施为基础的无线网络和特别无线网络(ad-hocnetwork)[1].一个以基础设施为基础的无线网络包含二种水平--静止水平和移动水平。静止水平由经过接线或无线介质互相连接的固定接入点构成。移动的水平由移动的终端机(无线移动装置)构成，无线移动的终端机与固定接入点或相互彼此通讯。固定接入点永远固定在特定的位置协调无线移动装置的信息传递。当一个无线移动装置开机的时候，它首先向就近的固定接入点注册。固定接入点将会追踪无线移动装置并且为它们提供服务。在一个特别无线网路中，无线移动装置自行组成一个暂时网。特别无线网络不需要通信基础设施的建设，所以其汇用相对对便宜。但是，由于没有固定的固定接入点的协调，特别无线网路缺少或很难得到一些需要权威中心来提供的服务。
图1a举例说明一个典型的多跃距的无线特别网络(Ad-hocNetworks)(22)。如图所示，此例中的无线特别网络(Ad-hocNetworks)(22)由15个无线设备(1～15)组成。对于每个无线设备，发送一个或多个特定的数据包或者所有的数据包的无线电波的功率被按规定调整到一样以至它们的传播范围相同或相似。例如，无线设备(1)的无线电波的传播范围示例性地被一个以其为中心的假想圆16所包含的地域17表示出来。八个无线设备(2～9)都处于无线设备(1)的传播范围内，因而它们都可以与无线设备(1)直接地进行通信。我们可以定义无线设备(2～9)处于无线设备1的一跃距范围内，无线设备(1～9)都是无线设备(1)的一跃距无线设备。而无线设备(10)和(12)可通过一个无线设备的接力而与无线设备(1)通讯。因此，我们定义无线设备(10)，(12)不处于无线设备(1)的一跃距范围内而是处于无线设备(1)的二跃距范围内。(注：处于某一无线设备一跃距范围内的所有无线设备一定处于其一跃距范围内。)无线设备11，13，14，和15处于无线设备(1)二跃距值域之外。无线设备14和13分别地处于无线设备(15)的一跃距和二跃距范围内。圆圈(20)所包括的地域(21)为无线设备(15)的传送范围。在无线多跃距特别网络(22)中，一些或所有的无线设备是处于移动的状态中的。藉由时间消逝，网络拓扑结构将会改变。
图1b举例说明一个典型的无线局域网(WLAN)。如图所示，此无线局域网由一个接入点18和十一个无线移动装置(102，104，106，108，110，112，114，116，120，122，和124)构成。接入点118与英特网126通过连线128相互通讯。无线移动装置能够不通过接入点118的帮助就在它们之间交换数据点。然而，他们一定必须直接地或间接地与接入点118通讯以进入英特网126。在这一个网络拓扑结构中，三个无线移动装置(114，116，和120)处于接入点118的直接通讯区域130内而可直接与接入点进行通讯。其它的无线移动装置，(102，104，106，108，110，112，122，和124)能藉着无线移动装置114，116，或120的接力与接入点118间接地进行通讯。如同无线特别网络中的无线移动装置，这些不能直接与接入点118直接通讯的装置很难享受到接入点所提供的服务。
在无线数据通信必须考虑一些独特的现象或事实。首先，传输媒体是被共享的。信号从一个无线移动装置到另外的一个无线移动装置通常要经验传播延迟，而且其信号强度随它们之间的距离的增长几何地衰减。此外，如果自不同的源点的射频达到一个无线移动装置，无线移动装置不能正确地解码消息。这被形容成一个″碰撞″。无线媒体存取控制(MAC)协议用来协调无线移动装置对WLAN的共享的媒体存取。其目标为近可能地减少数据通讯的撞击率以增加媒体的利用率。载波侦听多路存取(CSMA)[2]是目前主流的实现无线媒体存取控制的基本方法。在载波侦听中，无线移动装置在发送信息包之前，必须侦听到一个无信号传送的媒体。
二进位的倒数计时(binarycountdown)是一个被用于许多应用程序的众所周知的方法，包括用于有线局域网的媒体接入控制(binarycountdownMAC)[3]。在[4](注：作者为本发明者)中，这种二进位的倒数计时媒体接入控制协议第一次被介绍用于无线局域网中。在二进位的倒数计时媒体接入控制中，一个独特的二进制竞争码被用于数据通讯前的媒体接入竞争。其中所有的无线移动装置在发送数据包之前，必须经历一定数量的时槽，并在时槽内或进行媒体侦听或发送发蜂音信号。只有完成所要求数量的时槽的无线移动装置才有权发送信息包。当无线移动装置侦听到发自周围无线移动装置的发蜂音信号将放弃此轮的媒体竞争。在特定的时槽内是否送发蜂音信号或侦听媒体取决于竞争码的位图。举例来说，竞争码为’010’的无线移动装置在随后的三个时槽中的第一个时槽进行媒体侦听，而在第二个时槽中发送发蜂音信号，在第三个时槽内再一次侦听媒体。在二进位的倒数计时MAC协议中，任何二个竞争者用不同的竞争码进行二进位的倒数计时媒体接入竞争，从第一个时槽到最后一个时槽，一定存在一个时槽，在那个时槽里，两个竞争者中的一个发送发蜂音信号而另一个进行媒体侦听，从而保证了胜利者的唯一性来实现无撞击媒体存取。这种二进位的倒数计时媒体接入控制协议的应用前提是各个无线装置间必须保持时间框架的同步。而且二进位的倒数计时媒体接入控制协议对各个无线装置间时间框架的同步的精确性要求还相当高。目前常用的借助全球定位系统来实现同步的方法，要求使用者付出高昂的使用费。还有一些方法(例如：使用一些专用控制信息包的广播)所实现的同步的精度要求达不到二进位的倒数计时媒体接入控制协议的要求。而且怎样保持同步的系统不随时间的推移而失去同步性
本发明的目的为：在无线局域网络系统中，免费地维持或实现无线装置间的时间框架同步。或者在其它时间同步方法实现了粗略的时间同步的基础上，进一步实现无线装置间的时间框架的精细同步。
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发明内容本发明是关于在无线局域网(WLAN)或自由网(wirelessad-hocnetworks)中的，使无线移动装置之间保持时间框架精细同步的方法。在所述方法中，每个无线装置都按照反馈获得的参数周期性地停止正常数据传送而进行一段特定的时期。在此特定的时期内，各个无线装置进行一系列的保持时间框架同步的操作。具体地说，在此特定时间区内，各个无线装置首先各自按照算法决定是否发送同步信号。其结果为一部分装置发送同步信号，而另一些装置按照感知到的同步信号与自身的框架时间进行对照，从而对控制进入下一轮数据传送期的时间进行调整，使系统同步。
附图说明图1a举例说明一个典型的多跃距的无线特别网络(Ad-hocNetworks)；
图1b举例说明一个典型的无线局域网(WLAN)；
图2(A)给出一个示例性时间模型来说明同步校正时间区的周期性
图2(B)给出一个具体的数据传输时间区的划分
图2(C)给出另一个具体的数据传输时间区的划分
图2(D)给出一个关于同步校正时间区的示例性时间模型
图2(E)给出另一个关于同步校正时间区的示例性时间模型
图2(F)给出一个同步信号的二进位数字信号的样本
图3示例说明符合图2(D)的时间格式的一种实施方案的流程图
具体实施方式为了本发明更好的理解，下面具体的描述结合附图，并在这些附图中示出并描述本发明的示例性实施例。在这些附图中，标号用于表示本发明的关键特性。出现在附图中的这些标号在整个说明书中一致使用。
如图2(A)所示，每个无线移动装置采用同一时间模板，即同步校正时间区(202)与定长的数据传输时间区(204)交替出现。其中数据传输时间区(204)可根据数据传输的要求进一步划分成一些相同的或不同的时间区。图2(B)给出一个具体的数据传输时间区(204)的划分。如图所示，数据传输时间区(204)被进一步分成专用于时分多路存取(TDMA)的模式进行媒体接入控制的时间区(210)和以接入竞争为媒体接入控制手段的时间区(212)。其中前者(210)是由更小的分给不同无线竞争装置的时间段组成。以时分多路存取(TDMA)的模式进行媒体接入控制的方式需要各个无线移动装置在时间上同步。图2(C)给出另一种使用本发明关于时间同步的方法以进行时间分区的示例。如图2(C)所示，数据传输周期(204)是由一个或多个定长的时间区(214)组成。每个数据传输将历时一个或几个这样的时间区(214)。
同步校正时间区(202)内有一个时间段是专用于发送同步信号(206)的。同步信号(206)通常是由特定的二进位数字信号构成并可被收听站辨认出。图2(F)给出一个示例性样本。如图所示，同步信号是由至少32个相当于“1”的二进位数字信号构成。
本发明的一个关键是何时发送同步信号和历时多长。图2(D)给出一个示例性时间模型来支持本发明的时间同步机制。此模型的出发点是根据开始发送同步信号的时间点来校正同步时间的。如图2(D)所示，同步校正时间区(202)的前部叫做缓冲时间区(222)。每个无线移动装置都约定在同步校正时间区(202)开始前结束数据通讯。由于各种因素，无线移动装置间很难达到绝对的同步。本发明中的缓冲时间区(222)的设计正是为了缓冲这种不同步性。因此，在随后的特定时间长度的同步校正窗口(224)中，媒体中将没有数据传输以便于无线移动装置之间进行同步校正。对于同步信号(206)的收听站，同步信号可能出现在特定时间长度的同步校正窗口(224)的任何位置。无线侦听装置将以在特定时间长度的同步校正窗口(224)内最早出现的同步信号(包括虚拟的自己的同步信号发送时间)为基准来校正同步时间。每个无线移动装置将在同步信号的开始时间到启动数据通讯之间的特定时间长度(226)之后启动新的数据传输。在这一个实施例中，同步信号(206)的发送时间是定长的，相对于特定时间长度的同步校正窗口(224)来说小得多。
图3举例说明符合图2(D)的时间格式的一种实施方案。在系统中，有三个专用存储器用来记录三个控制变量，分别命名为，FRAME，SENSE，和PAUSE。FRAME的数值符合数据通讯周期(204)的固定长度。SENSE的数值是与特定时间长度的同步校正窗口(224)的时间长度一致的。PAUSE的数值与缓冲时间区(222)的固定长度一致。当一个无线移动设备开机，或加入目前的无线网的时候(如步骤300所示)，此无线移动装置的SENSE变量将被初始化为一预先定义的相当大的临界值-big_m，如步骤301所示。在此，足够大的big_m的数值是为了引来这样一个结论：如果无线装置在big_m这么长的时间内没有发现任何的同步信号，那么此无线装置为本无线网中的孤立无线移动装置。随着无线移动装置对媒体进行侦听，SENSE的数字随时间的流逝逐渐地减小(如步骤320，322所示)。结果有两个，或者那个新的无线移动装置发现同步信号，根据来自判定步骤324的“是”路径，或者它在big_m时间计数到0时，尚未发现任何同步信号，根据来自判定步骤326的“是”径，新到的无线移动装置将同步地融入目前的无线网络中。
循环地，在数据传输时间区204的开始，无线移动装置将分别设定它们的三个控制变量，FRAME，SENSE，和PAUSE为数值n，m和k，如步骤302所示。其中，数值n表达了以定长为单位的时隔，例如，在图2(C)中，n的数值为6，或某一时间绝对值。在数据传输的过程中，每当预先规定的时间量流逝，FRAME的数值减小一个单位，如步骤306，和308所示。一旦FRAME的数值降为″0″，根据来自判定步骤308的“是”路径，无线移动装置将会结束数据通讯，如步骤310所示。
实际上，无线移动装置将停止处理下一个数据包的传输，如果它发现剩余的时间不足以完成一个完整的数据包。PAUSE的数值在FRAME的数值降为“0”之后开始倒数计数。在无线移动装置暂停发送任何信号k时间后，根据来自判定步骤314的’是’路径，无线移动装置将决定它是否在随后的特定时间长度的同步校正窗口(224)发送或侦听同步信号。这一个决定可由随机概率或某一规律来定。例如，利用一个乱数发生器产生一个数值域介于0和1之间的乱数，如步骤316所示。无线移动装置将这个乱数与系统参数‘P’进行比较，如果乱数的数值比‘P’的数值更大，根据来自判定步骤318的’是’路径，无线移动装置将会在随后的特定时间长度的同步校正窗口(224)内侦听媒体，并对同步时间进行校正。否则，根据来自判定步骤318的’否’路径，无线移动装置将触发同步信号的发送机制在随后的特定时间长度的同步校正窗口(224)内会发送同步信号。P的数值可设定为某一固定的数值。P的值也可动态地按某一个算法改变。例如，P的值为动态地反映目前周围实际节密度的适当数值。即，P的数值在高节密度的无线网络中的数值应该比在低节密度无线网络中的数值来得小。算法的目标是让尽量多的无线移动装置处于同步信号的侦听状态并且让侦听到同步信号(至少有一个无线移动装置发送同步信号)的概率尽量的大。在多跃距环境中，同步时间被调整的无线移动装置将调高它的P值以增加其发送同步信号的几率，直至完成一个同步信号的发送。此机制的目的为让隐形节点(需要中间无线移动装置来完成同步校正的无线移动装置)也有较高的机会进行同步校正。
根据来自判定步骤318的’是’路径，无线移动装置被初始化去侦听媒体，历时m时间单位。如果无线移动装置在这周期期间不发现任何的同步信号，根据来自判定步骤326的’是’路径，无线移动装置将初始化三个控制变量-FRAME，SENSE，和PAUSE，并进入新一轮的数据通讯，如步骤302所示。如果无线移动装置在控制变量SENSE的数值降为0之前发现一个同步信号，根据来自判定步骤的324的’是’路径，无线移动装置将会比较目前SENSE的数值与另一预先定义的数值-T的大小.T的值为另一系统固有值，表达了同步信号的开始时间到启动数据通讯之间的特定时间值(226)。如果SENSE的值比T值大，根据来自判定步骤328的’是’路径，无线移动装置将重设SENSE的值为T，如步骤330所示。其结果为无线移动装置的同步时间以最早出现的同步信号为基准来进行校正。在步骤330之后，或根据来自判定步骤328的’否’路径，无线移动装置仅仅侦听媒体或等候时间消逝直到SENSE的值降为0，然后进行数据传输并回到步骤302。在判定步骤328中，SENSE的值比T大，意谓着无线移动装置发现一个同步信号比其同步时间来得早。假设所有的无线移动装置都实现了同步，那么由于信号传输延迟，以上这种情况不可能发生。所以一旦发现以上情况，所说的无线移动装置必须将时间向前漂移。如果无线移动装置的SENSE值不比T大，根据来自判定步骤328的’否’路径，无线移动装置不必调整它的同步时间，而仅仅等到SENSE的数值降为0，回到步骤302。
如果无线移动装置决定在随后的特定时间长度的同步校正窗口(224)内发送一个同步信号，根据来自判定步骤318的‘否’路径，无线移动装置侦听媒体或等候时间，直到SENSE的数值减少到T，如步骤336和338所示，然后传送一个同步信号，如步骤340所示。在回到步骤302之前，无线移动装置需要等候直到SENSE的数值降为0，符合判定步骤344的’是’路径。同步信号发送过程不影响SENSE数值的减小进程。如若装置没有区分同步信号和正常的数据包的能力，则，同步信号的辨别是依据在特定时间长度的同步校正窗口(224)内出现的信号能量来确定的，则侦听装置仅在特定时间长度的同步校正窗口(224)内进行媒体侦听；而在缓冲时间区内，侦听装置没有任何操作。相应地，同步信号发送装置也在同步校正窗口开始不少于缓冲时间区的时间后发送同步信号。这样设计的目的是即保证了侦听装置不把发自其它无线装置的滞后的数据包误以为同步信号，也不会把发自其它无线装置的超前的同步信号漏掉。如若侦听装置是靠同步信号的特征(例如比特图)来辨别同步信号的，那么侦听装置在进入同步校正时间区(202)时，即在缓冲时间区内便开始进行媒体侦听，一旦发现同步信号，则进行同步校正。校正的时间点位于同步信号的始发点向后延迟一个同步信号所历时间。相应的，同步信号的发送者在经历了缓冲时间区(222)后，便立即发送同步信号，如图2(E)所示。
在前面提到的实现时间框架同步技术中，同步信号的发送期被缩小到可能的最小值，并且无线移动装置总是试图向前调整它的同步时间。这是一种时间微调机制非常适合于维持同步系统。这种微调机制能够在不影响正常数据传输的情况下进行时间框架的同步调节。
如果无线移动装置间存在大的异步时间，单纯依靠以上介绍的方法来进行同步调节，效果甚微。为了提高同步调节效率，一些专用控制信息包将被广播，或者第三者装置，例如全球定位系统将被利用来一次性将不同步无线移动装置调节到基本同步，然后以上介绍的微调机制便能很好地维持各个无线移动装置间的同步。这种大的异步很少在被同步化的系统中发生的，除了二个分隔的同步系统融合成一个系统。
Claims (9)
1.一种用于无线局域网WLAN或自由网wirelessad-hocnetworks中的，使无线移动装置之间保持时间框架同步的方法，所述方法的特征为：
无线移动装置周期性地按时停止正常数据传送而进入同步校正时间区(202)；
无线移动装置决定是否在此轮同步校正时间区内发送同步信号；
无线移动装置在缓冲时间区(222)内停止发送任何无线信号；
如果无线移动装置决定发送同步信号，它在特定的时间长度T1后发送同步信号，并在同步信号的开始时间到启动数据通讯之间的特定时间长度T2后重新开始回到正常的数据交换中；
如果无线移动装置决定不发送同步信号，它将对媒体进行侦听，并在特定时间长度的同步校正窗口T3后重新开始正常的数据交换；
侦听装置在侦听到发自周围无线装置的同步信号时，校对自身的时间框架的同步性并对自身同步时间进行自动调节。
2.根据权利要求1所说的方法，其中是否在此轮同步校正时间区内发送同步信号是根据某概率决定的。
3.根据权利要求2所说的方法，其中所说的某概率是根据周围无线移动装置的数目反馈决定的。
4.根据权利要求3所说的方法，其中所说的某概率，还根据自身的同步时间的调整行为而进行调整，即同步时间被调整的无线移动装置将调高它随后的同步信号发送概率值以增加其发送同步信号的几率，直至完成一个同步信号的发送。
5.根据权利要求1所说的方法，其中所说的侦听装置对自身同步时间的调节是这样进行的：在侦听到发自其它装置的同步信号时，侦听装置将开始下一轮数据交换的倒数剩余时间与一规定数值进行比较，如果剩余时间值大于规定数值，则将剩余时间值重设为一规定值；
在剩余时间值倒数计数至0时，开始新一轮数据交换周期。
6.根据权利要求5所说的方法，同步信号的发送历时小于至下一轮数据周期的剩余时间值；所说的同步信号通常是由特定的二进位数字信号构成并可被侦听装置辨认出。
7.根据权利要求6所说的方法，其中所说的侦听装置对同步信号的辨别是依靠在特定时间长度的同步校正窗口T3内出现的信号能量来确定的；侦听装置在经历了缓冲时间区(222)后开始进行媒体侦听；相应地，同步信号发送装置在经历了缓冲时间区(222)之后，再经历一个规定的不少于缓冲时间区的时间后发送同步信号。
8.根据权利要求6所说的方法，其中所说的侦听装置对同步信号的辨别是依靠同步信号的特征来确认的；侦听装置在进入同步校正时间区(202)时便开始对媒体进行侦听以检测同步信号；同步信号的发送者在经历了缓冲时间区(222)后，便立即发送同步信号。
9.根据权利要求7或8所说的方法，还包括了新开机的无线装置与现存无线局域网之间实现时间框架同步的方法；所述方法进一步包括：
新开机无线装置对媒体进行无限期媒体侦听直至侦听到同步信号；
在侦听到发自其它装置的同步信号时，侦听装置将在同步信号的开始时间到启动数据通讯之间的特定时间长度T2后开始正常的数据交换。
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Legal Events
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Effective date of abandoning: 20061129 |
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| C20 | Patent right or utility model deemed to be abandoned or is abandoned | ||
| CI01 | Correction of invention patent gazette |
Correction item: deemed to have abandoned the patent right Correct: The revocation of the patent right shall be regarded as giving up False: The patent right is deemed to be abandoned Number: 25 Volume: 28 |
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| ERR | Gazette correction |
Free format text: CORRECT: PATENT RIGHT DEEMED TO BE ABANDONED; FROM: PATENT RIGHT DEEMED TO BE ABANDONED TO: REVOCATION PATENT RIGHT DEEMED TO BE ABANDONED |
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| DD01 | Delivery of document by public notice | ||
| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Tong Huiying Document name: Notice of termination of patent |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160420 Termination date: 20200525 |