CN1719781A

CN1719781A - 一种Ad hoc网络TDMA时隙同步方法

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Publication number: CN1719781A
Application number: CNA2005100357109A
Authority: CN
Inventors: 赵民建; 罗志勇; 徐明霞; 黄耕文; 刘勇; 张建军; 杨仕平; 钟杰
Original assignee: Zhejiang University ZJU; Guangzhou Haige Communication Group Inc Co
Current assignee: Zhejiang University ZJU; Guangzhou Haige Communication Group Inc Co
Priority date: 2005-07-08
Filing date: 2005-07-08
Publication date: 2006-01-11
Anticipated expiration: 2025-07-08
Also published as: CN100337437C

Abstract

一种Ad hoc网络TDMA时隙同步方法，包括以下步骤：将时分多址接入(TDMA)系统中的各节点中的时元的每一个时帧的第一个时隙设置为用于竞争的管理时隙，且通过选举产生时间主控节点和备份主控节点，在主控节点与其余次节点之间采用跳频数传方式发送时间同步信息并设置一个换频计数器来实现收发双方的换频基准一致；增设一个时隙计数器和一个时帧计数器而实现各节点之间的时间同步和时间更新并使整个网络的各节点时间基准基本一致。本发明由于采用将各时帧中第一个时隙设置为用于竞争的管理时隙并结合跳频数传方式来实现时隙同步的方法，使本发明通过以网络内部节点的时间作为整个网络的时隙同步基准，使得网络具有更高的安全性。

Description

一种Ad hoc网络TDMA时隙同步方法

技术领域

本发明涉及无线网络接入领域，特别是一种在Ad hoc网络中，实现时分多址接入(Time Division Multiple Access，TDMA)系统的时隙同步方法。

背景技术

Ad hoc网络是一种无线、多跳的自组织网络。网络中的节点借助于其他节点的转发，可实现与信号覆盖范围外的节点的通信。由于节点的可移动性，节点可随时的加入或退出网络，引起网络拓扑结构变化频繁，这使得Ad hoc网络的实现变得困难。

TDMA(Time Division Multiple Access)时分多址接入是一种典型的多址接入方式，网络中的节点通过使用时隙分时共享无线信道。该方式解决了网络用户间的碰撞问题，提高了效率，可以确保部分实时数据和话音业务传输。为了确保各用户发射时隙不产生碰撞，全网需要统一时间基准，时间基准站要不断发同步信息以维持基准的统一性。TDMA一般应用在含有中心节点的单跳通信场合，如蜂窝系统中的小区，小区内的节点经过一跳就可以接入基站，基站间通过有线连接，因此易于实现全网的同步。在Ad Hoc网络中不存在可以直接和所有用户通信的中心节点，网络节点一般要经过多跳才能与其它节点通信，在这样的网络中使用TDMA接入，时隙同步问题变得复杂。所以实现基于TDMA的多跳Ad Hoc网络的关键问题之一就是时隙同步。

发明内容

本发明的目的在于提供一种安全、简单和可靠的应用于Ad hoc网络中的时分多址接入(TDMA)系统用时隙同步方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种Ad hoc网络TDMA时隙同步方法，包括以下步骤：

(1)、将时分多址接入(TDMA)系统中的各节点中的时元的每一个时帧的第一个时隙设置为用于竞争的管理时隙，该时隙传输时间同步信息(TOD)帧；

(2)、各节点中的管理时隙通过选举产生时间主控节点和备份主控节点并将其余次节点按照其与主控节点的距离跳划分等级；

(3)、在主控节点与其余次节点之间采用跳频数传方式发送时间同步信息(TOD)以实现各次节点与主控节点之间的跳频同步而使各节点的时间基准向主控节点靠齐；

(4)、在主控节点与其余次节点之间设置一个换频计数器来对具体的换频时刻进行实时控制而使收发双方的换频基准一致；

(5)在每个节点上增设一个用于在时帧内部计数的时隙计数器和一个用于对时元内的时帧进行计数的时帧计数器而实现各节点之间的时间同步和时间更新并使整个网络的各节点时间基准基本一致。

其中，为进一步提高本方法中数据收发的可靠性，上述各时帧中的每一时隙的前部设置为允许时隙在一定范围内抖动的保护带，以确保数据包在节点间的准确无误传送。

本发明由于采用将各时帧中第一个时隙设置为用于竞争的管理时隙并结合跳频数传方式来实现时隙同步的方法，首先使本发明可以方便的利用以网络内部节点(主控节点)的时间作为整个网络的时隙同步基准，避免了采用外部时钟来源而造成的可靠性低的问题的出现，并通过这种网络的封闭性使整个网络具有更高的安全性。其次，通过其用于竞争的管理时隙来采用选举产生时间主控节点和备份主控节点，又大大地增强了系统的抗毁性，可进一步确保系统的安全性。同时基于物理层的跳频数传的时隙同步方法，既可以在跳频同步的基础上增加一定的控制来实现时隙的同步，又使其实现控制简单，占用系统资源少，不需要在网络中传送具体的时间信息，占用的网络带宽少。这对于处理能力有限的Ad hoc节点和实际传输带宽小的Ad hoc节点和实际传输带宽较小的Ad hoc网络来说是很有利的。而且本发明又利用在各时隙中增加保护带的方法，通过牺牲少部分的带宽，而有效避免对于在移动Ad hoc网络环境下难以估计且相对较小的传播时延进行估计，降低了实现的复杂度。并通过在时隙间添加保护带而允许时隙在一定范围内的抖动，从而避免了在时节隙的交接处可能存在的冲突，虽然牺牲了一小部分带宽，但可有效提高传输的可靠性。

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

附图说明

图1是本发明所述的时分多址接入系统用时元的结构组成示意图；

图2是本发明所述的Ad hoc平面网络结构示意图。

具体实施方式

如图1～图2所示，本发明所述的Ad hoc网络TDMA时隙同步方法，包括以下步骤：

(1)、将时分多址接入(TDMA)系统中的各节点中的时元的每一个时帧的第一个时隙设置为用于竞争的管理时隙，该时隙用于传输时间同步信息(TOD)帧。

(2)、各节点中的管理时隙通过优先级的方法或令牌的方法来选举产生时间主控节点和备份主控节点以保证时隙基准来源的可靠性，并将网络中的其余次节点按照与主控节点的距离跳划分等级和使全网各节点的时间基准向主控节点靠齐其中，时间主控节点除了作为时间基准之外，其他各项功能与网络中其他节点相同；在主控节点无法工作时，迅速将备份节点升级为主控节点。同时网络中的节点按照与主控节点距离的跳数划分了等级，主控节点的等级最高为0级，其余网络中的节点距离主控每增加一跳，等级加1。为了使全网时间基准都向主控节点靠齐，节点只有在接收到等级高于本地的同步信息时，才对本地的时隙基准进行更新；

(3)在主控节点与其余次节点之间采用跳频数传方式发送时间同步信息(TOD)以实现各次节点与主控节点之间的跳频同步，此时由于物理层采用跳频数传方式，为保证在长周期、高复杂度跳频码的需求下也能快速、可靠的同步，可通过发送时间同步信息(TOD)(time of date)来实现跳频同步。其中所述同步信息(TOD)帧一般包括前导字、分隔符、同步信息(TOD)内容三个部分。其中分隔符在每个跳频包中的位置是固定的，当检测到分隔符时可以准确的对跳频包定位，实现收发双方换频一致。同步信息TOD内容主要包括了发送同步信息(TOD)的节点号、同步信息(TOD)等级、跳频同步控制信息和时帧定位信息等，同时根据系统的具体需求可发送系统和网络的控制信息；

(4)在主控节点与其余次节点之间设置一个换频计数器来对具体的换频时刻进行实时控制而实现收发双方的换频基准一致，由于收发中断由系统时钟驱动，其频率是固定的，一跳的时间长度对应于固定个数的收发中断。换频计数器通过对收发中断的计数，可以知道具体的换频时刻。当检测到分隔符时，节点会对换频计数器进行校正。由于系统可以对接收处理时延进行准确估计，根据当前处理到分隔符的位置，补偿接收处理时延后就是当前空中信号实际接收的位置，将换频计数器校正到该位置，在忽略空中传播时延的情况下，可实现收发双方的换频基准一致；

(5)在每个节点上增设一个用于在时帧内部计数的时隙计数器和一个用于对时元内的时帧进行计数的时帧计数器而实现各节点之间的时间同步和时间更新并使整个网络的各节点时间基准基本一致，此时因为在收发双方的换频基准一致的基础上可以增加一些控制机制，以实现整个网络节点时间基准基本一致。本发明在每个节点采用了一个时隙计数器和时帧计数器来维持节点的时间。时隙计数器用于在时帧内部计数，计数的频率与换频计数器的计数频率相同；时帧计数器用于对时元内的时帧进行计数。对于收发双方都以空中信号作为时隙计数器的计数基准。网络中的节点通过时隙计时器来判定时隙的起始，当各个节点的时隙计时器计数一致时，也就实现了时间同步。因此，时间同步也就是对各个节点时隙计数器的同步。同时因为时隙计数器的初始化代表了网络节点时间初始化的过程。系统启动后，网络中的时间主控节点开始向外发送同步信息(TOD)；其他节点则开始慢搜索同步信息(TOD)。主控节点在连续发送完一个时隙的同步信息(TOD)后对时隙计数器设置初值；其他节点则在搜索到同步信息(TOD)时，并接收完整个时隙的同步信息(TOD)后再设置时隙计数器的初始值。时间主控节点的(TOD)等级最高，为0级。假设每个时元由M个时帧组成，每个时帧由N个时隙组成，每个时隙由K个物理跳组成，每一跳对应了时隙计数器P次计数，发送端处理时延估计值对应了时隙计数器的Q次计数，可以得到主控节点时隙计数器的初始值为

T_{slot init s}＝K·P-Q

网络中其他节点在开机后开始对同步信息(TOD)的慢搜索过程。在搜索到同步信息(TOD)时，在收完整个时隙的同步信息(TOD)帧后对同步信息(TOD)的内容作联合判决，可获知发送方的节点号、同步信息(TOD)等级以及所在的时帧等信息。时帧信息可用于对时帧计数器进行初始化。设置本地的同步信息(TOD)等级为接收到的同步信息(TOD)等级加1。在DSP处理完整个同步信息(TOD)时隙的内容时，对时隙计数器进行初始化，此时实际空中信号的位置还需要加上接收处理时延。假设接收处理时延的估计值对应了时隙计数器的R次计数，那么可以得到接收端时隙计数器的初始值为

T_{slot init r}＝K·P+R

对时隙计数器的更新实际上就是对节点时间基准的更新。由于时钟漂移的存在，网络节点时间在一次同步后，随着时间的推移，节点之间的时间偏差会越来越大，因此需要进行同步跟踪。同步跟踪通过网络中的节点按照特定的算法在每个时帧的第一个时隙发送同步信息(TOD)实现。节点在初始同步后，在每个时帧的第一个时隙，如果是发送，那么就将本地的同步信息(TOD)发送出去；如果是接收，那么就接收整个时隙的同步信息(TOD)，解析出同步信息(TOD)等级，高于本地时对本地的时隙计数器进行更新，否则不予处理。在处理完整个同步信息(TOD)时隙的内容时对时隙计数器进行更新，更新的值为

T_slot renew＝K·P+R

各个节点的时隙计数器代表了节点的时间，节点通过时隙计数器来定位时隙的起始和结束，通过对时隙计数器的设置和更新实现了节点之间的时间同步和时间更新。

其中，由于在同步信息从一个节点传递到另一个节点的过程中，会经历各种时延，这些时延的不确定性成为影响同步精度的一个主要因素，形成同步偏差误差。同时，节点往往通过内部晶振来维持时间，晶振的精度受多种因素的影响，随着时间的推进，会发生漂移，产生漂移误差。也就是说，节点的时间在一次同步之后，随着时间的推进，与基准时间之间的偏差可能会越来越大。为了保证不发生失步，需要进行再次同步。由于这些误差不可避免，节点之间的时间基准无法做到完全一致，因此有可能在时隙的开始和结束的一定范围内发生冲突。为了避免冲突的发生，以有效提高本方法的数据收发可靠性，上述各时帧中的每一时隙的前部设置为允许时隙在一定范围内抖动的保护带，而在该保护带可以方便地通过特征字检测来判断时隙的精确起始位置，从而可确保数据包在节点间的准确无误传送。其中保护带的具体的长度的设置需要考虑时帧漂移偏差和同步偏差的存在。一个跳频帧从发送节点到接收节点，按照先后顺序主要经历的时延有：发送处理时延、空中传播时延和接收处理时延。

发送处理时延主要是产生跳频帧的时间和跳频帧通过发送通道到达空中的时间。由于跳频帧可以在一跳开始前准备好，时间的对齐从跳频帧的发送时刻开始计算，因此这部分的时延只需要考虑经历发送通道的时间。在软件无线电平台下，跳频帧经过发送通道的时延主要取决于数字上变频器的时延，由成形滤波器和其他HBF、CIC滤波器引起。

空中传播时延主要取决于两个节点之间的距离。

接收处理时延主要是跳频帧经过接收通道的时间和在接收缓冲器中等待处理的时间。接收通道的时延主要取决于数字下变频器的时延，主要由半带滤波器引起。DSP/ASIC处理等待时延大小取决于进入缓冲器的数据率和缓冲区的大小，其最大值为数据第一次进入缓冲区时，填满缓冲区的时间。

当系统的参数确定时，可以对发送处理时延和接收处理时延进行准确的估计，估计的精度可控制在几μs之内。由于网络是一个移动ad hoc网络，在移动环境下估计两个节点之间的传播时延比较困难，需要付出较大的系统代价。在ad hoc环境下，源节点往往需要经过中间节点的多跳转发才能将数据送到目的节点，但是在TDMA组网下，中间转发节点在收到转发包时，要等到分配给该节点的时隙到达时才将数据包转发出去，也就是节点的各个时隙之间是相互独立的。因此，只有可以直接通信的两个节点之间的传播时延才会影响保护带设置。当网络中可直接通信的两个节点之间的最大距离在几十公里时，其间的传播时延为几十μs，如果时隙长度为几十ms，通过在时隙间增加几十μs的保护带来允许传播时延的存在不会对系统性能造成很大的影响。因此，系统可以对节点间的传播时延不作具体估计。

假设晶振的精度为10^-p，晶振频率为fMhz，在每个时元周期里，网络中的每个节点至少会收到一次同步更新信息，跳频系统采用的是h跳/秒。那么，系统的最大时钟漂移偏差为

t_drift＝fMhz·M·N·K·(l/h)

同步偏差主要由对处理时延的估计残留偏差和传输时延引起。假设对处理时延的估计误差为t_pro i∈(-Δt_pro，Δt_pro)，网络中两节点之间的最大传输时延为t_trans max，将所有传输时延都估计为0.5t_trans max时，传输时延的估计误差为τ_trans i∈(-0.5t_trans max，0.5t_trans max)，那么相邻同步等级节点之间的同步偏差为

t_offset i＝τ_pro i+τ_trans i

数据包从一个节点发送到另一个节点的过程中同样会经历处理时延和传播时延，在多跳环境下，随着节点与时间主控节点之间跳数的增加，时间基准偏差也会增大。假设网络中最多有N跳节点，那么网络主控节点与N跳节点之间时间基准偏差值为

Σ_{i = 1}^{N} t_{offset_i .}

考虑最差情况时，基准偏差的最大值为

t_{offset_max}＝N(Δt_pro+0.5t_{trans_max})

在从低等级节点往高等级节点发送数据时，还存在一个同步偏差，加上时间漂移偏差，保护带的长度要容许这些偏差的存在，长度为

t_protect≥t_{offset_max}+t_offset+t_drift

通过提高时钟晶振的精度或者加快重同步的频率，可以减小保护带的长度，增加时隙的利用率；但是提高晶振的精度增加了系统成本，而加快重同步的频率也就是需要更多的同步时隙，从而减少了数据时隙，因此需要在系统效率和系统代价之间进行折中求获取适当的保护带长度。

Claims

1、一种Ad hoc网络TDMA时隙同步方法，其特征在于包括以下步骤：

2、根据权利要求1所述的Ad hoc网络TDMA时隙同步方法，其特征在于上述各时帧中的每一时隙的前部设置为允许时隙在一定范围内抖动的保护带。

3、根据权利要求1所述的Ad hoc网络TDMA时隙同步方法，其特征在于上述时间同步信息(TOD)由前导字、分隔符、同步信息(TOD)内容三个部分组成，其中分隔符可以准确对跳频包进行定位，以实现收发双方换频的一致；同步信息(TOD)内容主要包括发送同步信息(TOD)的节点号、同步信息(TOD)等级、跳频同步控制信息和时帧定位信息及系统和网络的控制信息。

4、根据权利要求1所述的Ad hoc网络TDMA时隙同步方法，其特征在于上述步骤(5)中的主控节点的时隙计数器的初始化是在其向其余次节点发送完一个时隙的同步信息(TOD)帧后对其时隙计数器设置初始值。

5、根据权利要求1所述的Ad hoc网络TDMA时隙同步方法，其特征在于上述步骤(5)中其余次节点的时隙计数器的初始化是在其接收到主控节点发出的整个时隙的同步信息(TOD)帧后对其时隙计数器设置初始值。