專利名稱:在tdma多跳無線網(wǎng)絡中進行時間同步的方法和設備的制作方法
在TDMA多跳無線網(wǎng)絡中進行時間同步的方法和設備技術領域：
本發(fā)明涉及通信網(wǎng)絡領域。更具體地，本發(fā)明涉及TDMA ("時分多址")多跳無線網(wǎng)絡。
技術背景在多跳無線網(wǎng)絡中，配備有無線接口的一組節(jié)點形成了網(wǎng)絡基礎 設施，其中，通過多個無線跳，向預期目的地轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。多跳無線通 信范例最初用于軍事應用，如自組織網(wǎng)絡，而現(xiàn)在應用于新興商業(yè)應 用，如網(wǎng)狀網(wǎng)絡、傳感器網(wǎng)絡、個人區(qū)域網(wǎng)和無線廣域網(wǎng)。本發(fā)明考慮一種多跳無線網(wǎng)絡，其中，使用時分多址(TDMA) 協(xié)議來協(xié)調(diào)傳送。TDMA協(xié)議的吸引人之處在于它們可以通過無沖突 的周期性傳送調(diào)度來提供帶寬和延遲保證。新興的多跳無線標準，如 IEEE 802.16j移動多跳中繼[IEEE 802.16's Mobile Multihop Relay (MMR) Study Group, http:〃www.ieee802.org/16/sg/mmr/]目前正在考慮 TDMA協(xié)議，該多跳無線標準的目的是增強當前單跳IEEE 802.16無 線系統(tǒng)的覆蓋，并解決多跳無線環(huán)境中現(xiàn)有的載波偵聽多址接入 (CSMA)協(xié)議所遇到的眾所周知的性能問題。在TDMA協(xié)議中，所有節(jié)點與公共時間參考同步，在多時隙幀序 列中周期性地進行傳送。每個幀由控制子幀后接數(shù)字子幀組成。這兩 個子幀均具有固定持續(xù)時間，并均由多個時隙組成。在每個控制子幀 期間，執(zhí)行各種管理功能，包括同步和調(diào)度計算/分發(fā)。在數(shù)據(jù)子幀的 每個時隙期間， 一些節(jié)點根據(jù)在前一控制子幀期間己計算出的網(wǎng)絡調(diào) 度來進行無沖突的傳送。調(diào)度計算可以是分散式的(由節(jié)點計算)或 集中式的(由充當網(wǎng)絡控制器的單個節(jié)點計算并分發(fā)至節(jié)點)。任何TDMA協(xié)議的操作的核心是同步機制，同步機制保持節(jié)點時 鐘與公共時間參考同步。該時間參考使節(jié)點能夠基于網(wǎng)絡調(diào)度在每個時隙進行發(fā)送。在集中式調(diào)度的情況下，該時間參考也使控制器節(jié)點 能夠計算網(wǎng)絡范圍內(nèi)無沖突的調(diào)度方案，該調(diào)度方案向網(wǎng)絡中的所有節(jié)點提供帶寬和延遲保證。任何TDMA系統(tǒng)的同步機制應當是高度精 確的，具有有限的執(zhí)行時間(延遲)和低開銷，較為便宜而且應用廣 泛。以下將更詳細地描述這些特征并討論其對TDMA協(xié)議性能的影響。實際上，永遠不可能使節(jié)點時鐘完美同步。高度精確的同步機制 應當最小化從公共時間參考的所有節(jié)點時鐘漂移。還應當限制所有時 鐘漂移以實現(xiàn)TDMA MAC協(xié)議參數(shù)(如時隙保護時間，其是TDMA 協(xié)議操作期間的一種恒定的每時隙開銷)的(離線)設計。高度精確 的同步機制應當實現(xiàn)較低的每時隙保護時間，從而實現(xiàn)較小的時隙持 續(xù)時間。較小的時隙持續(xù)時間產(chǎn)生較小的幀持續(xù)時間，較小的幀持續(xù) 時間將轉(zhuǎn)化為較低的延遲。高度精確的同步機制還實現(xiàn)了以較快的時 間標度對傳送進行控制，這將轉(zhuǎn)化為高效的協(xié)議操作。在控制子幀期間執(zhí)行時鐘同步機制，其執(zhí)行時間是每幀的開銷。 必須既限制又最小化該幵銷，以實現(xiàn)TDMA MAC協(xié)議參數(shù)(如控制 子幀的持續(xù)時間，該持續(xù)時間在TDMA協(xié)議操作期間是固定的)的最 優(yōu)設計。同步機制不應當使無線系統(tǒng)耗費過多額外成本。理想地，同步機制應當適用于不同的無線環(huán)境(室內(nèi)/室外)、不 同類型的多跳無線網(wǎng)絡(網(wǎng)狀網(wǎng)絡、個人區(qū)域網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡)以及 不同類型的設備(在基礎設施內(nèi)操作的無線路由器或在無線網(wǎng)絡邊緣 處操作的客戶端)。沒有任何用于多跳無線網(wǎng)絡的現(xiàn)有同步機制可以支持所有上述特征?，F(xiàn)有同步機制可以大致歸類為帶內(nèi)的或帶外的。帶外同步機制使 用附加硬件來實施公共時間參考。例如，如果所有無線節(jié)點都通過全 球定位系統(tǒng)(GPS)設備調(diào)諧至外部全局時鐘，則可以以高精度實現(xiàn) 時鐘同步。由于GPS設備較為昂貴并且只能在具有空曠的天空視野的室外環(huán)境中工作，因此這種方法不是廣泛適用的。帶內(nèi)同步機制試圖通過在網(wǎng)絡內(nèi)發(fā)送信標同步消息來同步節(jié)點時 鐘。帶內(nèi)同步機制的最簡單版本運行在現(xiàn)今的星形拓撲的無線系統(tǒng)中， 其中，服務器節(jié)點向固定或移動客戶端節(jié)點提供單跳無線接入。示例是GSM/TDMA蜂窩網(wǎng)絡、衛(wèi)星系統(tǒng)、IEEE 802.16寬帶無線系統(tǒng)、使 用點協(xié)調(diào)功能(PCF)的IEEE 802.11無線LAN、或者藍牙系統(tǒng)。在 這些單跳無線TDMA系統(tǒng)中，可以通過從服務器向所有客戶端周期性 地廣播傳送信號或信標分組來實現(xiàn)時間同步(見例如美國專利No. 7 263 590 "iSy他w
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^m'"g cow/ra/ /"ZDM/7X)M4"e/m;onb")。該方法不能應用于多跳無線網(wǎng)絡，這是由于 提供網(wǎng)絡時間參考的節(jié)點不能使用單一廣播傳送來到達所有其他節(jié) 點。 ' 對用于多跳無線網(wǎng)絡的帶內(nèi)同步機制進行幵發(fā)的一種潛在方式是 對用于多跳有線網(wǎng)絡的同步機制進行適配。網(wǎng)絡時間協(xié)議(NTP)是 因特網(wǎng)上目前使用的最眾所周知的時鐘同步機制[D. L. Mills. '7"^^W 77we 5ywc/7row/2a^ow: T7ze iVe/wo/^ 77/we尸尸ofoco/.〃 In Zhonghua Yang and T. Anthony Marsland (Eds.)， Global States and Time in Distributed Systems, IEEE Computer Society Press, 1994.]。 NTP信令被認為是無線 環(huán)境的沉重負擔一一NTP的現(xiàn)有無線適配產(chǎn)生較低精度和較高幵銷， 即使對于單跳無線網(wǎng)絡的簡單情況也是如此。針對多跳無線傳感器網(wǎng)絡，已經(jīng)提出了一些帶內(nèi)時鐘同步算法， 包括以下各項 J. Elson, L. Girod， and D. Estrin. "F/"e-Gra/"eii iVefworA: 77me Sjvwc/zrom'z加'ow f/s/"g 7 e/erewce BraadcasW In Proc. 5th Symposium on Operating Systems Design and Implementation (OSDI)， 2002, S. Ganeriwal, R. Kumar, and M. Srivastava. "r/w/"g-，c 戶ra/oco//c^ &腳廠7V^mwW In SENSYS, November 2003. Q. Li and D. Rus. G7o6a/ C7ocA AS^"c/zram>a"on Seraor 7Vefwo士， 2004. M. Maroti, B. Kusy, G. Simon, and A. Ledeczi. "77ze HooWwg T)'膨《S>wc/zram'za"ow尸ra/歸/." In ACM Sen-Sys 2004， 2004. M. Mock, R. Frings， E. Nett， and S. Trikaliotis. "Cbw"w"c^ C7ocA: iSjwc/2rowz.za"ow z.w W^>e/ess / ea/-77me Jj^pZ/caWows." In Symposium on Reliability in Distributed Software, 2000. K. Romer. "7)'me Sywc/zraw'zWow W //oc iVe/wo由."In ACM Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing (MobiHoc 01), Long Beach, CA， October 2001. J. van Greunen, J. Rabaey, 'T/g/2/w/g/^ T7me S少"cAram'za"ow /or Smsor A^rtvonb〃' In Proc. WSNA， September 2003, san Diego, CA. M. Xu, M. Zhao and S. Li， 〃Zj'g/z we/g/^ aw<i energy// we "wc/^ow'W/ow yb/- seraor weAwW, In Proc. International Conference on Wireless Communications, Networking and Mobile Computing, 2005.上述算法利用無線介質(zhì)的廣播特性來提高同步精度。然而，它們 都使用隨機接入MAC協(xié)議來在網(wǎng)絡中分發(fā)同步信標分組。由于這種 協(xié)議引入了不可預測的延遲和碰撞從而導致同步信標分組的丟失，因 此它們不適用于TDMA系統(tǒng)。因此，這種算法不能最小化或甚至限制 同步開銷。此外，在現(xiàn)實世界的多跳無線環(huán)境中尚未實現(xiàn)并測試這些 算法中的大多數(shù)。IEEE 802.16中繼任務組(Relay Task Group) (802.16J標準)已經(jīng) 針對具有樹形拓撲結構的多跳802.16無線系統(tǒng)指定了一種帶內(nèi)同步 機制。該同步機制運行在802.16 TDMA協(xié)議之上，但是專用于樹形拓 撲結構通過樹形網(wǎng)絡結構從中央根節(jié)點向葉節(jié)點分發(fā)同步前導碼。 該機制不能應用于具有預先未知父子角色的一般拓撲的多跳無線網(wǎng) 絡。此外，通過樹形結構而進行的時鐘分發(fā)受制于個體鏈路故障如 果至少一條鏈路無法分發(fā)該前導碼，則該同步算法無法將所有節(jié)點同 步在公共時間參考之下。最后，802.16j草案標準僅指定了總體信令和 消息交換，而未提供對同步信號的分發(fā)進行高效調(diào)度的算法以滿足TDMA協(xié)議的無沖突的且有限延遲的要求。 Relay Task Group of IEEE 802.16， "Part 16: Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems Multihop Relay Specification", IEEE P802.16j/D3， Feb. 29 2008.ECMA高速率超寬帶(High Rate Ultra Wideband) PHY和MAC 標準定義了一種帶內(nèi)分布式時鐘同步機制，該機制運行在TDMA MAC協(xié)議之上。在該機制中，在每個TDMA幀期間，每個節(jié)點將其 時鐘周期性地廣播至其l跳相鄰節(jié)點，并使其時鐘與接收到的其最慢 的l跳相鄰節(jié)點的時鐘值同步。這種"遵照最慢時鐘"方法可以在所 有節(jié)點能夠互相聽見對方的單跳網(wǎng)絡中對所有節(jié)點進行同步。然而， 在多跳無線網(wǎng)絡中，該算法可能需要無限數(shù)目的TDMA幀來傳播該最 慢時鐘并創(chuàng)建用于整個網(wǎng)絡的公共時間參考。因此，對于在最短時間和有限延遲內(nèi)需要全局網(wǎng)絡時間參考的應 用，該ECMA標準中公開的算法未提供解決方案。 "Standard ECMA 368， High Rate Ultra Wideband PHY and MAC standard. 〃， 2nd edition, December 2007.在現(xiàn)有技術的公幵當中，PCT專利申請No. WO 2006/056174 (德 國Fmunhofer)公幵了一種同步和數(shù)據(jù)傳送方法。在該在先Fraunhofer PCT專利申請中公開的同步方法未滿足TDMA協(xié)議對有限延遲和低 開銷的要求，并且不適用于多跳無線環(huán)境。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術方案中的上述缺陷。 與現(xiàn)有方法相比，本發(fā)明引入了 一種利用TDMA協(xié)議的時隙化結 構的同步算法。該同步算法分發(fā)時鐘同步消息，該時鐘同步消息源自 網(wǎng)絡中提供公共時間參考的特定點。使用控制子幀中的無沖突網(wǎng)絡調(diào) 度，在網(wǎng)絡中分發(fā)該同步消息。該調(diào)度被構造為在最短且有限的時間 內(nèi)將該同步消息分發(fā)至整個網(wǎng)絡。可以在TDMA幀上周期性地執(zhí)行該 算法，以根據(jù)公共時間參考來更新節(jié)點時鐘。本發(fā)明要解決的技術問題如下如何向TDMA多跳無線網(wǎng)絡中的 所有節(jié)點提供公共時間參考？目前，沒有任何現(xiàn)有算法可以如以下高效方式解決這一問題該方式要能夠滿足TDMA協(xié)議對有限執(zhí)行時間和最小開銷的要求，而且 還是廣泛適用的。GPS設備是一種帶外方案，僅可在具有空曠天空視 野的室外而且在成本不是問題時適用。帶內(nèi)方案的適用范圍更廣，更 有成本效益，并利用網(wǎng)絡基礎設施來分發(fā)時鐘同步消息。大多數(shù)現(xiàn)有 帶內(nèi)同步方案是針對具有星形拓撲的單跳無線網(wǎng)絡的同步方案。已經(jīng) 針對具有樹形拓撲的TDMA多跳網(wǎng)絡設計了一些帶內(nèi)方案(802.16j標準)，這些方案不適用于具有任意拓撲的網(wǎng)絡。另一方面，己經(jīng)針對 具有任意拓撲的多跳無線傳感器網(wǎng)絡設計了其他一些帶內(nèi)方案，但是 使用隨機接入機制來執(zhí)行同步使其不能用于最小化或限制開銷。從未 在多跳無線環(huán)境中實現(xiàn)并測試所提出的大多數(shù)機制。本發(fā)明總體涉及共享網(wǎng)絡的一組節(jié)點的時鐘同步，更具體地，涉 及時鐘同步機制，針對在多跳無線網(wǎng)絡中執(zhí)行TDMA協(xié)議的無線節(jié)點 創(chuàng)建公共時間參考。該時鐘同步算法利用TDMA協(xié)議的時隙化結構來 分發(fā)時鐘同步消息，該時鐘同步消息源自網(wǎng)絡中提供公共時間參考的 特定點。使用控制子幀中的無沖突網(wǎng)絡調(diào)度來分發(fā)該時鐘同步消息。 該調(diào)度被構造為在最短時間內(nèi)將該同步消息分發(fā)至整個網(wǎng)絡?？梢栽?TDMA幀上周期性地執(zhí)行該算法，以根據(jù)公共時間參考來更新節(jié)點時 鐘。該算法可以應用于多種多跳無線TDMA網(wǎng)絡，并以低開銷來提供 精確的時鐘同步。最后，該算法還可以用于將除時鐘同步消息之外的 附加控制信息從提供時間參考的節(jié)點分發(fā)至網(wǎng)絡中的其余節(jié)點。在更寬的意義上，本發(fā)明被限定為一種用于對TDMA ("時分多 址")通信網(wǎng)絡中的一組節(jié)點的時鐘進行同步的方法，所述TDMA通 信網(wǎng)絡包括多個節(jié)點，其中被稱為時間參考(TR)節(jié)點的一些節(jié)點通 過預定帶外同步機制與公共時間參考同步，其他節(jié)點被稱為非TR節(jié) 點，所述方法的特征在于包括以下步驟 在至少一個所述TR節(jié)點的級別，在子幀的給定時隙期間發(fā) 送廣播信標分組，每個所述子幀包括多個時隙； 使用TDMA協(xié)議的時隙化結構，在其余節(jié)點之間傳播所述信 標分組，每個節(jié)點被預分配以子幀中的無沖突時隙，以對在所 述子幀的前一時隙中從另一節(jié)點接收到的所述信標分組進行 廣播；以及 在接收到所述信標分組時，在至少兩個所述非TR節(jié)點中， 基于更新后的偏移估計來更新內(nèi)部時鐘。有利地，所述方法包括以下步驟在節(jié)點(B)從另一節(jié)點(A) 接收到所述信標分組時，估計節(jié)點(A)發(fā)送所述信標分組的時刻； 以及計算節(jié)點(A)的內(nèi)部時鐘與節(jié)點(B)的內(nèi)部時鐘之間的偏移。優(yōu)選地，所述信標分組包括時間戳，所述時間戳具有在TR節(jié)點 發(fā)送所述信標分組時所述TR節(jié)點的當前時鐘值。根據(jù)具體實施例，在所述通信網(wǎng)絡中，從至少一個所述TR節(jié)點 向至少兩個所述非TR節(jié)點分發(fā)附加控制信息。優(yōu)選地，所述附加控制信息是在所述信標分組中分發(fā)的。有利地，所述子幀是同步控制子幀(SCS)，所述同步控制子幀是 控制子幀的一部分。根據(jù)實施例，在給定的時隙中，僅有一個節(jié)點進行發(fā)送，而其余 節(jié)點處于"接收"模式。優(yōu)選地，將所述子幀的每個時隙分配給節(jié)點，以通過所述通信網(wǎng) 絡來發(fā)送或傳播所述信標分組。根據(jù)實施例，當向節(jié)點進行分配以在所述子幀的預定時隙期間進 行發(fā)送時，己經(jīng)向其至少一個相鄰節(jié)點進行分配以在前一時隙中進行 發(fā)送。優(yōu)選地，所述方法包括以下步驟由至少一個節(jié)點維護并更新査 找表，所述查找表用于確定依賴于所述信標分組中數(shù)據(jù)速率值的值 (S)。根據(jù)具體實施例，所述值(S)等于以下三個值之和-發(fā)送方處的MAC發(fā)送延遲；-傳播延遲；以及-接收方處的MAC接收延遲。根據(jù)實施例，所述方法包括在發(fā)送節(jié)點處提供時間戳的步驟，其 中，所述在發(fā)送節(jié)點處提供時間戳的步驟是在被稱為MAC (媒體接 入控制)層的通信網(wǎng)絡協(xié)議層處執(zhí)行的。優(yōu)選地，所述方法包括對所述信標分組進行接收和解碼的步驟，其中，所述對所述信標分組進行接收和解碼的步驟是在被稱為MAC (媒體接入控制)層的通信網(wǎng)絡協(xié)議層處執(zhí)行的。有利地，至少兩個子幀與至少一個信道號(k)以及子幀內(nèi)的至少 一個時間索引(t)相關聯(lián)，并且，在時間索引(t)處，屬于給定節(jié) 點組(j)的節(jié)點切換至所述信道(k)并執(zhí)行至少一個同步步驟。根據(jù)一個實施例，存在兩個信道號和一個時間索引(t)，并且在 時間索引(t)處，在所述兩個信道中的每一個上執(zhí)行一個同步步驟。根據(jù)另一實施例，存在單一信道號和兩個不同的時間索引，并且 在所述兩個不同的時間索引處，在所述單一信道上執(zhí)行兩個同步步驟。有利地，所述信道號(k)指定了多個正交通信信道當中的通信信道。本發(fā)明還涉及一種在TDMA ("時分多址")通信網(wǎng)絡中的通信設 備，所述TDMA通信網(wǎng)絡包括多個設備，其中被稱為時間參考(TR) 節(jié)點的一些設備通過預定帶外同步機制與公共時間參考同步，所述通 信設備的特征在于包括用于執(zhí)行以下步驟的裝置 接收廣播信標分組，所述廣播信標分組是先前已在子幀的 給定時隙期間發(fā)送的，每個所述子幀包括多個時隙； 在接收到所述信標分組時，基于更新后的偏移估計來更新 其內(nèi)部時鐘；以及 使用TDMA協(xié)議的時隙化結構，在控制子幀內(nèi)所分配的發(fā)送時隙上重新廣播所述信標分組。 本發(fā)明提供了以下優(yōu)點 滿足了TDMA對有限執(zhí)行時間和最小開銷的嚴格要求。在數(shù) 目等于P的多個時隙中將每個同步信標分發(fā)至網(wǎng)絡，P典型地小于網(wǎng)絡中的節(jié)點數(shù)N。 高精度。在IEEE 802.11硬件上實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法，實 現(xiàn)了幾微秒量級上的時鐘同步。


通過附圖將更好地理解以下詳細描述，在附圖中 圖1示出了同步控制子幀(SCS)調(diào)度的示例； 圖2示出了兩個節(jié)點A和B之間的S估計的消息交換；以及 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的執(zhí)行示例，其中有2個TR節(jié) 點和&=2個正交信道。
具體實施方式
舉例而言，根據(jù)本發(fā)明的方法可以用于由N個節(jié)點組成的多跳無 線網(wǎng)絡中。在一個實施例中，這些節(jié)點中的一些是時間參考(TR)節(jié) 點。TR節(jié)點通過諸如GPS (全球定位系統(tǒng))設備和原子鐘等帶外同步 機制與公共時間參考同步。本發(fā)明的同步算法的目的是保持網(wǎng)絡中所 有節(jié)點的時鐘與TR節(jié)點的時間參考同步。該算法利用TDMA協(xié)議的時 隙化結構來實現(xiàn)精確同步并最小化通信開銷。該算法在作為控制子幀 一部分的同步控制子幀(SCS)期間進行。主要思想是TR節(jié)點在SCS 的第一時隙通過發(fā)送廣播信標來觸發(fā)同步，并使其余節(jié)點快速將該信 標傳播至網(wǎng)絡，同時其余節(jié)點更新其對TR時鐘的估計。可以首先關注單一TR節(jié)點的情況，這并不失一般性。以后將討論 涉及多個TR節(jié)點的性能增強。首先描述確定節(jié)點傳送序列的SCS結 構，該序列的目的是在網(wǎng)絡中快速傳播TR同步信標。然后，提出了利 用SCS結構的同步算法和輔助實現(xiàn)精確時鐘同步的實驗參數(shù)估計過 程。SCS調(diào)度由P個'時隙組成。在每個時隙期間，只有單一節(jié)點進行發(fā) 送而其余節(jié)點處于"接收"模式。在SCS期間，每個節(jié)點至多發(fā)送一 次。構造SCS調(diào)度的目的是找到具有較小P的時隙分配，以確保單個 信標消息從TR節(jié)點以可靠的方式傳播至網(wǎng)絡中的其余節(jié)點。將第一 SCS時隙分配給TR節(jié)點，以發(fā)送要在網(wǎng)絡中傳播的信標分組。將其余SCS時隙分配給其他節(jié)點，以使用多跳無線網(wǎng)絡的網(wǎng)絡通信圖G(N,L) 來傳播該信標。圖G(N,L)的頂點是網(wǎng)絡節(jié)點，邊都是單向鏈路(i，j)， 對于鏈路(i, j)，從節(jié)點i進行的發(fā)送可以以概率P[i， j]到達節(jié)點j?；?G(N， L)來向節(jié)點分配時隙有多種方式。任何分配都應當確保當向一節(jié) 點進行分配以在一個時隙進行發(fā)送時，已向G(N，L)中的至少一個相鄰 節(jié)點進行分配以在前一時隙期間進行發(fā)送。這種約束的出現(xiàn)是由于在 SCS期間每個節(jié)點至多可以發(fā)送一次。最佳分配依賴于開銷與可靠性 之間的權衡。具有較大SCS持續(xù)時間P的分配產(chǎn)生較高的開銷和執(zhí)行時 間。另一方面，由于有更多次傳送并且節(jié)點從其相鄰節(jié)點接收到信標 分組的可能性更大，因此具有較大SCS持續(xù)時間P的分配可以提供更高 的可靠性。圖1示出了用于具有N42個節(jié)點的多跳無線網(wǎng)絡G(N， L)的、P=7 個時隙的同步控制子幀(SCS)調(diào)度的示例。網(wǎng)絡圖G(N，L)表示節(jié)點 端點之間的鏈路的兩方向中任一方向上的通信。在本示例中，在SCS 期間，在每個控制子幀處(X=l)執(zhí)行算法。將SCS中的第一時隙分配 給TR(時間參考)節(jié)點。在節(jié)點中的數(shù)字所表示的時隙中，已向這些 節(jié)點進行分配以在SCS期間進行發(fā)送。該算法的描述關注具有固定節(jié)點數(shù)目的多跳無線網(wǎng)絡中的同步 的維護。在通過與當前無線TDMA系統(tǒng)中遇到的測距過程相類似的測 距過程將附加節(jié)點添加至網(wǎng)絡之后，可以在算法執(zhí)行中并入這些附加 節(jié)點。該算法的目的是更新節(jié)點的時鐘值以便維護與TR節(jié)點的同步。該 算法在SCS期間運行，而且在每X個控制子幀周期性地執(zhí)行該算法。該 算法可應用的最大頻率由TDM幀的持續(xù)時間F來確定。在這種情況下，在每個控制子幀處a=i)應用該算法。SCS中的每個時隙具有固定持續(xù)時間，等于SlotTime。 SlotTime 由具有固定持續(xù)時間的兩部分組成空閑保護時間部分T一G和數(shù)據(jù)傳 送部分。保護時間是必需的每時隙開銷，以掩蔽瞬時時鐘漂移。必須 假定時隙保護時間T—G足夠大以吸收SCS的持續(xù)時間P* SlotTime的時 鐘漂移。這確保了所有節(jié)點都同步并具有對算法執(zhí)行期間所有子幀(控制、SCS、數(shù)據(jù))的起始和結束的共識。T一G還應當足夠大以掩蔽不. 同TDMA幀處的不同算法執(zhí)行之間出現(xiàn)的漂移。如果dr一i是節(jié)點i從公 共時間參考的時鐘漂移的速率，則時隙保護時間應當滿足該算法在TR節(jié)點在SCS的第一時隙處對信標進行廣播時開始，該 信標包含具有該TR節(jié)點當前時鐘值的時間戳。接收該信標的每個節(jié)點 (假定該信標是該節(jié)點在當前SCS中已接收到的第一個信標)計算它 與TR時鐘的時鐘偏移的估計，并基于TR節(jié)點的時鐘來確定下一數(shù)據(jù) 子幀(DS)的開始處。然后，它在SCS中分配給它的時隙期間重新廣 播該信標(未修改)。時隙分配確保了截止到SCS結束處，所有節(jié)點都 能以較高概率接收到該信標的至少一個拷貝。在SCS結束處，所有節(jié) 點基于其更新后的偏移估計來更新其時鐘。以下將詳細描述當算法終 止時在SCS結束處由所有節(jié)點執(zhí)行的、接收到信標時的偏移計算以及 時鐘更新操作。現(xiàn)在描述每個節(jié)點n在時隙i接收到信標時的操作。令T—n(L)為接 收到該信標時節(jié)點n的本地時鐘值。節(jié)點n首先計算節(jié)點i發(fā)送該信標的 時刻的估計Tj(L):則=7;(丄)-5 (i)其中，S是信標從節(jié)點i發(fā)送至節(jié)點n所要花費的總時間的估計。在下一 部分中將描述如何估計5。然后，給定T—i(L)，節(jié)點n計算其對TR節(jié)點 發(fā)送該信標的時刻的估計Tj(L):《(丄)= ;(丄)-G. -1). 5 om膨 (2)最終，節(jié)點n使用信標時間戳值T—s(R)，基于來自節(jié)點i的釆樣來 估計其與TR時鐘的偏移爭,(/) = ，)-7;(丄) (3)在SCS的時隙P結束處，每個節(jié)點n基于新計算出的偏移來更新其 本地時鐘。所有節(jié)點在SCS結束處同時更新其時鐘的原因是為了避免 由于一些節(jié)點在其他節(jié)點之前使用新時鐘值來更新其時鐘而導致的失 去同步。s的估計在該同步算法的偏移估計過程中唯一的未知量是等式(1)中的延遲3。 5是在發(fā)送方處將時間戳置于信標分組中的時刻與在接收方處 接收到該信標分組的時刻之間的總延遲。根據(jù)一個實施例，考慮一種實現(xiàn)方式，其中發(fā)送方側的時間戳操 作是在MAC層執(zhí)行的。在接收方側，對信標分組的接收和解碼也是在 MAC層實現(xiàn)的。這種實現(xiàn)方式回避了由于網(wǎng)絡協(xié)議棧的高層導致的延 遲不確定性，如操作系統(tǒng)上下文切換和由于網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)路徑而導致的 延遲。此外，該同步算法運行在TDMA協(xié)議之上，并且S在時隙內(nèi)發(fā)生， 因此，不存在由于MAC協(xié)議操作導致的接入延遲。這與現(xiàn)有技術的運 行在隨機接入?yún)f(xié)議之上的上述時鐘同步算法不同。在這些現(xiàn)有技術算 法中，接入延遲分量很大，并且需要在同步算法執(zhí)行期間進行在線估 計。5中僅有的分量是發(fā)送方處的MAC發(fā)送延遲、傳播延遲、和MAC 接收延遲。發(fā)送方處的MAC發(fā)送延遲是確定的，并可以通過信標分組 大小和物理層數(shù)據(jù)傳送速率來確定。對于典型的多跳無線網(wǎng)絡中所遇 到的節(jié)點間距離，傳播延遲具有較低幅度以及較低的隨TDM協(xié)議的時 隙顆粒度的可變性。例如，跨越半公里的傳播延遲處于遠不足l微秒的 數(shù)量級，而在這里的基于IEEE 802.11無線硬件的TDM協(xié)議實現(xiàn)方式 中，時鐘顆粒度是l微秒。主要的未知量是在接收方無線電中斷到達 MAC層時的MAC接收延遲。盡管未知，但是也預計這個量相對較小 而且具有較小的可變性。通過離線測量5來捕獲MAC接收延遲的不確定性。這是通過一種 實驗方法來實現(xiàn)的，該實驗方法對發(fā)送方-接收方同步握手協(xié)議進行仿 真。圖2示出了該實驗，其中節(jié)點A是發(fā)送方而節(jié)點B是接收方。根據(jù) 該試驗，節(jié)點A在時刻T1(A)發(fā)送信標，節(jié)點B在時刻T2(B)接收該信標。 節(jié)點B立即在時刻T3(B)用其自身的信標進行回復，節(jié)點A在時刻T4(A) 接收到該信標。時刻T1(A)、 T4(A)是用A的時鐘來測量的，而時刻 T2(B)、 T3(B)是用B的時鐘來測量的。T1(A)是節(jié)點A放入其信標中的時間戳。圖2示出了兩個節(jié)點A和B之間的5估計的消息交換。 當B從A接收到信標時，B將A發(fā)送該信標(對該信標加時間戳) 的時刻估計為其中，5是待定參數(shù)。此外，將兩個時鐘之間的偏移計算為-<9," = n(^)-ri(萬) (5)在時刻T3(B)，節(jié)點B發(fā)送其自身的信標，但是B使用B對在T3(B) 時刻A的時鐘的估計T3(A)來對該信標加時間戳r3(李r3("+q^ (6)注意，該過程與在線同步算法不同，在在線同步算法中，所有節(jié)點都用相同的值(即，TR節(jié)點最初發(fā)送的時間戳)對信標加時間戳。 當A在時刻T4(A)接收到回復時，A將發(fā)送該回復的時刻T3，(A)估計為由于時刻T3(A)和T3'(A)均是使用相同時鐘參考來估計的，因此它們應當相等r3'(李T3(J) (8)將等式(5) (6) (7)代入等式(8)，得到S的以下表達式-5 二 T4U) -T3(B) + T2 W- riU) (9)基于等式(9)，可以通過在節(jié)點A處測量T1(A)、 T4(A)以及在節(jié) 點B處測量T2(B)、 T3(B)來估計5。應當針對每個所支持的數(shù)據(jù)速率，多次重復上述實驗過程，以計 算每數(shù)據(jù)速率的平均S。在該時鐘同步算法執(zhí)行過程中，每個節(jié)點使用 査找表來確定與接收到的信標分組中的數(shù)據(jù)速率值相對應的S。在SCS調(diào)度的每個時隙期間，僅有單一節(jié)點進行發(fā)送而其余節(jié)點 進行偵聽。這是一種保守的調(diào)度，這是由于可能有相距較遠的節(jié)點能 夠在相同時隙處進行發(fā)送而不會發(fā)生沖突。然而， 一般而言，精確地 先驗估計哪些傳送將發(fā)生干擾是有意義的，尤其是當干擾關系在協(xié)議17運行期間動態(tài)改變時。此外，可以通過將時鐘同步與干擾估計算法相 結合以充分利用空間重用，來實現(xiàn)進一步的并行操作和幵銷減小。干 擾估計算法確定了非干擾節(jié)點集合并且可以用于SCS調(diào)度的設計中。該算法可以與多個TR節(jié)點一起運行。令M為TR節(jié)點的數(shù)目。將 網(wǎng)絡分為M個組，每個組由一個TR節(jié)點提供服務。TR節(jié)點組j是網(wǎng)絡 通信圖G(N，L)的連通子圖。對于每個組j，構造了由Pj個時隙組成的單 獨SCS。在組j的SCS期間，執(zhí)行單一TR節(jié)點的算法，其中從對應TR 節(jié)點發(fā)送信標消息。如果網(wǎng)絡中僅存在單個信道，則將M個SCS順序 地置于控制子幀內(nèi)，這意味著將在這些組中順序地執(zhí)行該算法。如果 存在K個正交信道，則可以通過在時間上對算法執(zhí)行進行重疊(重疊 因子為K)來減小開銷。在這種情況下，每個SCS與信道號k以及控制 子幀內(nèi)的時間索引t相關聯(lián)。因此，在控制子幀的時間索引t處，組j的 所有節(jié)點切換至信道k并執(zhí)行同步算法。圖3示出了針對圖l網(wǎng)絡中M-2 個TR節(jié)點和^2個信道的情況的SCS結構和算法執(zhí)行的示例。舉例而言，可以有兩個信道號和一個時間索引(t)。在這種配置下， 在時間索引(t)處，在兩個信道中的每一個上執(zhí)行一個同步步驟。舉例而言，還可以有單一信道號和兩個不同的時間索引。在這種 配置下，在兩個不同的時間索引處，在所述單一信道上執(zhí)行兩個同步 步驟。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的執(zhí)行的示例，其中有2個TR節(jié)點和 &=2個正交信道。每個組的SCS由P-3個時隙組成。由于每個組在不同 的信道上執(zhí)行算法，因此兩個SCS可以在時間上重疊。以上說明書、示例和附圖提供了對根據(jù)本發(fā)明的方法的完整描 述。在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下可以實現(xiàn)本發(fā)明的許多實 施例，因此，本發(fā)明在于所附權利要求
。
權利要求
1.一種用于對時分多址TDMA通信網(wǎng)絡中的一組節(jié)點的時鐘進行同步的方法，所述TDMA通信網(wǎng)絡包括多個節(jié)點，其中被稱為時間參考(TR)節(jié)點的一些節(jié)點通過預定帶外同步機制與公共時間參考同步，其他節(jié)點被稱為非TR節(jié)點，每個節(jié)點包括內(nèi)部時鐘，所述方法的特征在于包括以下步驟
·在至少一個所述TR節(jié)點的級別，在子幀的給定時隙期間發(fā)送廣播信標分組，其中，每個所述子幀包括多個時隙；
·使用TDMA協(xié)議的時隙化結構，在其余節(jié)點之間傳播所述信標分組，其中，每個節(jié)點被預分配以子幀中的無沖突時隙，以對在所述子幀的前一時隙中從另一節(jié)點接收到的所述信標分組進行廣播；以及
·在接收到所述信標分組時，在至少兩個所述非TR節(jié)點中，基于更新后的偏移估計來更新內(nèi)部時鐘。
2. 如權利要求
1所述的用于對TDMA通信網(wǎng)絡中的一組節(jié)點的 時鐘進行同步的方法，還包括以下步驟在節(jié)點(B)從另一節(jié)點(A) 接收到所述信標分組時，估計節(jié)點(A)發(fā)送所述信標分組的時刻； 以及計算節(jié)點(A)的內(nèi)部時鐘與節(jié)點(B)的內(nèi)部時鐘之間的偏移。
3. 如權利要求
1或2所述的用于對TDMA通信網(wǎng)絡中的一組節(jié) 點的時鐘進行同步的方法，其中，所述信標分組包括時間戳，所述時 間戳具有在TR節(jié)點發(fā)送所述信標分組時所述TR節(jié)點的當前時鐘值。
4. 如權利要求
1、 2或3所述的用于對TDMA通信網(wǎng)絡中的一組 節(jié)點的時鐘進行同步的方法，其中，在所述通信網(wǎng)絡中，從至少一個 所述TR節(jié)點向至少兩個所述非TR節(jié)點分發(fā)附加控制信息。
5. 如權利要求
4所述的用于對TDMA通信網(wǎng)絡中的一組節(jié)點的 時鐘進行同步的方法，其中，所述附加控制信息是在所述信標分組中 分發(fā)的。
6. 如之前任一權利要求
所述的用于對TDMA通信網(wǎng)絡中的一組 節(jié)點的時鐘進行同步的方法，其中，所述子幀是同步控制子幀(SCS)，所述同步控制子幀(SCS)是控制子幀的一部分。
7. 如之前任一權利要求
所述的用于對TDMA通信網(wǎng)絡中的一組 節(jié)點的時鐘進行同步的方法，其中，在給定的時隙中，僅有一個節(jié)點 進行發(fā)送，而其余節(jié)點處于"接收"模式。
8. 如之前任一權利要求
所述的用于對TDMA通信網(wǎng)絡中的一組 節(jié)點的時鐘進行同步的方法，其中，將所述子幀的每個時隙分配給節(jié) 點，以通過所述通信網(wǎng)絡來發(fā)送或傳播所述信標分組。
9. 如權利要求
8所述的用于對TDMA通信網(wǎng)絡中的一組節(jié)點的 時鐘進行同步的方法，其中，當向節(jié)點進行分配以在所述子幀的預定 時隙期間進行發(fā)送時，己經(jīng)向其至少一個相鄰節(jié)點進行分配以在前一 時隙中進行發(fā)送。
10. 如之前任一權利要求
所述的用于對TDMA通信網(wǎng)絡中的一組 節(jié)點的時鐘進行同步的方法，還包括以下步驟由至少一個節(jié)點維護 并更新查找表，其中，所述査找表用于確定依賴于所述信標分組中數(shù) 據(jù)速率值的值(S)。
11. 如權利要求
10所述的用于對TDMA通信網(wǎng)絡中的一組節(jié)點 的時鐘進行同步的方法，其中，所述值(5)等于以下三個值之和--發(fā)送方處的MAC發(fā)送延遲；-傳播延遲；以及-接收方處的MAC接收延遲。
12. 如權利要求
2所述的用于對TDMA通信網(wǎng)絡中的一組節(jié)點的 時鐘進行同步的方法，其中，在被稱為MAC "媒體接入控制"層的 通信網(wǎng)絡協(xié)議層處執(zhí)行在發(fā)送節(jié)點處提供時間戳的步驟。
13. 如之前任一權利要求
所述的用于對TDMA通信網(wǎng)絡中的一組節(jié)點的時鐘進行同步的方法，還包括對所述信標分組進行接收和解 碼的步驟，其中，所述對所述信標分組進行接收和解碼的步驟是在被 稱為MAC "媒體接入控制"層的通信網(wǎng)絡協(xié)議層處執(zhí)行的。
14. 如權利要求
1所述的用于對TDMA通信網(wǎng)絡中的一組節(jié)點的 時鐘進行同步的方法，其中，至少兩個子幀與至少一個信道號k以及 子幀內(nèi)的至少一個時間索引t相關聯(lián)，并且，在時間索引t處，屬于給定節(jié)點組j的節(jié)點切換至所述信道k并執(zhí)行至少一個同步步驟。
15. 如權利要求
14所述的用于對TDMA通信網(wǎng)絡中的一組節(jié)點 的時鐘進行同步的方法，其中，存在兩個信道號和一個時間索引t， 并且在時間索引t處，在所述兩個信道中的每一個上執(zhí)行一個同步步 驟。
16. 如權利要求
14所述的用于對TDMA通信網(wǎng)絡中的一組節(jié)點 的時鐘進行同步的方法，其中，存在單一信道號和兩個不同的時間索 引，并且在所述兩個不同的時間索引處，在所述單一信道上執(zhí)行兩個 同步步驟。
17. 如權利要求
14、 15或16所述的用于對TDMA通信網(wǎng)絡中的 一組節(jié)點的時鐘進行同步的方法，其中，所述信道號k指定了多個正 交通信信道當中的通信信道。
18. —種在時分多址TDMA通信網(wǎng)絡中的通信設備，所述TDMA 通信網(wǎng)絡包括多個設備，其中被稱為時間參考(TR)節(jié)點的一些設備 通過預定帶外同步機制與公共時間參考同步，所述設備使用TDMA協(xié) 議的時隙化結構來進行通信，其中，設備間的通信在周期性的幀中進 行，每個幀由至少一個子幀組成，每個子幀由多個時隙組成，每個設 備包括內(nèi)部時鐘，所述設備的特征在于還包括 用于在子幀內(nèi)的第一時隙中接收廣播信標分組的裝置，其 中，所述第一時隙被預分配給所述網(wǎng)絡中的另一個設備以對所 述信標分組進行廣播； 用于在接收到所述信標分組時基于更新后的偏移估計來更 新所述設備的內(nèi)部時鐘的裝置；以及 用于在所述子幀中已預分配給所述設備的第二時隙上對所 述信標分組進行廣播的裝置，其中，所述第二時隙出現(xiàn)在所述 子幀中的所述第一時隙之后。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種用于對TDMA“時分多址”通信網(wǎng)絡中的一組節(jié)點的時鐘進行同步的方法，所述TDMA通信網(wǎng)絡包括多個節(jié)點，其中被稱為時間參考“TR”節(jié)點的一些節(jié)點通過預定帶外同步機制與公共時間參考同步，其他節(jié)點被稱為非TR節(jié)點，每個節(jié)點包括內(nèi)部時鐘，所述方法的特征在于包括以下步驟在至少一個所述TR節(jié)點的級別，在子幀的給定時隙期間發(fā)送廣播信標分組，每個所述子幀包括多個時隙；使用TDMA協(xié)議的時隙化結構，在其余節(jié)點之間傳播所述信標分組，每個節(jié)點被預分配以子幀中的無沖突時隙，以對在所述子幀的前一時隙中從另一節(jié)點接收到的所述信標分組進行廣播；以及在接收到所述信標分組時，在至少兩個所述非TR節(jié)點中，基于更新后的偏移估計來更新內(nèi)部時鐘。本發(fā)明還涉及一種在TDMA通信網(wǎng)絡中的通信設備。
文檔編號GKCN101616479SQ200910146363
公開日2009年12月30日 申請日期2009年6月24日
發(fā)明者亨里克·隆格倫, 塞奧佐羅斯·薩洛尼迪斯, 迪米特里奧斯·庫措尼古拉斯 申請人:湯姆森許可貿(mào)易公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan