专利名称:在tdma多跳无线网络中进行时间同步的方法和设备的制作方法
在TDMA多跳无线网络中进行时间同步的方法和设备技术领域：
本发明涉及通信网络领域。更具体地，本发明涉及TDMA ("时分多址")多跳无线网络。
技术背景在多跳无线网络中，配备有无线接口的一组节点形成了网络基础 设施，其中，通过多个无线跳，向预期目的地转发数据。多跳无线通 信范例最初用于军事应用，如自组织网络，而现在应用于新兴商业应 用，如网状网络、传感器网络、个人区域网和无线广域网。本发明考虑一种多跳无线网络，其中，使用时分多址(TDMA) 协议来协调传送。TDMA协议的吸引人之处在于它们可以通过无冲突 的周期性传送调度来提供带宽和延迟保证。新兴的多跳无线标准，如 IEEE 802.16j移动多跳中继[IEEE 802.16's Mobile Multihop Relay (MMR) Study Group, http:〃www.ieee802.org/16/sg/mmr/]目前正在考虑 TDMA协议，该多跳无线标准的目的是增强当前单跳IEEE 802.16无 线系统的覆盖，并解决多跳无线环境中现有的载波侦听多址接入 (CSMA)协议所遇到的众所周知的性能问题。在TDMA协议中，所有节点与公共时间参考同步，在多时隙帧序 列中周期性地进行传送。每个帧由控制子帧后接数字子帧组成。这两 个子帧均具有固定持续时间，并均由多个时隙组成。在每个控制子帧 期间，执行各种管理功能，包括同步和调度计算/分发。在数据子帧的 每个时隙期间， 一些节点根据在前一控制子帧期间己计算出的网络调 度来进行无冲突的传送。调度计算可以是分散式的(由节点计算)或 集中式的(由充当网络控制器的单个节点计算并分发至节点)。任何TDMA协议的操作的核心是同步机制，同步机制保持节点时 钟与公共时间参考同步。该时间参考使节点能够基于网络调度在每个时隙进行发送。在集中式调度的情况下，该时间参考也使控制器节点 能够计算网络范围内无冲突的调度方案，该调度方案向网络中的所有节点提供带宽和延迟保证。任何TDMA系统的同步机制应当是高度精 确的，具有有限的执行时间(延迟)和低开销，较为便宜而且应用广 泛。以下将更详细地描述这些特征并讨论其对TDMA协议性能的影响。实际上，永远不可能使节点时钟完美同步。高度精确的同步机制 应当最小化从公共时间参考的所有节点时钟漂移。还应当限制所有时 钟漂移以实现TDMA MAC协议参数(如时隙保护时间，其是TDMA 协议操作期间的一种恒定的每时隙开销)的(离线)设计。高度精确 的同步机制应当实现较低的每时隙保护时间，从而实现较小的时隙持 续时间。较小的时隙持续时间产生较小的帧持续时间，较小的帧持续 时间将转化为较低的延迟。高度精确的同步机制还实现了以较快的时 间标度对传送进行控制，这将转化为高效的协议操作。在控制子帧期间执行时钟同步机制，其执行时间是每帧的开销。 必须既限制又最小化该幵销，以实现TDMA MAC协议参数(如控制 子帧的持续时间，该持续时间在TDMA协议操作期间是固定的)的最 优设计。同步机制不应当使无线系统耗费过多额外成本。理想地，同步机制应当适用于不同的无线环境(室内/室外)、不 同类型的多跳无线网络(网状网络、个人区域网、传感器网络)以及 不同类型的设备(在基础设施内操作的无线路由器或在无线网络边缘 处操作的客户端)。没有任何用于多跳无线网络的现有同步机制可以支持所有上述特征。现有同步机制可以大致归类为带内的或带外的。带外同步机制使 用附加硬件来实施公共时间参考。例如，如果所有无线节点都通过全 球定位系统(GPS)设备调谐至外部全局时钟，则可以以高精度实现 时钟同步。由于GPS设备较为昂贵并且只能在具有空旷的天空视野的室外环境中工作，因此这种方法不是广泛适用的。带内同步机制试图通过在网络内发送信标同步消息来同步节点时 钟。带内同步机制的最简单版本运行在现今的星形拓扑的无线系统中， 其中，服务器节点向固定或移动客户端节点提供单跳无线接入。示例是GSM/TDMA蜂窝网络、卫星系统、IEEE 802.16宽带无线系统、使 用点协调功能(PCF)的IEEE 802.11无线LAN、或者蓝牙系统。在 这些单跳无线TDMA系统中，可以通过从服务器向所有客户端周期性 地广播传送信号或信标分组来实现时间同步(见例如美国专利No. 7 263 590 "iSy他w
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^m'"g cow/ra/ /"ZDM/7X)M4"e/m;onb")。该方法不能应用于多跳无线网络，这是由于 提供网络时间参考的节点不能使用单一广播传送来到达所有其他节 点。 ' 对用于多跳无线网络的带内同步机制进行幵发的一种潜在方式是 对用于多跳有线网络的同步机制进行适配。网络时间协议(NTP)是 因特网上目前使用的最众所周知的时钟同步机制[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信令被认为是无线 环境的沉重负担一一NTP的现有无线适配产生较低精度和较高幵销， 即使对于单跳无线网络的简单情况也是如此。针对多跳无线传感器网络，已经提出了一些带内时钟同步算法， 包括以下各项 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^ &腳厂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.上述算法利用无线介质的广播特性来提高同步精度。然而，它们 都使用随机接入MAC协议来在网络中分发同步信标分组。由于这种 协议引入了不可预测的延迟和碰撞从而导致同步信标分组的丢失，因 此它们不适用于TDMA系统。因此，这种算法不能最小化或甚至限制 同步开销。此外，在现实世界的多跳无线环境中尚未实现并测试这些 算法中的大多数。IEEE 802.16中继任务组(Relay Task Group) (802.16J标准)已经 针对具有树形拓扑结构的多跳802.16无线系统指定了一种带内同步 机制。该同步机制运行在802.16 TDMA协议之上，但是专用于树形拓 扑结构通过树形网络结构从中央根节点向叶节点分发同步前导码。 该机制不能应用于具有预先未知父子角色的一般拓扑的多跳无线网 络。此外，通过树形结构而进行的时钟分发受制于个体链路故障如 果至少一条链路无法分发该前导码，则该同步算法无法将所有节点同 步在公共时间参考之下。最后，802.16j草案标准仅指定了总体信令和 消息交换，而未提供对同步信号的分发进行高效调度的算法以满足TDMA协议的无冲突的且有限延迟的要求。 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高速率超宽带(High Rate Ultra Wideband) PHY和MAC 标准定义了一种带内分布式时钟同步机制，该机制运行在TDMA MAC协议之上。在该机制中，在每个TDMA帧期间，每个节点将其 时钟周期性地广播至其l跳相邻节点，并使其时钟与接收到的其最慢 的l跳相邻节点的时钟值同步。这种"遵照最慢时钟"方法可以在所 有节点能够互相听见对方的单跳网络中对所有节点进行同步。然而， 在多跳无线网络中，该算法可能需要无限数目的TDMA帧来传播该最 慢时钟并创建用于整个网络的公共时间参考。因此，对于在最短时间和有限延迟内需要全局网络时间参考的应 用，该ECMA标准中公开的算法未提供解决方案。 "Standard ECMA 368， High Rate Ultra Wideband PHY and MAC standard. 〃， 2nd edition, December 2007.在现有技术的公幵当中，PCT专利申请No. WO 2006/056174 (德 国Fmunhofer)公幵了一种同步和数据传送方法。在该在先Fraunhofer PCT专利申请中公开的同步方法未满足TDMA协议对有限延迟和低 开销的要求，并且不适用于多跳无线环境。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术方案中的上述缺陷。 与现有方法相比，本发明引入了 一种利用TDMA协议的时隙化结 构的同步算法。该同步算法分发时钟同步消息，该时钟同步消息源自 网络中提供公共时间参考的特定点。使用控制子帧中的无冲突网络调 度，在网络中分发该同步消息。该调度被构造为在最短且有限的时间 内将该同步消息分发至整个网络。可以在TDMA帧上周期性地执行该 算法，以根据公共时间参考来更新节点时钟。本发明要解决的技术问题如下如何向TDMA多跳无线网络中的 所有节点提供公共时间参考？目前，没有任何现有算法可以如以下高效方式解决这一问题该方式要能够满足TDMA协议对有限执行时间和最小开销的要求，而且 还是广泛适用的。GPS设备是一种带外方案，仅可在具有空旷天空视 野的室外而且在成本不是问题时适用。带内方案的适用范围更广，更 有成本效益，并利用网络基础设施来分发时钟同步消息。大多数现有 带内同步方案是针对具有星形拓扑的单跳无线网络的同步方案。已经 针对具有树形拓扑的TDMA多跳网络设计了一些带内方案(802.16j标准)，这些方案不适用于具有任意拓扑的网络。另一方面，己经针对 具有任意拓扑的多跳无线传感器网络设计了其他一些带内方案，但是 使用随机接入机制来执行同步使其不能用于最小化或限制开销。从未 在多跳无线环境中实现并测试所提出的大多数机制。本发明总体涉及共享网络的一组节点的时钟同步，更具体地，涉 及时钟同步机制，针对在多跳无线网络中执行TDMA协议的无线节点 创建公共时间参考。该时钟同步算法利用TDMA协议的时隙化结构来 分发时钟同步消息，该时钟同步消息源自网络中提供公共时间参考的 特定点。使用控制子帧中的无冲突网络调度来分发该时钟同步消息。 该调度被构造为在最短时间内将该同步消息分发至整个网络。可以在 TDMA帧上周期性地执行该算法，以根据公共时间参考来更新节点时 钟。该算法可以应用于多种多跳无线TDMA网络，并以低开销来提供 精确的时钟同步。最后，该算法还可以用于将除时钟同步消息之外的 附加控制信息从提供时间参考的节点分发至网络中的其余节点。在更宽的意义上，本发明被限定为一种用于对TDMA ("时分多 址")通信网络中的一组节点的时钟进行同步的方法，所述TDMA通 信网络包括多个节点，其中被称为时间参考(TR)节点的一些节点通 过预定带外同步机制与公共时间参考同步，其他节点被称为非TR节 点，所述方法的特征在于包括以下步骤 在至少一个所述TR节点的级别，在子帧的给定时隙期间发 送广播信标分组，每个所述子帧包括多个时隙； 使用TDMA协议的时隙化结构，在其余节点之间传播所述信 标分组，每个节点被预分配以子帧中的无冲突时隙，以对在所 述子帧的前一时隙中从另一节点接收到的所述信标分组进行 广播；以及 在接收到所述信标分组时，在至少两个所述非TR节点中， 基于更新后的偏移估计来更新内部时钟。有利地，所述方法包括以下步骤在节点(B)从另一节点(A) 接收到所述信标分组时，估计节点(A)发送所述信标分组的时刻； 以及计算节点(A)的内部时钟与节点(B)的内部时钟之间的偏移。优选地，所述信标分组包括时间戳，所述时间戳具有在TR节点 发送所述信标分组时所述TR节点的当前时钟值。根据具体实施例，在所述通信网络中，从至少一个所述TR节点 向至少两个所述非TR节点分发附加控制信息。优选地，所述附加控制信息是在所述信标分组中分发的。有利地，所述子帧是同步控制子帧(SCS)，所述同步控制子帧是 控制子帧的一部分。根据实施例，在给定的时隙中，仅有一个节点进行发送，而其余 节点处于"接收"模式。优选地，将所述子帧的每个时隙分配给节点，以通过所述通信网 络来发送或传播所述信标分组。根据实施例，当向节点进行分配以在所述子帧的预定时隙期间进 行发送时，己经向其至少一个相邻节点进行分配以在前一时隙中进行 发送。优选地，所述方法包括以下步骤由至少一个节点维护并更新査 找表，所述查找表用于确定依赖于所述信标分组中数据速率值的值 (S)。根据具体实施例，所述值(S)等于以下三个值之和-发送方处的MAC发送延迟；-传播延迟；以及-接收方处的MAC接收延迟。根据实施例，所述方法包括在发送节点处提供时间戳的步骤，其 中，所述在发送节点处提供时间戳的步骤是在被称为MAC (媒体接 入控制)层的通信网络协议层处执行的。优选地，所述方法包括对所述信标分组进行接收和解码的步骤，其中，所述对所述信标分组进行接收和解码的步骤是在被称为MAC (媒体接入控制)层的通信网络协议层处执行的。有利地，至少两个子帧与至少一个信道号(k)以及子帧内的至少 一个时间索引(t)相关联，并且，在时间索引(t)处，属于给定节 点组(j)的节点切换至所述信道(k)并执行至少一个同步步骤。根据一个实施例，存在两个信道号和一个时间索引(t)，并且在 时间索引(t)处，在所述两个信道中的每一个上执行一个同步步骤。根据另一实施例，存在单一信道号和两个不同的时间索引，并且 在所述两个不同的时间索引处，在所述单一信道上执行两个同步步骤。有利地，所述信道号(k)指定了多个正交通信信道当中的通信信道。本发明还涉及一种在TDMA ("时分多址")通信网络中的通信设 备，所述TDMA通信网络包括多个设备，其中被称为时间参考(TR) 节点的一些设备通过预定带外同步机制与公共时间参考同步，所述通 信设备的特征在于包括用于执行以下步骤的装置 接收广播信标分组，所述广播信标分组是先前已在子帧的 给定时隙期间发送的，每个所述子帧包括多个时隙； 在接收到所述信标分组时，基于更新后的偏移估计来更新 其内部时钟；以及 使用TDMA协议的时隙化结构，在控制子帧内所分配的发送时隙上重新广播所述信标分组。 本发明提供了以下优点 满足了TDMA对有限执行时间和最小开销的严格要求。在数 目等于P的多个时隙中将每个同步信标分发至网络，P典型地小于网络中的节点数N。 高精度。在IEEE 802.11硬件上实现根据本发明的方法，实 现了几微秒量级上的时钟同步。
通过附图将更好地理解以下详细描述，在附图中 图1示出了同步控制子帧(SCS)调度的示例； 图2示出了两个节点A和B之间的S估计的消息交换；以及 图3示出了根据本发明的方法的执行示例，其中有2个TR节 点和&=2个正交信道。
具体实施方式
举例而言，根据本发明的方法可以用于由N个节点组成的多跳无 线网络中。在一个实施例中，这些节点中的一些是时间参考(TR)节 点。TR节点通过诸如GPS (全球定位系统)设备和原子钟等带外同步 机制与公共时间参考同步。本发明的同步算法的目的是保持网络中所 有节点的时钟与TR节点的时间参考同步。该算法利用TDMA协议的时 隙化结构来实现精确同步并最小化通信开销。该算法在作为控制子帧 一部分的同步控制子帧(SCS)期间进行。主要思想是TR节点在SCS 的第一时隙通过发送广播信标来触发同步，并使其余节点快速将该信 标传播至网络，同时其余节点更新其对TR时钟的估计。可以首先关注单一TR节点的情况，这并不失一般性。以后将讨论 涉及多个TR节点的性能增强。首先描述确定节点传送序列的SCS结 构，该序列的目的是在网络中快速传播TR同步信标。然后，提出了利 用SCS结构的同步算法和辅助实现精确时钟同步的实验参数估计过 程。SCS调度由P个'时隙组成。在每个时隙期间，只有单一节点进行发 送而其余节点处于"接收"模式。在SCS期间，每个节点至多发送一 次。构造SCS调度的目的是找到具有较小P的时隙分配，以确保单个 信标消息从TR节点以可靠的方式传播至网络中的其余节点。将第一 SCS时隙分配给TR节点，以发送要在网络中传播的信标分组。将其余SCS时隙分配给其他节点，以使用多跳无线网络的网络通信图G(N,L) 来传播该信标。图G(N,L)的顶点是网络节点，边都是单向链路(i，j)， 对于链路(i, j)，从节点i进行的发送可以以概率P[i， j]到达节点j。基于 G(N， L)来向节点分配时隙有多种方式。任何分配都应当确保当向一节 点进行分配以在一个时隙进行发送时，已向G(N，L)中的至少一个相邻 节点进行分配以在前一时隙期间进行发送。这种约束的出现是由于在 SCS期间每个节点至多可以发送一次。最佳分配依赖于开销与可靠性 之间的权衡。具有较大SCS持续时间P的分配产生较高的开销和执行时 间。另一方面，由于有更多次传送并且节点从其相邻节点接收到信标 分组的可能性更大，因此具有较大SCS持续时间P的分配可以提供更高 的可靠性。图1示出了用于具有N42个节点的多跳无线网络G(N， L)的、P=7 个时隙的同步控制子帧(SCS)调度的示例。网络图G(N，L)表示节点 端点之间的链路的两方向中任一方向上的通信。在本示例中，在SCS 期间，在每个控制子帧处(X=l)执行算法。将SCS中的第一时隙分配 给TR(时间参考)节点。在节点中的数字所表示的时隙中，已向这些 节点进行分配以在SCS期间进行发送。该算法的描述关注具有固定节点数目的多跳无线网络中的同步 的维护。在通过与当前无线TDMA系统中遇到的测距过程相类似的测 距过程将附加节点添加至网络之后，可以在算法执行中并入这些附加 节点。该算法的目的是更新节点的时钟值以便维护与TR节点的同步。该 算法在SCS期间运行，而且在每X个控制子帧周期性地执行该算法。该 算法可应用的最大频率由TDM帧的持续时间F来确定。在这种情况下，在每个控制子帧处a=i)应用该算法。SCS中的每个时隙具有固定持续时间，等于SlotTime。 SlotTime 由具有固定持续时间的两部分组成空闲保护时间部分T一G和数据传 送部分。保护时间是必需的每时隙开销，以掩蔽瞬时时钟漂移。必须 假定时隙保护时间T—G足够大以吸收SCS的持续时间P* SlotTime的时 钟漂移。这确保了所有节点都同步并具有对算法执行期间所有子帧(控制、SCS、数据)的起始和结束的共识。T一G还应当足够大以掩蔽不. 同TDMA帧处的不同算法执行之间出现的漂移。如果dr一i是节点i从公 共时间参考的时钟漂移的速率，则时隙保护时间应当满足该算法在TR节点在SCS的第一时隙处对信标进行广播时开始，该 信标包含具有该TR节点当前时钟值的时间戳。接收该信标的每个节点 (假定该信标是该节点在当前SCS中已接收到的第一个信标)计算它 与TR时钟的时钟偏移的估计，并基于TR节点的时钟来确定下一数据 子帧(DS)的开始处。然后，它在SCS中分配给它的时隙期间重新广 播该信标(未修改)。时隙分配确保了截止到SCS结束处，所有节点都 能以较高概率接收到该信标的至少一个拷贝。在SCS结束处，所有节 点基于其更新后的偏移估计来更新其时钟。以下将详细描述当算法终 止时在SCS结束处由所有节点执行的、接收到信标时的偏移计算以及 时钟更新操作。现在描述每个节点n在时隙i接收到信标时的操作。令T—n(L)为接 收到该信标时节点n的本地时钟值。节点n首先计算节点i发送该信标的 时刻的估计Tj(L):则=7;(丄)-5 (i)其中，S是信标从节点i发送至节点n所要花费的总时间的估计。在下一 部分中将描述如何估计5。然后，给定T—i(L)，节点n计算其对TR节点 发送该信标的时刻的估计Tj(L):《(丄)= ;(丄)-G. -1). 5 om膨 (2)最终，节点n使用信标时间戳值T—s(R)，基于来自节点i的釆样来 估计其与TR时钟的偏移争,(/) = ，)-7;(丄) (3)在SCS的时隙P结束处，每个节点n基于新计算出的偏移来更新其 本地时钟。所有节点在SCS结束处同时更新其时钟的原因是为了避免 由于一些节点在其他节点之前使用新时钟值来更新其时钟而导致的失 去同步。s的估计在该同步算法的偏移估计过程中唯一的未知量是等式(1)中的延迟3。 5是在发送方处将时间戳置于信标分组中的时刻与在接收方处 接收到该信标分组的时刻之间的总延迟。根据一个实施例，考虑一种实现方式，其中发送方侧的时间戳操 作是在MAC层执行的。在接收方侧，对信标分组的接收和解码也是在 MAC层实现的。这种实现方式回避了由于网络协议栈的高层导致的延 迟不确定性，如操作系统上下文切换和由于网络层数据路径而导致的 延迟。此外，该同步算法运行在TDMA协议之上，并且S在时隙内发生， 因此，不存在由于MAC协议操作导致的接入延迟。这与现有技术的运 行在随机接入协议之上的上述时钟同步算法不同。在这些现有技术算 法中，接入延迟分量很大，并且需要在同步算法执行期间进行在线估 计。5中仅有的分量是发送方处的MAC发送延迟、传播延迟、和MAC 接收延迟。发送方处的MAC发送延迟是确定的，并可以通过信标分组 大小和物理层数据传送速率来确定。对于典型的多跳无线网络中所遇 到的节点间距离，传播延迟具有较低幅度以及较低的随TDM协议的时 隙颗粒度的可变性。例如，跨越半公里的传播延迟处于远不足l微秒的 数量级，而在这里的基于IEEE 802.11无线硬件的TDM协议实现方式 中，时钟颗粒度是l微秒。主要的未知量是在接收方无线电中断到达 MAC层时的MAC接收延迟。尽管未知，但是也预计这个量相对较小 而且具有较小的可变性。通过离线测量5来捕获MAC接收延迟的不确定性。这是通过一种 实验方法来实现的，该实验方法对发送方-接收方同步握手协议进行仿 真。图2示出了该实验，其中节点A是发送方而节点B是接收方。根据 该试验，节点A在时刻T1(A)发送信标，节点B在时刻T2(B)接收该信标。 节点B立即在时刻T3(B)用其自身的信标进行回复，节点A在时刻T4(A) 接收到该信标。时刻T1(A)、 T4(A)是用A的时钟来测量的，而时刻 T2(B)、 T3(B)是用B的时钟来测量的。T1(A)是节点A放入其信标中的时间戳。图2示出了两个节点A和B之间的5估计的消息交换。 当B从A接收到信标时，B将A发送该信标(对该信标加时间戳) 的时刻估计为其中，5是待定参数。此外，将两个时钟之间的偏移计算为-<9," = n(^)-ri(万) (5)在时刻T3(B)，节点B发送其自身的信标，但是B使用B对在T3(B) 时刻A的时钟的估计T3(A)来对该信标加时间戳r3(李r3("+q^ (6)注意，该过程与在线同步算法不同，在在线同步算法中，所有节点都用相同的值(即，TR节点最初发送的时间戳)对信标加时间戳。 当A在时刻T4(A)接收到回复时，A将发送该回复的时刻T3，(A)估计为由于时刻T3(A)和T3'(A)均是使用相同时钟参考来估计的，因此它们应当相等r3'(李T3(J) (8)将等式(5) (6) (7)代入等式(8)，得到S的以下表达式-5 二 T4U) -T3(B) + T2 W- riU) (9)基于等式(9)，可以通过在节点A处测量T1(A)、 T4(A)以及在节 点B处测量T2(B)、 T3(B)来估计5。应当针对每个所支持的数据速率，多次重复上述实验过程，以计 算每数据速率的平均S。在该时钟同步算法执行过程中，每个节点使用 査找表来确定与接收到的信标分组中的数据速率值相对应的S。在SCS调度的每个时隙期间，仅有单一节点进行发送而其余节点 进行侦听。这是一种保守的调度，这是由于可能有相距较远的节点能 够在相同时隙处进行发送而不会发生冲突。然而， 一般而言，精确地 先验估计哪些传送将发生干扰是有意义的，尤其是当干扰关系在协议17运行期间动态改变时。此外，可以通过将时钟同步与干扰估计算法相 结合以充分利用空间重用，来实现进一步的并行操作和幵销减小。干 扰估计算法确定了非干扰节点集合并且可以用于SCS调度的设计中。该算法可以与多个TR节点一起运行。令M为TR节点的数目。将 网络分为M个组，每个组由一个TR节点提供服务。TR节点组j是网络 通信图G(N，L)的连通子图。对于每个组j，构造了由Pj个时隙组成的单 独SCS。在组j的SCS期间，执行单一TR节点的算法，其中从对应TR 节点发送信标消息。如果网络中仅存在单个信道，则将M个SCS顺序 地置于控制子帧内，这意味着将在这些组中顺序地执行该算法。如果 存在K个正交信道，则可以通过在时间上对算法执行进行重叠(重叠 因子为K)来减小开销。在这种情况下，每个SCS与信道号k以及控制 子帧内的时间索引t相关联。因此，在控制子帧的时间索引t处，组j的 所有节点切换至信道k并执行同步算法。图3示出了针对图l网络中M-2 个TR节点和^2个信道的情况的SCS结构和算法执行的示例。举例而言，可以有两个信道号和一个时间索引(t)。在这种配置下， 在时间索引(t)处，在两个信道中的每一个上执行一个同步步骤。举例而言，还可以有单一信道号和两个不同的时间索引。在这种 配置下，在两个不同的时间索引处，在所述单一信道上执行两个同步 步骤。图3示出了根据本发明的方法的执行的示例，其中有2个TR节点和 &=2个正交信道。每个组的SCS由P-3个时隙组成。由于每个组在不同 的信道上执行算法，因此两个SCS可以在时间上重叠。以上说明书、示例和附图提供了对根据本发明的方法的完整描 述。在不脱离本发明的精神和范围的前提下可以实现本发明的许多实 施例，因此，本发明在于所附权利要求
。
权利要求
1.一种用于对时分多址TDMA通信网络中的一组节点的时钟进行同步的方法，所述TDMA通信网络包括多个节点，其中被称为时间参考(TR)节点的一些节点通过预定带外同步机制与公共时间参考同步，其他节点被称为非TR节点，每个节点包括内部时钟，所述方法的特征在于包括以下步骤
·在至少一个所述TR节点的级别，在子帧的给定时隙期间发送广播信标分组，其中，每个所述子帧包括多个时隙；
·使用TDMA协议的时隙化结构，在其余节点之间传播所述信标分组，其中，每个节点被预分配以子帧中的无冲突时隙，以对在所述子帧的前一时隙中从另一节点接收到的所述信标分组进行广播；以及
·在接收到所述信标分组时，在至少两个所述非TR节点中，基于更新后的偏移估计来更新内部时钟。
2. 如权利要求
1所述的用于对TDMA通信网络中的一组节点的 时钟进行同步的方法，还包括以下步骤在节点(B)从另一节点(A) 接收到所述信标分组时，估计节点(A)发送所述信标分组的时刻； 以及计算节点(A)的内部时钟与节点(B)的内部时钟之间的偏移。
3. 如权利要求
1或2所述的用于对TDMA通信网络中的一组节 点的时钟进行同步的方法，其中，所述信标分组包括时间戳，所述时 间戳具有在TR节点发送所述信标分组时所述TR节点的当前时钟值。
4. 如权利要求
1、 2或3所述的用于对TDMA通信网络中的一组 节点的时钟进行同步的方法，其中，在所述通信网络中，从至少一个 所述TR节点向至少两个所述非TR节点分发附加控制信息。
5. 如权利要求
4所述的用于对TDMA通信网络中的一组节点的 时钟进行同步的方法，其中，所述附加控制信息是在所述信标分组中 分发的。
6. 如之前任一权利要求
所述的用于对TDMA通信网络中的一组 节点的时钟进行同步的方法，其中，所述子帧是同步控制子帧(SCS)，所述同步控制子帧(SCS)是控制子帧的一部分。
7. 如之前任一权利要求
所述的用于对TDMA通信网络中的一组 节点的时钟进行同步的方法，其中，在给定的时隙中，仅有一个节点 进行发送，而其余节点处于"接收"模式。
8. 如之前任一权利要求
所述的用于对TDMA通信网络中的一组 节点的时钟进行同步的方法，其中，将所述子帧的每个时隙分配给节 点，以通过所述通信网络来发送或传播所述信标分组。
9. 如权利要求
8所述的用于对TDMA通信网络中的一组节点的 时钟进行同步的方法，其中，当向节点进行分配以在所述子帧的预定 时隙期间进行发送时，己经向其至少一个相邻节点进行分配以在前一 时隙中进行发送。
10. 如之前任一权利要求
所述的用于对TDMA通信网络中的一组 节点的时钟进行同步的方法，还包括以下步骤由至少一个节点维护 并更新查找表，其中，所述査找表用于确定依赖于所述信标分组中数 据速率值的值(S)。
11. 如权利要求
10所述的用于对TDMA通信网络中的一组节点 的时钟进行同步的方法，其中，所述值(5)等于以下三个值之和--发送方处的MAC发送延迟；-传播延迟；以及-接收方处的MAC接收延迟。
12. 如权利要求
2所述的用于对TDMA通信网络中的一组节点的 时钟进行同步的方法，其中，在被称为MAC "媒体接入控制"层的 通信网络协议层处执行在发送节点处提供时间戳的步骤。
13. 如之前任一权利要求
所述的用于对TDMA通信网络中的一组节点的时钟进行同步的方法，还包括对所述信标分组进行接收和解 码的步骤，其中，所述对所述信标分组进行接收和解码的步骤是在被 称为MAC "媒体接入控制"层的通信网络协议层处执行的。
14. 如权利要求
1所述的用于对TDMA通信网络中的一组节点的 时钟进行同步的方法，其中，至少两个子帧与至少一个信道号k以及 子帧内的至少一个时间索引t相关联，并且，在时间索引t处，属于给定节点组j的节点切换至所述信道k并执行至少一个同步步骤。
15. 如权利要求
14所述的用于对TDMA通信网络中的一组节点 的时钟进行同步的方法，其中，存在两个信道号和一个时间索引t， 并且在时间索引t处，在所述两个信道中的每一个上执行一个同步步 骤。
16. 如权利要求
14所述的用于对TDMA通信网络中的一组节点 的时钟进行同步的方法，其中，存在单一信道号和两个不同的时间索 引，并且在所述两个不同的时间索引处，在所述单一信道上执行两个 同步步骤。
17. 如权利要求
14、 15或16所述的用于对TDMA通信网络中的 一组节点的时钟进行同步的方法，其中，所述信道号k指定了多个正 交通信信道当中的通信信道。
18. —种在时分多址TDMA通信网络中的通信设备，所述TDMA 通信网络包括多个设备，其中被称为时间参考(TR)节点的一些设备 通过预定带外同步机制与公共时间参考同步，所述设备使用TDMA协 议的时隙化结构来进行通信，其中，设备间的通信在周期性的帧中进 行，每个帧由至少一个子帧组成，每个子帧由多个时隙组成，每个设 备包括内部时钟，所述设备的特征在于还包括 用于在子帧内的第一时隙中接收广播信标分组的装置，其 中，所述第一时隙被预分配给所述网络中的另一个设备以对所 述信标分组进行广播； 用于在接收到所述信标分组时基于更新后的偏移估计来更 新所述设备的内部时钟的装置；以及 用于在所述子帧中已预分配给所述设备的第二时隙上对所 述信标分组进行广播的装置，其中，所述第二时隙出现在所述 子帧中的所述第一时隙之后。
专利摘要
本发明涉及一种用于对TDMA“时分多址”通信网络中的一组节点的时钟进行同步的方法，所述TDMA通信网络包括多个节点，其中被称为时间参考“TR”节点的一些节点通过预定带外同步机制与公共时间参考同步，其他节点被称为非TR节点，每个节点包括内部时钟，所述方法的特征在于包括以下步骤在至少一个所述TR节点的级别，在子帧的给定时隙期间发送广播信标分组，每个所述子帧包括多个时隙；使用TDMA协议的时隙化结构，在其余节点之间传播所述信标分组，每个节点被预分配以子帧中的无冲突时隙，以对在所述子帧的前一时隙中从另一节点接收到的所述信标分组进行广播；以及在接收到所述信标分组时，在至少两个所述非TR节点中，基于更新后的偏移估计来更新内部时钟。本发明还涉及一种在TDMA通信网络中的通信设备。
文档编号GKCN101616479SQ200910146363
公开日2009年12月30日 申请日期2009年6月24日
发明者亨里克·隆格伦, 塞奥佐罗斯·萨洛尼迪斯, 迪米特里奥斯·库措尼古拉斯 申请人:汤姆森许可贸易公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan