多跳TDMA組網同步的分布式控制方法

劉慶剛，李大雙，朱家成

（①海司信息化部，北京 100841；②中國電子科技集團第30研究所，四川 成都 610041）

0 引言

由于在軍事網絡中普遍采用時分多址接入(TDMA, Time Division Multiple Access)信道訪問，需要維護一個公共的時間參考基準來實現TDMA戰術網絡的無沖突通信，網絡時間同步為一個基本要求。

當將現有的時間同步協議應用于戰術移動自組織網(MANET, Mobile Ad-hoc Networks)中時，受限于它們的硬件和環境約束[1-2]。另外，許多現有的技術都不能滿足戰術MANET的如下一些要求[3-6]：①可伸縮的多跳網絡；②節點移動性引起的快速拓撲變化；③1 μs的同步精度。

通常采用高精度的外部時鐘信號例如GPS來實現分布式TDMA的組網同步，但是在戰術邊緣的地面軍事網絡中，敵對的傳輸環境提高了可能無法獲得外同步信號，則必須采取內同步的方法。

在這篇文章中，針對分布式MANET應用，提出一種以跨層方式實現 Ad-Hoc網絡同步的方案，基于螢火蟲的同步機制解決TDMA組網的粗同步，然后由路由協議沿著建立的同步樹搭載和交換時間戳信息實現精確同步。

1 脈沖耦合振蕩器

在東南亞的某些河谷地方可以觀察到，拂曉時數千只螢火蟲聚集在幾棵樹上，并各自開始規則地發射閃光；隨著時間的流逝，從表面上無序的情形逐漸出現了同步，好像整棵樹在以完美的同步方式在閃爍。Mirollo和Strogatz[7]基于耦合振蕩器理論，推導出了一個關于螢火蟲同步的非常精確的數學模型。控制該模型的規則確令人迷惑地簡單：①每個實體維持一個內部函數，即用于確定閃爍時刻的一個周期定時器，擔當一個振蕩器的功能；②當察覺到一次外部閃爍時，將基于該內部函數的耦合參數和當前值對該函數進行調整。只要各實體之間的耦合控制滿足某些約束條件，已經證明，對于任意數量的實體以及獨立的初始條件，該網絡總是能夠達到同步[7]。

每只螢火蟲都是一個振蕩器，通過一些簡單的局部規則與其它螢火蟲進行交互作用，以此達到全局同步的自然出現。振蕩器的狀態 ()xt一個周期之內從0增加到1，并且在值到達1時，這只螢火蟲閃光，并立即將該狀態重置為0。如果()tφ為一個相位變量，其值域在[0,1]范圍內，則其狀態為這個相位的一個函數，即，其中為一個函數,且 (1)1f = 。根據這些特性，存在一個反函數。現在考慮2只螢火蟲和，它們以后述的簡單方式進行交互作用：當到達1并且點火時，則成為并且成為0。同樣地，當到達1并且點火時，則成為并且成為0。耦合參數僅僅為螢火蟲之間的一個牽引值。

容易驗證，這種同步的發生是不可避免的。在A點火后，立即調整其相位 φA=0，并且B的相位為某個數字φ。因而，B將在其相位增加1-φ時點火。在那個時期內，A的狀態已經遷移到(假設對于兩只螢火蟲，其dφ/dt是相同的)。其后，B的狀態立即回到0，并且A跳到如果xA= 1，就達到了同步；否則，，并且它的相位為在第二種情形中，兩只螢火蟲的狀態從(0,φ)遷移到(h(φ),0)，并且在下一輪調整中，它們將轉移到(0,h(h(φ) ))（如果它們不同步）。設為A上一次點火時刻B的相位（如果它們沒有獲得同步），我們將 R (φ) = h(h(φ))稱為返回圖，即B在A下一次點火時的相位為：

在式(1)給出的函數的控制下，()Rφ的反彈固定點，即到達的相位為：

φ*為當0b＞和0ε＞時的一個反彈固定點，因而其同步的出現將不可避免。

研究發現，擬南芥BR缺失或不敏感突變體幼苗在黑暗條件下表現出下胚軸明顯變短，子葉張開等光形態建成的表型[27]，采用BR合成抑制劑BRZ處理野生型擬南芥也發現類似的表型[27, 28]，說明BR信號可參與擬南芥光/暗形態建成。本研究在黑暗條件下采用BRZ處理甘藍型油菜幼苗，結果顯示(圖4)，與對照組相比，使用1 × 10-6 mol/L BRZ處理的實驗組幼苗下胚軸伸長受到明顯的抑制，說明在黑暗條件下甘藍型油菜對BRZ的反應與擬南芥相似，BR水平下降導致幼苗黑暗條件下的光形態建成，但實驗同時也發現幼苗的子葉沒有明顯張開。

Mirollo和Strogatz還證明了，在具有n只全互連的一組螢火蟲之間，同步為不可避免的必然現象。假如按照它們的相位以0到 n -1來列舉它們，考慮緊鄰點火后的一個時刻：

2 基于同步信標實現粗同步

采取如圖1所示的TDMA幀結構。每個TDMA幀由K個信標時隙和N個數據時隙組成。各節點不定期地隨機選擇一個信標時隙傳遞支持粗同步的信標消息。每個信標消息以前導編碼序列開始，后跟TDMA幀序號、信標時隙號以及其它控制信息。通過信標消息，各節點可以競爭或協商使用數據時隙。

圖1 TDMA幀結構

一個節點接收到信標消息后，根據其到達時刻、時隙序號，確定本節點與發送節點之間TDMA起始時間位置的時間差，然后根據脈沖耦合振蕩器機制調整本節點的TDMA幀同步電路，達到與該鄰居節點之間的粗同步。

采用這種同步方案，由于接收電路邏輯需要的處理時間在設計時已確知，一個節點與鄰居節點之間的同步偏差即粗同步精度取決于無線傳輸時延，例如 30 km為 100 μs。

3 基本的時間戳同步機制

首先，一個從站在時刻 tx發送一個請求消息。主站在時刻 T1接收到該請求消息，在時刻 td發送回一個包含有 T1和 td的時間戳的應答消息。隨后，從站在時刻2T接收到該應答消息后，它通過應用公式(1)就能夠得出其時間偏移量D：

圖2 時間戳同步機制

4 基于跨層協作的分布式同步機制

自組織分布式TDMA組網同步機制，分為粗同步與精同步兩個步驟。在一個節點入網的同時，根據接收到1-跳鄰居節點發送的信標幀內包含的前導碼(Preamble)序列，實現粗同步。在節點完成入網后，各節點根據路由協議協議交換收集到的網絡拓撲信息，確定一個網絡主站，并且確定它們相對于網絡主站節點的層次，形成一種“樹形”結構，包含多個層次的從站節點，然后開始運行跨層同步協議。

在自組織TDMA網絡達到粗同步后，啟動優化鏈路狀態路由協議(OLSR)，使每個節點都能夠獲得整個TDMA網絡的拓撲信息。各節點以分布方式運行相同的網絡中心選擇算法，確定作為網絡跳數中心的一個節點為根節點，并且建立一棵同步拓撲樹，如圖3所示。

對于一個具有M個節點的網絡，若采用傳統的雙向消息交換方法，完成時間同步需要進行2M次傳輸。所引起的開銷包括消息凈荷加上分組開銷，比如訓練時間和協議頭開銷等。因此，網絡同步協議必須使開銷最小化，并且允許按照一種分布式的方式來解決調度問題。

為減小網絡中傳輸時間戳信息的總開銷，在路由協議周期廣播發送的鄰居發現消息(Hello)中搭載自己的時間戳信息。每個節點根據自己在同步樹中的位置，子節點只與同步拓撲樹上的父節點相互交換時間戳信息，使子節點保持與父節點的精確TDMA幀同步。

采用這種基于同步拓撲樹交換時間戳的方案，一個具有M個從站的主站節點，在所有的從站發送了拓撲消息后，只需要發送一次拓撲消息。所有M個節點完成雙向消息交換，僅需要 M +1個消息而非2M個消息，它達到了 50%的開銷減少，并且與分組開銷無關。

圖3 TDMA同步拓撲樹

主站發出的時間戳信息內具有TDMA幀號(FN)和時隙號(SN)來指示參考基準，這 2個參數便于每個從站與主站的幀同步系統保持一致。

在粗同步后，通過網絡拓撲信息的泛洪，各節點采用相同的分布式算法確定網絡的集合中心節點，建立一個虛擬的拓撲樹，在該拓撲樹的基礎上，通過時間戳信息的交換，下級同步到上級，實現逐級的時鐘同步。

跨層分布式同步機制的主要技術要點有：①以包含前導碼序列、幀序號、節點ID、時隙號指示的信標幀實現入網粗同步；②完成粗同步后由 OLSR協議交換拓撲信息；③基于網絡拓撲信息選舉最小ID或跳數幾何中心節點作為時鐘基準節點；④建立基于時鐘基準節點的拓撲樹；⑤各節點根據自己在拓撲上的層次通過時間戳信息交換同步到其父節點；⑥由OLSR Hello協議捎帶完成時間戳信息的傳遞與交換；⑦粗同步與精同步都由物理層數字信號處理器(DSP)基于FPGA邏輯以分布計算實現。

如果同步拓撲樹上傳遞和交換的時間信息以100 ns即0.1 μs為粒度，則能夠確保在多跳TDMA網絡中實現1 μs之內的同步精確度，這個指標完全可以滿足一般的戰術電臺網絡的組網同步要求。

5 結語

在一個戰術 MANET環境中，維持網絡時間同步通常是基本要求。這里介紹了一種跨層協作的同步方案，基于螢火蟲同步機制達到整個網絡的粗同步，并且基于同步拓撲樹來交換時間信息，在現有的網絡體系結構上，它能夠以最小的影響實現低代價的同步。

跨層協作同步機制提供了一種時間同步技術，提升了現有的調度和路由協議的效能，而不會顯著地增加其開銷。這個特性對于高業務負荷的MANET顯得日益重要，因為維持時間同步和更新路由表的同時必須控制住其開銷。雖然該方案需要結合底層的路由和信道訪問協議來實施，但它提供了一種可以承受的系統解決方案，能夠經受住戰術 MANET環境的苛刻要求，不會給現有的硬件增加壓力。下一步的工作是對方案進行深入的仿真和完善，以進一步改善估計精度，并且研究移動性的影響，最終將這種同步機制集成到戰術電臺網絡。

[1] IEEE Std.802.15.1. IEEE Standard for Information Technology Local and Metropolitan Area Networks Specific Requirements Part 15.1[S].USA: IEEE,2005:45-86.

[2] IEEE Std.802.15.4. IEEE Standard for Information Technology Local and Metropolitan Area Networks Specific Requirements Part 15.4[S].USA: IEEE,2005:121-149.

[3] 劉功亮, 孟繁宇, 郭慶, 等.新一代寬帶衛星系統網絡同步方案[J]. 通信技術, 2009,42(05):54-56.

[4] 丁銳, 鄭龍, 王玉文, 等.動態TDMA時隙分配算法在數據鏈中的仿真[J].通信技術, 2011,44(02):105-107.

[5] HONG Y W, SCAGLIONE A. A Scalable Synchronization Protocol for Large Scale Sensor Networks and Its Applications[J].IEEE J.Selected Areas Comm.,2005,23(05): 1085-1099.

[6] LUCARELLI D,WANG I J.Decentralized Synchronization Protocols with Nearest Neighbor Communication[M].USA:ACM,2004:475-483.

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