改進(jìn)無(wú)線Mesh網(wǎng)系統(tǒng)的時(shí)間同步技術(shù)研究

【摘要】 本文針對(duì)面向ITS應(yīng)用無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)分布式多址接入對(duì)時(shí)間同步的要求，以及實(shí)際應(yīng)用環(huán)境對(duì)網(wǎng)絡(luò)同步的制約因素，通過(guò)對(duì)已有時(shí)間同步機(jī)制與技術(shù)的分析對(duì)比，具體研究在缺乏網(wǎng)絡(luò)外部高精度同步時(shí)鐘支持條件下，基于物理層參數(shù)解析的分布式WMN全網(wǎng)時(shí)間同步方法，給出了改進(jìn)的無(wú)線MESH網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步方案，并就方案性能進(jìn)行了仿真研究。

【關(guān)鍵詞】 智能交通系統(tǒng) 無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò) 時(shí)間同步

在本文中，選取網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)基站（BS，Base Station）作為時(shí)間主控節(jié)點(diǎn)。按照與主控節(jié)點(diǎn)間跳數(shù)距離的大小，每個(gè)BS會(huì)被分配一個(gè)時(shí)間等級(jí)，離主控節(jié)點(diǎn)越遠(yuǎn)等級(jí)就越低。每個(gè)BS通過(guò)接收等級(jí)高的BS節(jié)點(diǎn)同步分組來(lái)實(shí)現(xiàn)初始同步和同步跟蹤。為了提高效率，快速實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)時(shí)間同步，時(shí)間等級(jí)結(jié)構(gòu)可在初始同步階段隨著B(niǎo)S的加入過(guò)程中逐步建立，不需要額外的節(jié)點(diǎn)等級(jí)建立過(guò)程。

一、時(shí)間同步協(xié)議

在邏輯線性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)條件下，假設(shè)一個(gè)BS只和左右一跳范圍內(nèi)的兩個(gè)BS通信，一跳之外的BS之間不會(huì)互相通信。為簡(jiǎn)化建立過(guò)程，從實(shí)際的角度出發(fā)，認(rèn)為BS由人工逐個(gè)依次在網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域布設(shè)并開(kāi)機(jī)。

初始同步完成后，可以認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)中的BS都有相同的即時(shí)時(shí)刻。因?yàn)楦鱾€(gè)BS的本地時(shí)鐘的時(shí)間速率會(huì)有差別，時(shí)鐘漂移必然會(huì)導(dǎo)致各個(gè)BS的本地時(shí)間出現(xiàn)偏差。在系統(tǒng)正常運(yùn)行期間需要周期性的再同步，使各個(gè)BS的時(shí)間偏差保持在可容忍的范圍內(nèi)。

二、保護(hù)帶的設(shè)計(jì)

為了消除時(shí)間偏差對(duì)TDMA接入的影響，除了周期性的同步跟蹤外，還需要在時(shí)隙之間插入保護(hù)帶。這樣，一個(gè)時(shí)隙的長(zhǎng)度Tslot應(yīng)該由兩部分組成：保護(hù)帶長(zhǎng)度Tg和實(shí)際用于傳輸數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度Td。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)沖突傳輸，保護(hù)帶的長(zhǎng)度要能容納三部分：傳輸時(shí)延、時(shí)間基準(zhǔn)偏差和時(shí)鐘漂移偏差。

2.1 傳輸時(shí)延的估計(jì)

由于同步分組在組裝產(chǎn)生和MAC接入過(guò)程的時(shí)間有很大的不確定性，將發(fā)送時(shí)延和接入時(shí)延統(tǒng)一用發(fā)送處理時(shí)延表示；同樣，對(duì)接收端的處理時(shí)延主要考慮接收通道中的時(shí)延和緩沖區(qū)里等待的時(shí)延。

2.2 時(shí)間基準(zhǔn)偏差

在無(wú)線Mesh網(wǎng)的多跳環(huán)境下，隨著B(niǎo)S與主控節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)增加，時(shí)間基準(zhǔn)偏差也會(huì)相應(yīng)的增大。網(wǎng)絡(luò)中第K跳B(niǎo)S和主控節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間基準(zhǔn)偏差為t，在最壞情況下的基準(zhǔn)偏差為：t=K·Δ

t+Δ

t

2.3 時(shí)鐘漂移偏差的估計(jì)

由于時(shí)鐘漂移，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，各個(gè)BS之間的本地時(shí)間會(huì)漸漸偏離，需要周期性的進(jìn)行全網(wǎng)同步來(lái)維持BS本地時(shí)間的偏差范圍。假設(shè)晶振的精度誤差為δppm，則經(jīng)過(guò)時(shí)間T（單位：s）后，時(shí)間偏移（單位：μs）為：

tdrift=δ·T

2.4 保護(hù)帶長(zhǎng)度

通過(guò)以上三部分的分析和計(jì)算，可以得到為避免沖突發(fā)生所需要的保護(hù)帶長(zhǎng)度：

Tg≥t+tdrift+tdelay

可以看出，由時(shí)鐘漂移引起的時(shí)間偏移和兩次同步時(shí)間間隔成正比。如果縮短同步間隔或者提高晶振的精度，則可以減小時(shí)間偏移，進(jìn)而減小保護(hù)帶長(zhǎng)度增加時(shí)隙利用率，實(shí)際應(yīng)用中需要在成本和性能之間做一個(gè)折中。

三、性能仿真分析

本節(jié)各種誤差進(jìn)行仿真分析，仿真參數(shù)采用OFDM基帶流程的參數(shù)。現(xiàn)將參數(shù)重新列于表1中。

3.1 主控節(jié)點(diǎn)處于網(wǎng)絡(luò)中間位置

考慮系統(tǒng)在最優(yōu)化條件，即主控節(jié)點(diǎn)位于線性結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中間時(shí)的情況，則網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間最大跳數(shù)為5跳。

圖1為時(shí)間基準(zhǔn)偏差和跳數(shù)的關(guān)系，圖中顯示的是100次仿真的疊加效果。在實(shí)際設(shè)計(jì)保護(hù)帶時(shí)，可以根據(jù)多次測(cè)量的值進(jìn)行來(lái)選擇基準(zhǔn)偏差的大小以提高時(shí)隙利用率。

為了能更清楚的分析網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)和基準(zhǔn)偏差的關(guān)系，圖2計(jì)算了100次仿真結(jié)果的平均值。從圖2中可以很清楚的看到，隨著跳數(shù)的增加，時(shí)間基準(zhǔn)偏差的變化趨勢(shì)是不斷增大。

3.2 主控節(jié)點(diǎn)處于網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)

考慮系統(tǒng)在差條件，即主控節(jié)點(diǎn)位于線性結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)時(shí)的情況，則網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間最大跳數(shù)為10跳。

圖3為時(shí)間基準(zhǔn)偏差和跳數(shù)的關(guān)系，圖中顯示的是100次仿真的疊加效果。在實(shí)際設(shè)計(jì)保護(hù)帶時(shí)，可以根據(jù)多次測(cè)量的值進(jìn)行來(lái)選擇基準(zhǔn)偏差的大小以提高時(shí)隙利用率。

為了能更清楚的分析網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)和基準(zhǔn)偏差的關(guān)系，圖4計(jì)算了100次仿真結(jié)果的平均值。從圖4中可以很清楚的看到，隨著跳數(shù)的增加，時(shí)間基準(zhǔn)偏差的變化趨勢(shì)是不斷增大。

四、結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線Mesh網(wǎng)通信系統(tǒng)以智能交通系統(tǒng)等場(chǎng)合為背景，實(shí)現(xiàn)一個(gè)覆蓋范圍廣、搭建靈活、不受地理和有線通信條件制約的寬帶通信支撐網(wǎng)絡(luò)。本文針對(duì)本系統(tǒng)的TDMA接入方式，給出了一種基于物理層參數(shù)解析的全網(wǎng)時(shí)間同步方案。對(duì)方案的初始時(shí)間同步方式和時(shí)間跟蹤維護(hù)方式進(jìn)行了闡述，分析了方案的各部分誤差，并給出保護(hù)帶的計(jì)算方法，通過(guò)仿真分析了方案的性能，給出了在10跳的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下的保護(hù)帶設(shè)計(jì)。在后續(xù)的研究中，需要更加復(fù)雜完善的全網(wǎng)同步機(jī)制，選擇更合適的分布模型以得到的更好的誤差值。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 楊春明. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步算法的研究[D]. 合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)通信與信息系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)，2008

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[3] 程利娟. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步算法研究[D]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)，2007

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