[发明专利]在TDMA多跳无线网络中进行时间同步的方法和设备

说明书

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。

背景技术

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已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开销，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”System and method of timing and frequency control inTDM/TDMA networks”)。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。