多跳TDMA組網(wǎng)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(tuán)第30研究所，四川 成都 610041）

0 引言

由于在軍事網(wǎng)絡(luò)中普遍采用時分多址接入(TDMA, Time Division Multiple Access)信道訪問，需要維護(hù)一個公共的時間參考基準(zhǔn)來實現(xiàn)TDMA戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)的無沖突通信，網(wǎng)絡(luò)時間同步為一個基本要求。

當(dāng)將現(xiàn)有的時間同步協(xié)議應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)移動自組織網(wǎng)(MANET, Mobile Ad-hoc Networks)中時，受限于它們的硬件和環(huán)境約束[1-2]。另外，許多現(xiàn)有的技術(shù)都不能滿足戰(zhàn)術(shù)MANET的如下一些要求[3-6]：①可伸縮的多跳網(wǎng)絡(luò)；②節(jié)點移動性引起的快速拓?fù)渥兓虎? 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(xiàn)分布式TDMA的組網(wǎng)同步，但是在戰(zhàn)術(shù)邊緣的地面軍事網(wǎng)絡(luò)中，敵對的傳輸環(huán)境提高了可能無法獲得外同步信號，則必須采取內(nèi)同步的方法。

在這篇文章中，針對分布式MANET應(yīng)用，提出一種以跨層方式實現(xiàn) Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)同步的方案，基于螢火蟲的同步機制解決TDMA組網(wǎng)的粗同步，然后由路由協(xié)議沿著建立的同步樹搭載和交換時間戳信息實現(xiàn)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(shù)千只螢火蟲聚集在幾棵樹上，并各自開始規(guī)則地發(fā)射閃光；隨著時間的流逝，從表面上無序的情形逐漸出現(xiàn)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(dǎo)出了一個關(guān)于螢火蟲同步的非常精確的數(shù)學(xué)模型。控制該模型的規(guī)則確令人迷惑地簡單：①每個實體維持一個內(nèi)部函數(shù)，即用于確定閃爍時刻的一個周期定時器，擔(dān)當(dāng)一個振蕩器的功能；②當(dāng)察覺到一次外部閃爍時，將基于該內(nèi)部函數(shù)的耦合參數(shù)和當(dāng)前值對該函數(shù)進(jìn)行調(diào)整。只要各實體之間的耦合控制滿足某些約束條件，已經(jīng)證明，對于任意數(shù)量的實體以及獨立的初始條件，該網(wǎng)絡(luò)總是能夠達(dá)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(guī)則與其它螢火蟲進(jìn)行交互作用，以此達(dá)到全局同步的自然出現(xiàn)。振蕩器的狀態(tài) ()xt一個周期之內(nèi)從0增加到1，并且在值到達(dá)1時，這只螢火蟲閃光，并立即將該狀態(tài)重置為0。如果()tφ為一個相位變量，其值域在[0,1]范圍內(nèi)，則其狀態(tài)為這個相位的一個函數(shù)，即，其中為一個函數(shù),且 (1)1f = 。根據(jù)這些特性，存在一個反函數(shù)。現(xiàn)在考慮2只螢火蟲和，它們以后述的簡單方式進(jìn)行交互作用：當(dāng)?shù)竭_(dá)1并且點火時，則成為并且成為0。同樣地，當(dāng)?shù)竭_(dá)1并且點火時，則成為并且成為0。耦合參數(shù)僅僅為螢火蟲之間的一個牽引值。

容易驗證，這種同步的發(fā)生是不可避免的。在A點火后，立即調(diào)整其相位 φA=0，并且B的相位為某個數(shù)字φ。因而，B將在其相位增加1-φ時點火。在那個時期內(nèi)，A的狀態(tài)已經(jīng)遷移到(假設(shè)對于兩只螢火蟲，其dφ/dt是相同的)。其后，B的狀態(tài)立即回到0，并且A跳到如果xA= 1，就達(dá)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(tài)從(0,φ)遷移到(h(φ),0)，并且在下一輪調(diào)整中，它們將轉(zhuǎn)移到(0,h(h(φ) ))（如果它們不同步）。設(shè)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(shù)的控制下，()Rφ的反彈固定點，即到達(dá)的相位為：

φ*為當(dāng)0b＞和0ε＞時的一個反彈固定點，因而其同步的出現(xiàn)將不可避免。

研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥BR缺失或不敏感突變體幼苗在黑暗條件下表現(xiàn)出下胚軸明顯變短，子葉張開等光形態(tài)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(fā)現(xiàn)類似的表型[27, 28]，說明BR信號可參與擬南芥光/暗形態(tài)建成。本研究在黑暗條件下采用BRZ處理甘藍(lán)型油菜幼苗，結(jié)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(lán)型油菜對BRZ的反應(yīng)與擬南芥相似，BR水平下降導(dǎo)致幼苗黑暗條件下的光形態(tài)建成，但實驗同時也發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(biāo)實現(xiàn)粗同步

采取如圖1所示的TDMA幀結(jié)構(gòu)。每個TDMA幀由K個信標(biāo)時隙和N個數(shù)據(jù)時隙組成。各節(jié)點不定期地隨機選擇一個信標(biāo)時隙傳遞支持粗同步的信標(biāo)消息。每個信標(biāo)消息以前導(dǎo)編碼序列開始，后跟TDMA幀序號、信標(biāo)時隙號以及其它控制信息。通過信標(biāo)消息，各節(jié)點可以競爭或協(xié)商使用數(shù)據(jù)時隙。

圖1 TDMA幀結(jié)構(gòu)

一個節(jié)點接收到信標(biāo)消息后，根據(jù)其到達(dá)時刻、時隙序號，確定本節(jié)點與發(fā)送節(jié)點之間TDMA起始時間位置的時間差，然后根據(jù)脈沖耦合振蕩器機制調(diào)整本節(jié)點的TDMA幀同步電路，達(dá)到與該鄰居節(jié)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(shè)計時已確知，一個節(jié)點與鄰居節(jié)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(fā)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(fā)送回一個包含有 T1和 td的時間戳的應(yīng)答消息。隨后，從站在時刻2T接收到該應(yīng)答消息后，它通過應(yīng)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(xié)作的分布式同步機制

自組織分布式TDMA組網(wǎng)同步機制，分為粗同步與精同步兩個步驟。在一個節(jié)點入網(wǎng)的同時，根據(jù)接收到1-跳鄰居節(jié)點發(fā)送的信標(biāo)幀內(nèi)包含的前導(dǎo)碼(Preamble)序列，實現(xiàn)粗同步。在節(jié)點完成入網(wǎng)后，各節(jié)點根據(jù)路由協(xié)議協(xié)議交換收集到的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅲ_定一個網(wǎng)絡(luò)主站，并且確定它們相對于網(wǎng)絡(luò)主站節(jié)點的層次，形成一種“樹形”結(jié)構(gòu)，包含多個層次的從站節(jié)點，然后開始運行跨層同步協(xié)議。

在自組織TDMA網(wǎng)絡(luò)達(dá)到粗同步后，啟動優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由協(xié)議(OLSR)，使每個節(jié)點都能夠獲得整個TDMA網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔ⅰ８鞴?jié)點以分布方式運行相同的網(wǎng)絡(luò)中心選擇算法，確定作為網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)中心的一個節(jié)點為根節(jié)點，并且建立一棵同步拓?fù)錁洌鐖D3所示。

對于一個具有M個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)，若采用傳統(tǒng)的雙向消息交換方法，完成時間同步需要進(jìn)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(xùn)練時間和協(xié)議頭開銷等。因此，網(wǎng)絡(luò)同步協(xié)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(diào)度問題。

為減小網(wǎng)絡(luò)中傳輸時間戳信息的總開銷，在路由協(xié)議周期廣播發(fā)送的鄰居發(fā)現(xiàn)消息(Hello)中搭載自己的時間戳信息。每個節(jié)點根據(jù)自己在同步樹中的位置，子節(jié)點只與同步拓?fù)錁渖系母腹?jié)點相互交換時間戳信息，使子節(jié)點保持與父節(jié)點的精確TDMA幀同步。

采用這種基于同步拓?fù)錁浣粨Q時間戳的方案，一個具有M個從站的主站節(jié)點，在所有的從站發(fā)送了拓?fù)湎⒑螅恍枰l(fā)送一次拓?fù)湎ⅰＫ蠱個節(jié)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(dá)到了 50%的開銷減少，并且與分組開銷無關(guān)。

圖3 TDMA同步拓?fù)錁?/p>

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

在粗同步后，通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒌姆汉椋鞴?jié)點采用相同的分布式算法確定網(wǎng)絡(luò)的集合中心節(jié)點，建立一個虛擬的拓?fù)錁洌谠撏負(fù)錁涞幕A(chǔ)上，通過時間戳信息的交換，下級同步到上級，實現(xiàn)逐級的時鐘同步。

跨層分布式同步機制的主要技術(shù)要點有：①以包含前導(dǎo)碼序列、幀序號、節(jié)點ID、時隙號指示的信標(biāo)幀實現(xiàn)入網(wǎng)粗同步；②完成粗同步后由 OLSR協(xié)議交換拓?fù)湫畔ⅲ虎刍诰W(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⑦x舉最小ID或跳數(shù)幾何中心節(jié)點作為時鐘基準(zhǔn)節(jié)點；④建立基于時鐘基準(zhǔn)節(jié)點的拓?fù)錁洌虎莞鞴?jié)點根據(jù)自己在拓?fù)渖系膶哟瓮ㄟ^時間戳信息交換同步到其父節(jié)點；⑥由OLSR Hello協(xié)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(shù)字信號處理器(DSP)基于FPGA邏輯以分布計算實現(xiàn)。

如果同步拓?fù)錁渖蟼鬟f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(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)1 μs之內(nèi)的同步精確度，這個指標(biāo)完全可以滿足一般的戰(zhàn)術(shù)電臺網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)同步要求。

5 結(jié)語

在一個戰(zhàn)術(shù) MANET環(huán)境中，維持網(wǎng)絡(luò)時間同步通常是基本要求。這里介紹了一種跨層協(xié)作的同步方案，基于螢火蟲同步機制達(dá)到整個網(wǎng)絡(luò)的粗同步，并且基于同步拓?fù)錁鋪斫粨Q時間信息，在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)上，它能夠以最小的影響實現(xiàn)低代價的同步。

跨層協(xié)作同步機制提供了一種時間同步技術(shù)，提升了現(xiàn)有的調(diào)度和路由協(xié)議的效能，而不會顯著地增加其開銷。這個特性對于高業(yè)務(wù)負(fù)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(jié)合底層的路由和信道訪問協(xié)議來實施，但它提供了一種可以承受的系統(tǒng)解決方案，能夠經(jīng)受住戰(zhàn)術(shù) MANET環(huán)境的苛刻要求，不會給現(xiàn)有的硬件增加壓力。下一步的工作是對方案進(jìn)行深入的仿真和完善，以進(jìn)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(zhàn)術(shù)電臺網(wǎng)絡(luò)。

[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(wèi)星系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)同步方案[J]. 通信技術(shù), 2009,42(05):54-56.

[4] 丁銳, 鄭龍, 王玉文, 等.動態(tài)TDMA時隙分配算法在數(shù)據(jù)鏈中的仿真[J].通信技術(shù), 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.

[7] MIROLLO R,STROGATZ S. Synchronization of Pulsecoupled Biological Oscillators[J]. SIAM Journal of Applied Mathematics,1990:237-246.

[8] 諸彩英,劉京玲.一種基于 WLAN的分布式 MAC認(rèn)證策略[J].信息安全與通信保密，2009（05）:114-117.