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跨层协作分组标记时间同步算法
作者:贾雅 刘荣伟 东南大学移动通信国家重点实验室 江苏南京
来源:不详
更新时间:2009/9/19 19:29:00
正文:

Time Synchronization Algorithm with Cross-layer Cooperation and Group Marking
Jia Ya,Liu Rong-wei
(National Mobile Communications Research Laboratory, Nanjing, 210096)
Abstract: Time synchronization is vital to communication network, and both TDMA and event response need time synchronization support. In this paper, we propose a new time synchronization algorithm, which coordinates PHY layer and MAC layer to improve the synchronization precision, and also estimates the time drift to make the algorithm have certain self-learning ability. Finally the simulation is made to verify the performance.
Keywords: time synchronization、cross-layer cooperation、drift、marking

1 引言
基于TDD方式的双向通信在时间轴分割信号维,各终端在不同的时隙内提出通信需求,需要通信的节点之间时隙对准,这样才可以实现无冲突的高效传输。例如在GSM和TD-SCDMA网络中[1][2],基站多配置高精度GPS或通过PDH、SDH获取同步时钟,成本高昂。而多数情况下,节点之间不存在统一时钟源,仅靠自身晶振来维持一个本地时钟,晶振相位存在随机偏移和漂移,需要周期性的的数据交互将时间偏差控制在一定范围内,并且当系统具有监控功能时,需要记录事件的发生时间,这都需要时钟同步的支持。
2 时间同步概述
在当前的无线通信系统中,几乎所有节点都通过一个特定频率的晶振来产生本地时间,由于晶振存在误差,即使晶振相同,在不同环境下也存在着频率漂移。假设本地节点 的硬件时钟为 ,则本地软件时钟的方法可对 做映射变换来获得:
(1)
其中 是相位偏移, 是漂移率,可以通过调整 和 来矫正本地时钟。在实际系统中,所有节点都是在不同时间开机的,它们的初始相位 服从随机分布;受限于制造工艺,并且由于压力、温度等环境因素和振荡器老化等,晶振存在漂移 ;据此可知,本地时钟在每时每刻不停的漂移,为了达到时间同步的目的,需要周期性地补偿 造成的偏差。目前提出的很多时间同步算法都是通过周期性的数据交互将时间偏差控制在一定范围内,可分为四类:基于接收者-接收者的参考广播同步、基于发送者-接收者的双向同步、基于发送者-接收者的单向同步和参数拟合同步,代表算法分别为RBS[3]、TPSN[4]、DMTS[5]和TS/MS[6]等。它们都试图通过频繁的时间比对来达到全网同步,实现复杂,据此,本文提出一种简单的分组标记时间同步算法,将通信网划分为不同的区域,区域内同步和区域间标记来支持TDMA接入,通过时标转换实现监控。
网络拓扑结构如图 1所示,通过合理放置中心节点将整个网络人为划分为不同的同步组,组内拓扑可以为线性或网状。

图 1:时间同步网络拓扑结构
3 时间同步协议
系统被划分为多个同步时间域,域内划分等级,每个节点周期接收来自高等级节点的时间同步信息包,完成自身时间的初始同步和同步更新。各域相对独立,域内时间等级结构随系统的架设而确定,并不需要专门的拓扑发现阶段,节约了系统开销。基本过程如下:
(1) 中心节点加入网络时,设置自己的时间等级为0,并将同步状态更改为已同步,然后竞争时隙向外发送时间同步信息包,其中包括自己的时间戳、时间同步域ID和时间等级。
(2) 新加入节点的同步状态和时间等级设置为未同步和未初始化,节点持续侦听网络,接收时间同步信息包。
(3) 当节点接收到时间同步信息包时,对包进行解析,比较发送方和自身的时间等级(未初始化等级最低),如果优先级高于自身,则发起多次握手过程(将在下面具体介绍),校正自身时间,设置同步状态为已同步,标记自身所属时间同步域,并将数据包等级加一作为自身的时间等级。
(4) 节点完成同步后,按自身时间和等级组装时间同步信息包并竞争时隙向外发送。
(5) 当收到等级不高于自身的时间同步数据包时,节点并不与该数据包同步,比较数据包所属时间同步域的ID和自身所在域的ID,如果不同则标记自身为该时间同步域的边缘节点,存储时间差,反向通知对方然后抛弃数据包。
系统中,节点之间物理距离可能较大,因此必须对路径传播时延加以估计,如前面所提的多次握手过程。
假设节点 已同步好,现在通过多次握手让节点 同步于自身:节点 发送时间同步信息数据包通知节点 发起多次握手过程,数据包内包含了节点 的MAC层时间戳 ,节点 标记自身物理层时间戳 (DMA中断完成后标记),得到物理层数据处理时延 并存储于缓存中。节点 收到时间同步信息包时,抛弃该数据包,并发起双向同步过程。节点 组装时间数据信息包(包含MAC标记时间戳 )并发送给节点 ,在发送的同时存储DMA完成中断时刻 ,节点 在本地时间 (DMA中断标记)收到时间同步信息包,在 时刻向节点 发送确认时间信息包,包中包括MAC层标记时间 和节点 物理层处理时延 ,节点 在DMA中断时刻 收到该确认信息包,最终可得到关系式如下:
(2)
假设节点 和 收到对方的时间信息数据包时都立即发送确认,则在多次握手过程中时钟的漂移影响和信道变化可以忽略不计,则节点 到节点 的传播时延 与节点 到节点 的传播时延 近似相等,用同一值 表示;两者时间偏差 。对于节点 而言,它的硬件设备和处理速度是确定的,则可以认为物理层处理时延 ,由此可以得到传播时延 和时钟偏差 的估计值:
(3)
节点 根据估计得到的时钟偏差 调整自身时间,完成三次握手,节点 和 的时间同步,这样通过三次握手完成了两节点初始同步,其它节点也按此过程通过三次握手完成初始同步。
通过三次握手,完成了物理层处理时延估计,考虑到三次握手的同步效率较低,且处理时延基本不变,在同步追踪阶段采用双程同步来纠正时间偏移。假设同步周期为 秒,节点在同步完成后进行计时,经过 秒后向上一级节点发起新的时间同步过程。基本过程与三次握手相同,但省略了物理层处理时延的估计,因此不再详述。
假设TDMA帧长 ms,两域边缘节点标记时间偏差 ms(域 时间滞后),则当 时, ,当域 传输数据给域 时,则向后推迟 ms,反之向后推迟 ms,因为帧是最大的资源调度单位,所以系统只需竞争下一个完整帧的可用时隙。因此,虽然从域 的节点 到域 的节点 需要经过 跳,但我们只需在边缘节点进行确定延时,从而避免了复杂的全网同步。数据包每经过一个时间同步域,就根据边缘节点存储的标记时间差进行时标转换,最终都转换到标准时间。
4 频率漂移估计
假设节点x按上节的同步方案重复地运行,它在 时刻估计的时钟偏差分别为 ,节点x在每一次同步完成以后立即减去 来调整它的时钟。可以得到:
(4)
式(4)中 是两个时钟在参考时间 时的偏差, 和 是独立同分布的高斯随机变量,均值为0,方差分别为 和 。则偏移值 的对数似然函数为:
(5)
令导数 ,求解式(5)得到:
(6)
5 性能仿真
为了评估本文时间同步协议的性能,本节对其进行了仿真验证,仿真中我们屏蔽了物理层的细节,只需保证硬件的一致性和时间同步信息包大小相同即可。仿真信道采用SUI-3,据此可以计算得出,单跳传播时延估计误差 满足均值为0,方差 的高斯分布。根据正态分布,99%的传播时延估计误差出现在2.3倍的标准差附近,而且多跳环境下,时延估计会出现正负相抵,因此误差会出现在一个固定的范围内。SUI-3信道下一千万次仿真结果如图 2所示,其中的每点为每次仿真的绝对值最大的误差量,可以看到以为正负效应,误差不随跳数线性增大。

图 2:20跳传播时延估计误差
下面我们进一步考察本文提出的时钟漂移估计方案的性能。取同步周期为10s,尽量减弱加性噪声 对 的影响;存储50各个样值进行线性拟合,结果如图 3所示,可以看到算法具有较好的漂移估计性能。通过一段时间的时间偏差积累后,系统可以通过漂移估计进行自学习,逐步增大时间同步周期,降低时间同步数据包对系统带宽造成的浪费。

图 3:不同偏差样本下的漂移估计精度
6 结论
本文提出的时间同步算法,通过跨层协作消除了物理层处理时延的影响,通过MAC层打标来避免资源调度的不确定性,采用双程同步来估计传播时延,仿真表明算法具有较好的同步精度,并且进一步提出了采用时间偏差估计晶振漂移,仿真表明算法对晶振不稳定具有较好的抵抗能力。

参考文献
[1] 韩斌杰、杜新颜和张建斌,“GSM原理及其网络优化(第2版)”,北京:机械工业出版社,2009.1.
[2] 李立华、陶小峰和张平等,“TD-SCDMA无线网络技术”,北京:人民邮电出版社,2007.8.
[3] Jeremy Elson, Kay Romer, “Wireless Sensor Networks: A New Regime for Time Synchronization”. In: Proc 1st Workshop on Hot Topics in Networks,2002.
[4] S. Ganeriwal, R. Kumar, MB. Srivastava, “Timing-sync Protocol for Sensor Networks,” Proceeding of the 1st International Conference on Embedded Networked, pp138-149, 2003.
[5] S. Ping, “Delay Measurement Time Synchronization for Berkeley Lab,” June 2003.
[6] M. L. Sichitiu, C. Veerarittiphan, “Simple, Accurate Time Synchronization for Wireless Sensor Networks,” IEEE Wireless Communication and Networking, VOL.2, pp16-20, 2003.

作者简介:
贾雅 女,1986年4月生于河南省许昌市,东南大学信息科学与工程学院硕士研究生,2007年毕业于华中科技大学电信系,获工学学士学位,目前主要研究方向为无线传感器网络。<

 
 
   
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