CN106162810A - 一种无线多跳协作网络的新节点入网同步方法 - Google Patents

一种无线多跳协作网络的新节点入网同步方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种无线多跳协作网络的新节点入网同步方法，包括：S1、在网节点周期性广播MSH‑NCFG消息；S2、新节点进行入网扫描，建立物理邻居列表，并根据选择多个预选赞助节点；S3、新节点从多个预选赞助节点中选择一个进行粗同步；S4、新节点开启定时器，并同时向各邻居节点广播携带各预选赞助节点信息的MSH‑NENT消息；S5、收到MSH‑NENT消息的预选赞助节点计算预选赞助节点与新节点之间的传输时延，并向新节点回复NCFG‑NEO消息；S6、新节点在定时器到时后，从收到的NCFG‑NEO消息对应的预选赞助节点中选择一个赞助节点进行精同步；S7、新节点判断粗同步参考节点与精同步参考节点是否为同一节点，如否，则进行粗同步误差弥补。本发明实现了新节点与网络的精确同步。

Description

一种无线多跳协作网络的新节点入网同步方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域。更具体地，涉及一种无线多跳协作网络的新节点入网同步方法。
背景技术
IEEE 802.16无线Mesh网络是一种基于TDD的自组织自同步多跳协作网络，而同步机制是保障TDD***正常通信的前提。每个节点必须与网络获得同步，才能正确接收网络的信号，并与网络中的其他节点进行通信，因此在基于TDD***无线多跳协作网络中，时钟同步机制的好坏对***的性能有很大的影响。
节点入网过程中同步机制的设计主要包括粗同步和精同步。节点内部之间的时钟同步包含在这两个过程中。实现过程主要利用IEEE 802.16d规定的Mesh模式下的MSH-NCFG消息和自定义的层间原语。
(1)粗同步
新节点在上电接入网络或掉网节点重新接入网络时都需要扫描信道信息，寻找赞助节点(Sponsor Node)，并通过接收到的MSH-NCFG消息与网络进行粗同步。节点通过MSH-NCFG消息中的Timestamp参数获取在网节点的时钟，根据此信息设置本节点MAC层的时钟，同时向射频端(RF)发送同步时钟原语，以实现节点内部的同步。
(2)精同步
入网时的精同步主要是通过入网时的消息交互来测量无线空间的传播时延，从而实现两节点间时钟对准的精同步。新节点在找到赞助节点并获得粗同步后，在第0号帧的0号时隙向赞助节点发送MSH-NENT:REQ消息，预选赞助节点在接收到该消息后根据自己的接收时间和发送节点的发送时间估计传输时延，并将该信息嵌入到MSH-NCFG:Net EntryOpen(NCFG-NEO)消息中回复给新节点，新节点根据接收到的传输时延信息调整时钟使之与赞助节点达到精同步。
以上机制为单赞助节点入网的同步机制。而对于多赞助节点入网机制，选择的进行粗同步的节点不一定是最终精同步的节点，若粗同步与精同步的参考节点不同，可能会出现同步误差。
因此，需要提供一种用于多赞助节点入网机制的无线多跳协作网络的新节点入网同步方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无线多跳协作网络的新节点入网方法，以解决现有的无线多跳协作网络的入网同步机制，新节点的粗同步与精同步的参考节点不同时可能会出现同步误差的问题。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种无线多跳协作网络的新节点入网同步方法，该方法包括如下步骤：
S1、在网节点周期性广播MSH-NCFG消息，MSH-NCFG消息中包括记录广播MSH-NCFG消息时在网节点的本地时间的时间戳参数；
S2、新节点进行入网扫描，通过收到的MSH-NCFG消息建立物理邻居列表，物理邻居列表中记录了MSH-NCFG消息中的时间戳参数和接收MSH-NENT消息时新节点的本地时间，并根据收到的MSH-NCFG消息在物理邻居列表中的各邻居节点中选择多个预选赞助节点；
S3、新节点从多个预选赞助节点中选择一个预选赞助节点作为粗同步参考节点进行粗同步；
S4、新节点开启限定接收NCFG-NEO消息时限的定时器，并同时向物理邻居列表中的各邻居节点广播携带各预选赞助节点信息的MSH-NENT消息，MSH-NENT消息中包括记录广播MSH-NENT消息时新节点的本地时间的时间戳参数；
S5、收到MSH-NENT消息的预选赞助节点根据MSH-NENT消息中的时间戳参数和接收MSH-NENT消息时预选赞助节点的本地时间计算预选赞助节点与新节点之间的传输时延，并向新节点回复NCFG-NEO消息，NCFG-NEO消息中包括预选赞助节点与新节点之间的传输时延；
S6、新节点在定时器到时后，从收到的NCFG-NEO消息对应的预选赞助节点中选择一个赞助节点，并将赞助节点作为精同步参考节点进行精同步；
S7、新节点判断粗同步参考节点与精同步参考节点是否为同一节点，如否，则根据物理邻居列表中记录的粗同步参考节点广播的MSH-NCFG消息和精同步参考节点广播的MSH-NCFG消息中的时间戳参数进行粗同步误差弥补。
优选地，所述物理邻居列表中还记录了邻居节点ID、邻居节点所在网络的网络号、邻居节点距基站跳数、邻居节点的子节点数、新节点与邻居节点之间链路的信噪比和收到邻居节点的MSH-NCFG消息个数。
优选地，步骤S2中根据收到的MSH-NCFG消息在物理邻居列表中的各邻居节点中选择多个预选赞助节点的方法为：
新节点根据不同优先级的多个选择因素在物理邻居列表中的各邻居节点中选择多个预选赞助节点，并将多个预选赞助节点按不同优先级的多个选择因素进行排序，其中，各选择因素按优先级由高到低依次为：邻居节点所在网络的网络号、收到邻居节点的MSH-NCFG消息个数、新节点与邻居节点之间链路的信噪比、邻居节点距基站跳数和邻居节点的子节点数。
优选地，步骤S3的具体过程为：
新节点从多个预选赞助节点中选择排序最靠前的一个预选赞助节点作为粗同步参考节点，根据物理邻居列表中记录的粗同步参考节点发送的MSH-NCFG消息中的时间戳参数及新节点接收MSH-NCFG消息时新节点的本地时间计算出新节点与粗同步参考节点的时间差，根据新节点与粗同步参考节点的时间差调整新节点的本地时间，完成粗同步。
优选地，步骤S6的具体过程为：
新节点在物理邻居列表中记录收到的NCFG-NEO消息中的传输时延，在定时器到时后，从收到的NCFG-NEO消息对应的预选赞助节点中选择排序最靠前的一个预选赞助节点作为赞助节点，并将赞助节点作为精同步参考节点，根据精同步参考节点回复的NCFG-NEO消息中的传输时延调整新节点的本地时间，完成精同步。
优选地，步骤S7的具体过程为：
新节点判断粗同步参考节点与精同步参考节点是否为同一节点，如否，则根据物理邻居列表中记录的精同步参考节点发送的MSH-NCFG消息中的时间戳参数及新节点接收MSH-NCFG消息时新节点的本地时间计算出新节点与精同步参考节点在新节点进行粗同步前的时间差，再计算新节点与精同步参考节点在新节点进行粗同步前的时间差和新节点与粗同步参考节点在新节点进行粗同步前的时间差的差值，根据该差值调整新节点的本地时间，完成粗同步误差弥补。
优选地，所述调整新节点的本地时间的具体方法为：设置新节点的MAC层时钟并通过层间时钟原语调整新节点的物理层时钟。
本发明的有益效果如下：
本发明所述技术方案中针对无线多跳协作网络多预选赞助节点入网机制提出适用的同步机制。新节点在扫描信道接收MSH-NCFG消息时记录并不断更新粗同步信息，在选出预选赞助节点后根据最新的信息实现与网络的粗略同步，同样接收NCFG-NEO消息时需记录精同步信息，在选出赞助节点后才与该节点进行精确同步，并进行粗同步误差弥补，实现新节点与网络的精确同步。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；
图1示出无线多跳协作网络的新节点入网同步方法的流程图。
图2示出无线多跳协作网络的新节点入网同步方法中粗同步的流程示意图。
图3示出无线多跳协作网络的新节点入网同步方法中精同步的流程示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例提供的无线多跳协作网络的新节点入网同步方法，包括如下步骤：
S1、在网节点周期性广播MSH-NCFG消息，MSH-NCFG消息中包括记录广播MSH-NCFG消息时在网节点的本地时间的时间戳参数；
S2、新节点进行入网扫描，通过收到的MSH-NCFG消息建立物理邻居列表，物理邻居列表中记录了MSH-NCFG消息中的时间戳参数和接收MSH-NENT消息时新节点的本地时间，并根据收到的MSH-NCFG消息在物理邻居列表中的各邻居节点中选择多个预选赞助节点(预选父节点)；
S3、新节点从多个预选赞助节点中选择一个预选赞助节点作为粗同步参考节点进行粗同步；
S4、新节点开启限定接收NCFG-NEO消息时限的定时器，并同时向物理邻居列表中的各邻居节点广播携带各预选赞助节点信息的MSH-NENT消息，MSH-NENT消息中包括记录广播MSH-NENT消息时新节点的本地时间的时间戳参数；
S5、收到MSH-NENT消息的预选赞助节点根据MSH-NENT消息中的时间戳参数和接收MSH-NENT消息时预选赞助节点的本地时间计算预选赞助节点与新节点之间的传输时延，并向新节点回复NCFG-NEO消息，NCFG-NEO消息中包括预选赞助节点与新节点之间的传输时延；
S6、新节点在定时器到时后，从收到的NCFG-NEO消息对应的预选赞助节点中选择一个赞助节点，并将赞助节点作为精同步参考节点进行精同步；
S7、新节点判断粗同步参考节点与精同步参考节点是否为同一节点，如否，则根据物理邻居列表中记录的粗同步参考节点广播的MSH-NCFG消息和精同步参考节点广播的MSH-NCFG消息中的时间戳参数进行粗同步误差弥补。
其中，
如图2和图3所示，
步骤S2的具体过程为：
新节点根据入网扫描过程中收到的MSH-NCFG消息建立新节点自己的物理邻居列表(即，新节点将收到的MSH-NCFG消息对应的在网节点作为新节点的邻居节点加入新节点自己的物理邻居列表，或者说，新节点将收到的MSH-NCFG消息的发送方(发送该MSH-NCFG消息的在网节点)作为新节点的邻居节点加入新节点自己的物理邻居列表)，物理邻居列表中除了记录了MSH-NCFG消息中的时间戳参数和接收MSH-NENT消息时新节点的本地时间之外，还记录了邻居节点ID、邻居节点所在网络的网络号、邻居节点距基站跳数、邻居节点的子节点数、新节点与邻居节点之间链路的信噪比、收到邻居节点的MSH-NCFG消息个数等基本信息，这些信息用于新节点从邻居节点中选择合适的预选赞助节点。
新节点在扫描完成后，根据建立的物理邻居列表，选择出合适的多个预选赞助节点，新节点选择预选赞助节点时需考虑多个因素，包括邻居节点所在网络的网络号、邻居节点距基站跳数、邻居节点的子节点数、新节点与邻居节点之间链路的信噪比、收到邻居节点的MSH-NCFG消息个数。
其中，新节点先选择网络号以确定要加入的网络，再选择此网络中的在网节点帮助自己完成入网。邻居节点所在网络的网络号的选择是按最小ID原则选择，因为现有的组网机制中的网络融合机制也是根据最小ID进行融合的，因此在同时存在多张网络且能互通时都会融合到ID号最小的网络中去，所以最小ID号选择法是合理的。收到邻居节点的MSH-NCFG消息个数和新节点与邻居节点之间链路的信噪比反映了物理信道的优劣，收到邻居节点的MSH-NCFG消息个数是选择相对信道条件较好的，而新节点与邻居节点之间链路的信噪比是选择绝对信道条件较好的，只有平均信噪比不低于门限值新节点才会认为该在网节点有赞助能力。邻居节点距基站跳数会影响到同步的精确度，而邻居节点的子节点数则有助于均衡负载。邻居节点在发送的MSH-NCFG消息中会携带该邻居节点所在网络的网络号、该邻居节点距基站跳数和该邻居节点的子节点数，新节点收到MSH-NCFG消息后会更新这些消息并将正确接收的MSH-NCFG消息个数加1，新节点与邻居节点之间链路的信噪比则由物理层提供。
在入网扫描结束后，新节点会根据保存的信息对邻居节点进行排序，新节点在物理邻居列表中的各邻居节点中选择多个预选赞助节点的时考虑各选择因素时的优先级由高到低依次为：邻居节点所在网络的网络号、收到邻居节点的MSH-NCFG消息个数、新节点与邻居节点之间链路的信噪比、邻居节点距基站跳数和邻居节点的子节点数。
即，新节点在物理邻居列表中的各邻居节点中选择多个预选赞助节点的方法为：新节点根据不同优先级的多个选择因素在物理邻居列表中的各邻居节点中选择多个预选赞助节点，并将多个预选赞助节点按不同优先级的多个选择因素进行排序，其中，各选择因素按优先级由高到低依次为：邻居节点所在网络的网络号、收到邻居节点的MSH-NCFG消息个数、新节点与邻居节点之间链路的信噪比、邻居节点距基站跳数和邻居节点的子节点数。
最终，新节点选择的预选赞助节点应为网络号较小、收到的MSH-NCFG消息个数较多、信噪比较大、距基站跳数较少、子节点数也较少的邻居节点。
步骤S3的具体过程为：
新节点从多个预选赞助节点中选择排序最靠前的一个预选赞助节点作为粗同步参考节点(因为在后面的步骤中，在定时器到时前新节点收到该节点的回复NCFG-NEO消息的概率较大且从各方面因素综合考虑，该节点是最理想的赞助节点，如果新节点收到该节点的NCFG-NEO消息就会选择该节点作为赞助节点且不需要进行粗同步误差弥补，只有在收不到的时候才会考虑选择其他节点)，根据物理邻居列表中记录的粗同步参考节点发送的MSH-NCFG消息中的时间戳参数及新节点接收MSH-NCFG消息时新节点的本地时间计算出新节点与粗同步参考节点的时间差，根据新节点与粗同步参考节点的时间差调整新节点的本地时间，完成粗同步，其中，调整新节点的本地时间具体为：设置新节点的MAC层时钟并通过层间时钟原语调整新节点的物理层时钟。
步骤S6的具体过程为：
由于新节点向多个邻居节点发送了MSH-NENT消息，可能会受到多个预选赞助节点的NCFG-NEO消息，新节点将最终从收到的NCFG-NEO消息对应的预选赞助节点中选择一个作为自己真正的赞助节点来协助自己入网，并将赞助节点作为精同步参考节点进行精同步，精同步需要弥补传输时延，传输时延在NCFG-NEO消息中携带，但改进机制中由于有多个预选赞助节点，则新节点不应收到NCFG-NEO消息就立即精同步，而是在物理邻居列表中记录收到的NCFG-NEO消息中的传输时延，新节点在设定的接收NCFG-NEO消息时限结束(定时器到时)后从成功发NCFG-NEO消息的预选赞助节点中选择最好的(排序最靠前的)一个作为赞助节点(在选择预选赞助节点时已将预选赞助节点按各选择因素排成一个有序列表，新节点每收到一个NCFG-NEO消息，就将对应的预选赞助节点的标志位置为已收到NCFG-NEO消息，并在物理邻居列表中保存NCFG-NEO消息中的传输时延，定时器到时后从前往后查找该列表，第一个找到的已收到NCFG-NEO消息的预选赞助节点即为所能选择的最好的赞助节点)，然后再根据保存的此节点的NCFG-NEO消息中的传输时延进行精同步，精同步的具体方法为根据精同步参考节点回复的NCFG-NEO消息中的传输时延调整新节点的本地时间，完成精同步，其中，调整新节点的本地时间具体为：设置新节点的MAC层时钟并通过层间时钟原语调整新节点的物理层时钟。
步骤S7的具体过程为：
新节点判断粗同步参考节点与精同步参考节点是否为同一节点，如否，则根据物理邻居列表中记录的精同步参考节点发送的MSH-NCFG消息中的时间戳参数及新节点接收MSH-NCFG消息时新节点的本地时间计算出新节点与精同步参考节点在新节点进行粗同步前的时间差，再计算新节点与精同步参考节点在新节点进行粗同步前的时间差和新节点与粗同步参考节点在新节点进行粗同步前的时间差的差值，根据该差值调整新节点的本地时间，完成粗同步误差弥补，其中，调整新节点的本地时间具体为：设置新节点的MAC层时钟并通过层间时钟原语调整新节点的物理层时钟。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (7)

1.一种无线多跳协作网络的新节点入网同步方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1、在网节点周期性广播MSH-NCFG消息，MSH-NCFG消息中包括记录广播MSH-NCFG消息时在网节点的本地时间的时间戳参数；
S2、新节点进行入网扫描，通过收到的MSH-NCFG消息建立物理邻居列表，物理邻居列表中记录了MSH-NCFG消息中的时间戳参数和接收MSH-NENT消息时新节点的本地时间，并根据收到的MSH-NCFG消息在物理邻居列表中的各邻居节点中选择多个预选赞助节点；
S3、新节点从多个预选赞助节点中选择一个预选赞助节点作为粗同步参考节点进行粗同步；
S4、新节点开启限定接收NCFG-NEO消息时限的定时器，并同时向物理邻居列表中的各邻居节点广播携带各预选赞助节点信息的MSH-NENT消息，MSH-NENT消息中包括记录广播MSH-NENT消息时新节点的本地时间的时间戳参数；
S5、收到MSH-NENT消息的预选赞助节点根据MSH-NENT消息中的时间戳参数和接收MSH-NENT消息时预选赞助节点的本地时间计算预选赞助节点与新节点之间的传输时延，并向新节点回复NCFG-NEO消息，NCFG-NEO消息中包括预选赞助节点与新节点之间的传输时延；
S6、新节点在定时器到时后，从收到的NCFG-NEO消息对应的预选赞助节点中选择一个赞助节点，并将赞助节点作为精同步参考节点进行精同步；
S7、新节点判断粗同步参考节点与精同步参考节点是否为同一节点，如否，则根据物理邻居列表中记录的粗同步参考节点广播的MSH-NCFG消息和精同步参考节点广播的MSH-NCFG消息中的时间戳参数进行粗同步误差弥补。
2.根据权利要求1所述的无线多跳协作网络的新节点入网同步方法，其特征在于，所述物理邻居列表中还记录了邻居节点ID、邻居节点所在网络的网络号、邻居节点距基站跳数、邻居节点的子节点数、新节点与邻居节点之间链路的信噪比和收到邻居节点的MSH-NCFG消息个数。
3.根据权利要求2所述的无线多跳协作网络的新节点入网同步方法，其特征在于，步骤S2中根据收到的MSH-NCFG消息在物理邻居列表中的各邻居节点中选择多个预选赞助节点的方法为：
新节点根据不同优先级的多个选择因素在物理邻居列表中的各邻居节点中选择多个预选赞助节点，并将多个预选赞助节点按不同优先级的多个选择因素进行排序，其中，各选择因素按优先级由高到低依次为：邻居节点所在网络的网络号、收到邻居节点的MSH-NCFG消息个数、新节点与邻居节点之间链路的信噪比、邻居节点距基站跳数和邻居节点的子节点数。
4.根据权利要求3所述的无线多跳协作网络的新节点入网同步方法，其特征在于，步骤S3的具体过程为：
新节点从多个预选赞助节点中选择排序最靠前的一个预选赞助节点作为粗同步参考节点，根据物理邻居列表中记录的粗同步参考节点发送的MSH-NCFG消息中的时间戳参数及新节点接收MSH-NCFG消息时新节点的本地时间计算出新节点与粗同步参考节点的时间差，根据新节点与粗同步参考节点的时间差调整新节点的本地时间，完成粗同步。
5.根据权利要求3所述的无线多跳协作网络的新节点入网同步方法，其特征在于，步骤S6的具体过程为：
新节点在物理邻居列表中记录收到的NCFG-NEO消息中的传输时延，在定时器到时后，从收到的NCFG-NEO消息对应的预选赞助节点中选择排序最靠前的一个预选赞助节点作为赞助节点，并将赞助节点作为精同步参考节点，根据精同步参考节点回复的NCFG-NEO消息中的传输时延调整新节点的本地时间，完成精同步。
6.根据权利要求1所述的无线多跳协作网络的新节点入网同步方法，其特征在于，步骤S7的具体过程为：
新节点判断粗同步参考节点与精同步参考节点是否为同一节点，如否，则根据物理邻居列表中记录的精同步参考节点发送的MSH-NCFG消息中的时间戳参数及新节点接收MSH-NCFG消息时新节点的本地时间计算出新节点与精同步参考节点在新节点进行粗同步前的时间差，再计算新节点与精同步参考节点在新节点进行粗同步前的时间差和新节点与粗同步参考节点在新节点进行粗同步前的时间差的差值，根据该差值调整新节点的本地时间，完成粗同步误差弥补。
7.根据权利要求4-6中任一所述的无线多跳协作网络的新节点入网同步方法，其特征在于，所述调整新节点的本地时间的具体方法为：设置新节点的MAC层时钟并通过层间时钟原语调整新节点的物理层时钟。
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