多跳TDMA组网同步的分布式控制方法

刘庆刚，李大双，朱家成

（①海司信息化部，北京 100841；②中国电子科技集团第30研究所，四川 成都 610041）

0 引言

由于在军事网络中普遍采用时分多址接入(TDMA, Time Division Multiple Access)信道访问，需要维护一个公共的时间参考基准来实现TDMA战术网络的无冲突通信，网络时间同步为一个基本要求。

当将现有的时间同步协议应用于战术移动自组织网(MANET, Mobile Ad-hoc Networks)中时，受限于它们的硬件和环境约束[1-2]。另外，许多现有的技术都不能满足战术MANET的如下一些要求[3-6]：①可伸缩的多跳网络；②节点移动性引起的快速拓扑变化；③1 μs的同步精度。

通常采用高精度的外部时钟信号例如GPS来实现分布式TDMA的组网同步，但是在战术边缘的地面军事网络中，敌对的传输环境提高了可能无法获得外同步信号，则必须采取内同步的方法。

在这篇文章中，针对分布式MANET应用，提出一种以跨层方式实现 Ad-Hoc网络同步的方案，基于萤火虫的同步机制解决TDMA组网的粗同步，然后由路由协议沿着建立的同步树搭载和交换时间戳信息实现精确同步。

1 脉冲耦合振荡器

在东南亚的某些河谷地方可以观察到，拂晓时数千只萤火虫聚集在几棵树上，并各自开始规则地发射闪光；随着时间的流逝，从表面上无序的情形逐渐出现了同步，好像整棵树在以完美的同步方式在闪烁。Mirollo和Strogatz[7]基于耦合振荡器理论，推导出了一个关于萤火虫同步的非常精确的数学模型。控制该模型的规则确令人迷惑地简单：①每个实体维持一个内部函数，即用于确定闪烁时刻的一个周期定时器，担当一个振荡器的功能；②当察觉到一次外部闪烁时，将基于该内部函数的耦合参数和当前值对该函数进行调整。只要各实体之间的耦合控制满足某些约束条件，已经证明，对于任意数量的实体以及独立的初始条件，该网络总是能够达到同步[7]。

每只萤火虫都是一个振荡器，通过一些简单的局部规则与其它萤火虫进行交互作用，以此达到全局同步的自然出现。振荡器的状态 ()xt一个周期之内从0增加到1，并且在值到达1时，这只萤火虫闪光，并立即将该状态重置为0。如果()tφ为一个相位变量，其值域在[0,1]范围内，则其状态为这个相位的一个函数，即，其中为一个函数,且 (1)1f = 。根据这些特性，存在一个反函数。现在考虑2只萤火虫和，它们以后述的简单方式进行交互作用：当到达1并且点火时，则成为并且成为0。同样地，当到达1并且点火时，则成为并且成为0。耦合参数仅仅为萤火虫之间的一个牵引值。

容易验证，这种同步的发生是不可避免的。在A点火后，立即调整其相位 φA=0，并且B的相位为某个数字φ。因而，B将在其相位增加1-φ时点火。在那个时期内，A的状态已经迁移到(假设对于两只萤火虫，其dφ/dt是相同的)。其后，B的状态立即回到0，并且A跳到如果xA= 1，就达到了同步；否则，，并且它的相位为在第二种情形中，两只萤火虫的状态从(0,φ)迁移到(h(φ),0)，并且在下一轮调整中，它们将转移到(0,h(h(φ) ))（如果它们不同步）。设为A上一次点火时刻B的相位（如果它们没有获得同步），我们将 R (φ) = h(h(φ))称为返回图，即B在A下一次点火时的相位为：

在式(1)给出的函数的控制下，()Rφ的反弹固定点，即到达的相位为：

φ*为当0b＞和0ε＞时的一个反弹固定点，因而其同步的出现将不可避免。

研究发现，拟南芥BR缺失或不敏感突变体幼苗在黑暗条件下表现出下胚轴明显变短，子叶张开等光形态建成的表型[27]，采用BR合成抑制剂BRZ处理野生型拟南芥也发现类似的表型[27, 28]，说明BR信号可参与拟南芥光/暗形态建成。本研究在黑暗条件下采用BRZ处理甘蓝型油菜幼苗，结果显示(图4)，与对照组相比，使用1 × 10-6 mol/L BRZ处理的实验组幼苗下胚轴伸长受到明显的抑制，说明在黑暗条件下甘蓝型油菜对BRZ的反应与拟南芥相似，BR水平下降导致幼苗黑暗条件下的光形态建成，但实验同时也发现幼苗的子叶没有明显张开。

Mirollo和Strogatz还证明了，在具有n只全互连的一组萤火虫之间，同步为不可避免的必然现象。假如按照它们的相位以0到 n -1来列举它们，考虑紧邻点火后的一个时刻：

2 基于同步信标实现粗同步

采取如图1所示的TDMA帧结构。每个TDMA帧由K个信标时隙和N个数据时隙组成。各节点不定期地随机选择一个信标时隙传递支持粗同步的信标消息。每个信标消息以前导编码序列开始，后跟TDMA帧序号、信标时隙号以及其它控制信息。通过信标消息，各节点可以竞争或协商使用数据时隙。

图1 TDMA帧结构

一个节点接收到信标消息后，根据其到达时刻、时隙序号，确定本节点与发送节点之间TDMA起始时间位置的时间差，然后根据脉冲耦合振荡器机制调整本节点的TDMA帧同步电路，达到与该邻居节点之间的粗同步。

采用这种同步方案，由于接收电路逻辑需要的处理时间在设计时已确知，一个节点与邻居节点之间的同步偏差即粗同步精度取决于无线传输时延，例如 30 km为 100 μs。

3 基本的时间戳同步机制

首先，一个从站在时刻 tx发送一个请求消息。主站在时刻 T1接收到该请求消息，在时刻 td发送回一个包含有 T1和 td的时间戳的应答消息。随后，从站在时刻2T接收到该应答消息后，它通过应用公式(1)就能够得出其时间偏移量D：

图2 时间戳同步机制

4 基于跨层协作的分布式同步机制

自组织分布式TDMA组网同步机制，分为粗同步与精同步两个步骤。在一个节点入网的同时，根据接收到1-跳邻居节点发送的信标帧内包含的前导码(Preamble)序列，实现粗同步。在节点完成入网后，各节点根据路由协议协议交换收集到的网络拓扑信息，确定一个网络主站，并且确定它们相对于网络主站节点的层次，形成一种“树形”结构，包含多个层次的从站节点，然后开始运行跨层同步协议。

在自组织TDMA网络达到粗同步后，启动优化链路状态路由协议(OLSR)，使每个节点都能够获得整个TDMA网络的拓扑信息。各节点以分布方式运行相同的网络中心选择算法，确定作为网络跳数中心的一个节点为根节点，并且建立一棵同步拓扑树，如图3所示。

对于一个具有M个节点的网络，若采用传统的双向消息交换方法，完成时间同步需要进行2M次传输。所引起的开销包括消息净荷加上分组开销，比如训练时间和协议头开销等。因此，网络同步协议必须使开销最小化，并且允许按照一种分布式的方式来解决调度问题。

为减小网络中传输时间戳信息的总开销，在路由协议周期广播发送的邻居发现消息(Hello)中搭载自己的时间戳信息。每个节点根据自己在同步树中的位置，子节点只与同步拓扑树上的父节点相互交换时间戳信息，使子节点保持与父节点的精确TDMA帧同步。

采用这种基于同步拓扑树交换时间戳的方案，一个具有M个从站的主站节点，在所有的从站发送了拓扑消息后，只需要发送一次拓扑消息。所有M个节点完成双向消息交换，仅需要 M +1个消息而非2M个消息，它达到了 50%的开销减少，并且与分组开销无关。

图3 TDMA同步拓扑树

主站发出的时间戳信息内具有TDMA帧号(FN)和时隙号(SN)来指示参考基准，这 2个参数便于每个从站与主站的帧同步系统保持一致。

在粗同步后，通过网络拓扑信息的泛洪，各节点采用相同的分布式算法确定网络的集合中心节点，建立一个虚拟的拓扑树，在该拓扑树的基础上，通过时间戳信息的交换，下级同步到上级，实现逐级的时钟同步。

跨层分布式同步机制的主要技术要点有：①以包含前导码序列、帧序号、节点ID、时隙号指示的信标帧实现入网粗同步；②完成粗同步后由 OLSR协议交换拓扑信息；③基于网络拓扑信息选举最小ID或跳数几何中心节点作为时钟基准节点；④建立基于时钟基准节点的拓扑树；⑤各节点根据自己在拓扑上的层次通过时间戳信息交换同步到其父节点；⑥由OLSR Hello协议捎带完成时间戳信息的传递与交换；⑦粗同步与精同步都由物理层数字信号处理器(DSP)基于FPGA逻辑以分布计算实现。

如果同步拓扑树上传递和交换的时间信息以100 ns即0.1 μs为粒度，则能够确保在多跳TDMA网络中实现1 μs之内的同步精确度，这个指标完全可以满足一般的战术电台网络的组网同步要求。

5 结语

在一个战术 MANET环境中，维持网络时间同步通常是基本要求。这里介绍了一种跨层协作的同步方案，基于萤火虫同步机制达到整个网络的粗同步，并且基于同步拓扑树来交换时间信息，在现有的网络体系结构上，它能够以最小的影响实现低代价的同步。

跨层协作同步机制提供了一种时间同步技术，提升了现有的调度和路由协议的效能，而不会显著地增加其开销。这个特性对于高业务负荷的MANET显得日益重要，因为维持时间同步和更新路由表的同时必须控制住其开销。虽然该方案需要结合底层的路由和信道访问协议来实施，但它提供了一种可以承受的系统解决方案，能够经受住战术 MANET环境的苛刻要求，不会给现有的硬件增加压力。下一步的工作是对方案进行深入的仿真和完善，以进一步改善估计精度，并且研究移动性的影响，最终将这种同步机制集成到战术电台网络。

[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] 刘功亮, 孟繁宇, 郭庆, 等.新一代宽带卫星系统网络同步方案[J]. 通信技术, 2009,42(05):54-56.

[4] 丁锐, 郑龙, 王玉文, 等.动态TDMA时隙分配算法在数据链中的仿真[J].通信技术, 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] 诸彩英,刘京玲.一种基于 WLAN的分布式 MAC认证策略[J].信息安全与通信保密，2009（05）:114-117.