[发明专利]一种无线传感器组件及TDMA自组织网络实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其是TDMA组网的实现，具体涉及一种无线传感器组件及基于无线传感器组件的TDMA自组织网络实现方法。

背景技术

在无线自组织传感器网络中,除了少数节点需要移动以外,大部分节点都是静止的，它们通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中。TDMA机制的特点非常适合传感器网络的需求：TDMA机制没有竞争机制的碰撞重传问题；数据传输时不需要过多的控制信息；节点在空闲时隙能够及时地进入睡眠状态。TDMA机制需要节点之间比较严格的时间同步，时间同步是无线传感器网络的基本要求。

TDMA协议将时间轴划分成一定长的时隙，而每个时隙又划分成多个节拍，在每个时隙内给每个网络站点分配一定的节拍以发射信号，而在不发射信号的时隙中则接收其它站点所发射的信号。每个网络节点均有准确的时钟，为了实现时分多址工作，要以一指定节点的时钟为基准，其它节点的时钟则与之同步，形成统一的系统时钟。TDMA网络时隙的划分方法应根据实际的通信需要来决定。网络的时隙划分必须满足通信的实时性需要，同时也应考虑网络的效率，时隙太小网络的实时性好但效率太低，时隙太长又不能保证通信的实时性。TDMA协议应用在对实时性要求比较高的数据通信中，性能比较稳定。

自组织网中每个节点晶振的工作频率都会存在一定的偏差，工作一段时间后，这些偏差会积累到一定的程度，导致各节点无法保持时隙同步，会影响到时隙分配的进行，造成网络无法正常通信。所以必须隔一段时间调整全网各节点的时隙偏差，保证全网各节点的时隙同步。

由于无线自组织网络是没有基础设施的，没有中心节点作为整个网络的时间基准，来实现整个网络的时隙同步。为保证发送的分组不会产生冲突，并且在指定的时隙中准确的接收发送节点发过来的信号，必须有精确的定时和同步。

在多跳分组无线网络中采用基于TDMA的信道接入协议，实现的关键之一是网络中的各个节点必须保持时隙同步。由于无线自组织网是无基础设施、没有中心节点的多跳分组网络，实现全网的精确时隙同步比较困难。目前，自组织网同步分为四种：外同步、准同步、主从同步、互同步四种。

a)准同步方法

各节点分别采用高精度的独立时钟实现同步。如采用铯(Cs，Cesium)时钟，这些时钟产生的定时信号以同一标速率出现，而速率的变化在规定范围内，误差是可以接受的。准同步系统各节点之间没有定时信号的传输链路，以及校准时钟的控制信号。

b)外同步方法

采用外部时钟源为基准实现网内各节点的同步。一般采用全球定位系统的时标作为时间基准，如美国的全球定位系统、俄罗斯的全球导航卫星系统或者我国的北斗双星授时。

c)主从同步方法

主从同步是目前广泛应用的一种同步方式，它基于网路的等级制结构，各个节点同步信息来自上级节点。

在自组织网络中采用“临时群首”作为时间主控节点来实现网络的同步。最高一级时钟称为基准时钟，通过传输链路把此基准时钟信号送到网络的各从节点，各从节点将本地时钟频率锁定在基准时钟频率，从而实现网内各节点之间的同步。主从同步易实施，无网络稳定问题，但因有依赖性，故可靠性稍低，同时要求从节点中的时钟应有相当高的稳定度，能在主节点时钟故障期间维持工作。

d)互同步方法

网络中各个节点的时钟相互控制。网络中不设主时钟，由网内各交换节点的时钟相互控制，最后都调整到一个稳定的、统一的系统时钟基准上，这样可以防止网络的系统时钟随节点之间传输时延的变化而变化，从而实现全网的时隙同步。互同步可靠性相对于主从同步有所改善，但系统同步算法较为复杂。互同步方式适用于任何结构的网络。

假定节点的时钟漂移遵循线性变化，因此两个节点间的时间偏移也是线性的，通过交换时标分组来估计两个节点间的最优匹配偏移量。近年来，出现了一些利用邻居节点的时隙偏差来动态调整本地参考节点的研究，但是这些研究都没有考虑到信号传输时延的影响，因此调整后的时隙基准带有一定的误差。在此基础上的研究工作在实现互同步的过程中考虑了时延传播的影响，但是计算调整量的过程中没有考虑到异常节点的影响。

在以上四种同步方式中，外同步方式网络的运行必须依赖于GPS时标信号，具体实现的成本很高。军事通信网络为提高网同步的抗毁能力，避免节点之间的从属与牵制，有时也采用准同步方式，但是受到时钟精度限制，同步性能不能得到保障。因此在很多应用中经常采用后两种方法。