[发明专利]基于轻量级时钟同步机制自组网通信系统、方法及帧结构

说明书

本发明公开了基于轻量级时钟同步机制自组网通信系统、方法及帧结构，无线自组织网络由N个节点构成，各节点遵循动态时隙的TDMA协议，分别对各自节点进行软件编程，进而实现网络整体在分布式拓扑结构中的通信的功能。系统工作时，每个节点分别通过网口连接一个上位机或监测模块，用于调试更新、配置和实际数据传输。通信自组网节点安装在各种载具(车辆、无人机、水下潜航器等)，根据本发明的协议实现互联互通。由追求各个节点间的绝对精确时钟精度保证完全的时间同步，转变思路为确保节点之间相对时间精度，从而在保证TDMA协议可靠实现的基础上，大大降低时间同步开销。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体的为，基于轻量级时钟同步机制自组网通信系统、方法及帧结构。

背景技术

无线自组网络是一个由几个到几十个节点组成的、采用无线通信方式的、动态组网的多跳的移动性对等网络。其目的是通过动态路由和移动管理技术传输具有服务质量要求的语音流。通常节点具有持续的能量供给，不需要固定设备支持，各节点自行组网。通信时，由其他用户节点进行数据的转发。这种网络形式突破了传统无线网络地理局限性，能够更加快速、便捷、高效地部署，适用于现场无网络，需要快速建网、便捷安装的场景，如地震救援、火灾救援、林区通信、安保通信等。它具有无中心性，自组织，多跳路由，动态拓扑等特点。

传统TDMA协议是采用中心调度的方式来分配信道的，它将信道在时间上划分固定长度的时间周期，每个时间周期又分成若干个小的时隙，在完成时钟同步之后，网络中的每个用户只占用自己的相应的固定时隙发送数据包。TDMA协议的优点在于可以很好地避免各个节点发送的数据包之间的冲突问题，同时对于自组网的分布式拓扑结构，能耗比相对更高，采用TDMA协议可以节约网络系统的能耗。

但是，TDMA协议对时间同步提出了更多的要求，实际应用中面临以下几点问题：(1)传播时延、本地晶振精度等因素都会对时间同步的精度造成不利影响，并且空闲时隙会造成信道资源在时间上的浪费。(2)尽管有些设计引入外部GPS模块进行时钟同步，但对于室内、城市、峡谷等应用场景，网络不能确保接收到卫星信号。(3)对于较大规模的网络，节点间的移动，加入，退出都会改变网络的结构，从而影响节点时间同步，追求全网所有节点的精确时钟同步，算法过于复杂、成本过高。实际无线网络中每个节点通常使用振荡器来控制它们的本地时钟，而振荡器本身可能会由于温度等因素发生变化而产生一定的时钟偏移，一段时间之后时钟就会存在较大的偏差。无线自组网的各节点时间误差会导致通信节点的时钟出现差异，从而影响通信。传统TDMA协议中网络的各个节点需要保证完全的时钟同步，否则多节点间的通信必然会发生通信干扰，造成吞吐量下降。

发明内容

解决的技术问题：为解决上述技术问题，本发明提出基于轻量级时钟同步机制的自组网通信系统及方法。

技术方案：首先，无线自组织网络由N个节点构成，各节点遵循动态时隙的TDMA协议，分别对各自节点进行软件编程，进而实现网络整体在分布式拓扑结构中的通信的功能。系统工作时，每个节点分别通过网口连接一个上位机或监测模块，用于调试更新、配置和实际数据传输。通信自组网节点安装在各种载具(车辆、无人机、水下潜航器等)，根据本发明的协议实现互联互通。

基于轻量级时钟同步机制的自组网通信系统，其特征在于，所述系统包括n个节点，每个所述节点均遵循动态时隙的TDMA协议，每个所述节点分别通过网口连接一个上位机或监测模块，用于调试更新、配置和实际数据传输；

每个所述节点均包括处理模块、射频模块、攻放天线以及电源模块，其中，所述处理模块用于数据帧封装解析、配置操作、数据发送、数据接收及时间同步功能；所述射频模块负责通过功放天线收发信息，并与处理模块交互，所述电源模块给节点中的处理模块、射频模块和功放天线供电；

每个所述节点的工作步骤如下：

(1)处理模块通过网络接口接收上位机的配置信息，根据接收到的配置信息初始化节点；