[发明专利]一种基于定向波束的无线网络主从同步方法

摘要

本发明公开了一种基于定向波束的无线网络主从同步方法。该方法将网络中发起时间同步的节点记为主节点，相应地将与主节点同步的节点记为从节点，并根据定向波束传输的特点，将主从同步过程划分为粗同步和精同步两个阶段。粗同步阶段，主节点通过定向广播粗同步帧发起同步过程；精同步阶段，成功接收到粗同步帧的从节点与主节点通过精同步请求帧和精同步应答帧的定向交互，消除时钟偏差，实现时间同步。从节点与主节点完成时间同步后，将自身作为主节点继续向邻居节点定向广播粗同步帧，发起与邻居节点间的同步过程，进而实现全网络节点间的时间同步。无线网络仿真环境EXata中的仿真实验证明了该方法的有效性。

主权项

1.一种基于定向波束的无线网络主从同步方法，所采用的步骤是：步骤1：将网络中发起时间同步的节点记为主节点，相应地将与主节点同步的节点记为从节点，根据定向波束传输的特点，将主从同步过程划分为粗同步和精同步两个阶段，其中，粗同步阶段用于主节点定向广播粗同步帧，发起时间同步，精同步阶段用于成功接收到粗同步帧的从节点与主节点完成精同步定向请求和定向应答，消除时钟偏差，实现时间同步；步骤2：粗同步阶段，主节点定向广播粗同步帧，发起时间同步；网络中每个节点安装6副天线，实现前、后、上、下、左、右空域的覆盖，每个天线覆盖120°的空域；每副天线包含M个波束，M的值由波束宽度决定，每副天线同一时刻只能产生一个波束；节点6副天线可以同时工作，即可以同时产生6个波束；节点既可以工作在全向模式，也可以工作在定向模式，全向工作模式用于全向监听信道和全向接收数据，定向工作模式用于定向监听信道和定向收发数据；主节点同时在6副天线中依次变换天线波束，并在每个波束上定向广播粗同步帧，网络中的初始主节点由节点号最小的节点担任，主节点每广播完一个粗同步帧即开启定时器WAT，在当前天线的当前波束上等待接收从节点发送的精同步请求帧，定时器的值T_WAT设定为W×T_slot+T_{a_req}+2×T_prop，其中，W为退避竞争窗口值，T_slot为节点退避时空闲时隙的长度，T_{a_req}为精同步请求帧的传输时间，T_prop为信号最大传播时延；如果在T_WAT时间内信道持续空闲，主节点则在定时器超时后切换到下一个波束继续广播粗同步帧，如果在T_WAT时间内信道变忙，主节点则尝试接收从节点发送的精同步请求帧；对于网络中的从节点，粗同步阶段持续全向监听信道，等待接收主节点发送的粗同步帧，从节点一旦接收到粗同步帧，则立即切换到定向工作模式，并调整天线波束对准主节点；步骤3：精同步阶段，从节点和主节点完成精同步定向请求和定向应答，消除时钟偏差，实现时间同步，从节点接收完粗同步帧后，在精同步阶段向主节点定向发送精同步请求帧，并记录精同步请求帧的发送时刻；主节点接收到从节点发送的精同步请求帧时，记录接收到精同步请求帧的时刻，并向从节点定向回复精同步应答帧，精同步应答帧中携带接收到从节点精同步请求帧的时刻值和主节点发送精同步应答帧的时刻值；从节点接收到主节点发送的精同步应答帧时，记录接收到精同步应答帧的时刻，并根据自身精同步请求帧发送的时刻以及精同步应答帧中携带的时刻值计算本地时间与主节点时间之间的偏差，并对自身时钟进行修正，完成与主节点之间的时间同步；步骤4：从节点与主节点完成时间同步后，将自身作为主节点继续向邻居节点定向广播粗同步帧，供尚未实现同步的邻居节点完成时间同步；从节点与主节点完成时间同步后，将自身作为主节点继续向邻居节点定向广播粗同步帧，邻居节点中尚未实现同步的节点，即可按照步骤2、步骤3完成与主节点之间的同步；当主节点6副天线中所有波束在发送完粗同步帧后均没有接收到从节点发送的精同步请求帧，则判定本主节点周围所有邻居节点均完成了时间同步；重复步骤4直至网络中所有的节点都完成时间同步，全网同步过程结束。