关于跳频同步的研究

关于跳频同步的研究1．引言跳频是用于展频信号传输中的两种基本调制技术中的一种，展频调制技术在近几年越来越普及，它是一种码控载频跳变的通信方式，其独特的抗干扰性能使其在军事和民用领域都得到了越来越广泛的应用。

而无线自组织网络是一种移动通信和计算机网络相结合的网络，整个网络没有固定的基础设施，节点之间通过多跳的无线链路相连接，具有自组织、自修复、自配置、自管理等特点,可以广泛应用于国防战备、抢险救灾、应对突发事件等环境，并在下一代网络中占有重要地位。

跳频方式可提高网络的抗干扰能力，自组织网络技术则可提高网络的灵活性和抗毁性，因此，这种军事网络具有在移动中通信的特点，而且建网时间短、能够极大地提升通信的可靠性、抗干扰性和网络的健壮性，它在无线电传输过程中反复转换频率，通常能将电子对抗，即未经授权的对无线电通讯的中途拦截或人为干扰的影响减少到最小。

由于跳频通信体制对节点的跳频同步有严格的要求，在较大程度上制约着无线自组网各节点间的灵活、自由地通信和自主地组网需求，使得采用跳频体制构建高性能的自组织网络存在较大的困难。

跳频体制下严格同步的节点通信方式制约着Ad Hoc 网络的通信能力和路由中继能力，使得多跳节点的自组织网络变化灵活的节点间链路构建、自适应动态拓扑结构与动态路由、灵活自适应组网的优势难以发挥，很多问题需要研究解决。

2．跳频同步要实现跳频通信，关键在于跳频系统的同步。

跳频同步是跳频自组网的关键技术, 是网络通信的基础。

它是通过调整网络中各节点的时钟并使其一致来达到全网同步的。

如果网络中各节点的时钟不一致, 那么通信双方的可靠性、连续性、完整性就无法保障。

跳频系统通过跳频图案进行同步，也就是频率的同步,而时间信息TOD是用来实现收发双方的精同步。

通过对TOD信息完整的接收，采用TOD与跳频频率之间的映射关系来实现跳频图案的同步。

同步包括捕获与跟踪两部分。

由搜索状态进入捕获状态是同步的第一步，即完成了收发双方的跳频图案在频率上的同步，同时还需要进一步调整本地跳频图案与发射方图案的相位差，使收发双方的跳频图案在时间上同步,所以TOD是一个时间变量，随着时间的变化而变化，它是由电台内的高精度时钟提供的。

由于各电台的内部时钟独立，加上时钟的累积误差，所以各电台的TOD有差别。

如果能使收发双方的TOD保持完全一致，就可使跳频图案同步，跳频同步就归结为TOD的同步。

跳频时钟同步技术是跳频自组网的一种常用机制, 现已成为跳频组网中不可或缺的技术手段，同步方式主要有主从式同步技术、分布式同步技术、以及多种同步技术的结合。

主从同步方式是在网络内规定一个主节点时钟作为基准, 其它节点无作为从节点来接收主节点的定时基准, 从而把从节点时钟锁定到主节点基准时钟上, 使从节点时钟与主节点基准时钟达到相同的频率精度, 最终实现定时同步而分布式同步技术的基本思想是通过网络中相邻节点之间的时间基准的相互交换和相互控制来实现整个网络节点的同步。

分布式同步又叫互同步。

在互同步过程一开始, 通常认为全网都不同步, 然后所有的节点都按照事先规定好的准则依次发送同步时标, 并不断监控信道。

接着需要设定一个监控周期, 系统将在一个监控周期内使每一个节点都测量所有可探测到的同步时标的功率和相对延迟。

通过这个值来提前或推迟下一个周期的同步时标传输时间。

分布式同步技术凭借它的组网速度快、抗毁性强、适于节点的快速移动等特点已经逐渐成为国内外研究的热点。

可见分布式同步更加有效，不需要依赖于主节点,可以节点之间进行同步信息交换来同步，目前的802.11TSF算法的思想是利用时间采样的方法来把时间信息扩散及全网，时间采样指的是通过在beacon帧的时间戳字段设置当前节点时钟时间的方法，这个时间会扩散及全网以达到同步效果。

3. 现存算法存在的问题IEEE802.11最先提出TSF算法，奠定了后继算法的基础，并定义了802.11的标准跳频同步算法主要是解决全局时间不同步的问题，一个无线自组织网络中最快时钟与最慢时钟的差称之为最大时钟偏差，把这个偏差以尽可能的并且尽快地缩小是衡量一个时钟同步算法好快的至关重要指标，结合现存跳频同步算法可见，引起不同步的主要因素有以下几点：① beacon冲突：太多的节点在一个相对较小的竞争窗口内争着发送beacon信息，导致beacon信息在发送过程中的冲突，节点很可能在好几个beacon时隙内都无法发送自己的beacon信息。

②不同的时钟频率：节点本身的振荡器驱动的时钟频率都不尽相同，802.11只要求频率精度在0.01%偏差范围内，因为如果众多节点频率不相同，即使某一时刻依据收到的beacon信息调整了自身的时钟，但是由于始终频率差距过大，节点的时钟只差还是会越来越大，所以需要进行频率的调整使全网节点频率趋于一致，使用频率调整机制还可以解决某些节点由于长期收不到比自己快的beacon帧的时候也可以通过周期性的把先前的时钟偏差加到它自己的偏移值上来自身进行同步。

③不准确的时间戳：beacon信息从发送节点的MAC层传送到接收节点的MAC层是需要时间的，但是beacon从发送节点发出时时间戳的信息记录的只是此刻的时间，当它传送到接收节点MAC层时接收节点也是用这个没有考虑延迟的不准确的时钟信息来更新自己的时钟，所以当接收接待你依据这个时间戳信息来覆盖自己时钟信息的时候这个值在当时时刻已经是不准确的了。

要解决这个问题，依据802.11标准，一个节点发送节点应该设置时间等于当前时钟时间加上从当前MAC层到接受节点MAC层所需要的发送时间和传输时间。

④多跳环境的制约：节点数目一多，快的节点的时钟信息很难将自己的时钟信息尽快传达到好几跳以外的时钟较慢的节点，不能及时扩散到全网。

理想的同步算法应该能兼容用于同步beacon帧的收发机制，此外，当向beacon帧内添加所需字段的时候应该保持尽量简短，长度变长会加剧beacon冲突。

因此我们关注多跳无线自组织网络的同步问题，对于一个好的时间同步算法首先需要满足精确，最大的时钟偏差应该尽量小，然后是可扩展性，可以处理上百个节点，最后是对移动性的处理，对于节点一直移动的情况也有较好的适应能力，最后是收敛的速度，算法应该是全网时钟在尽可能短的时间达到基本一致。

4. UDTSF为探索解决跳频时间同步的问题，本文提出一种新的时间同步算法，我们称之为UDTSF(Uniform Distribution Timing Synchronization Function),即均匀时钟同步算法。

根据以上的分析，理想的算法应该至少应该具备以下几个特点：①首先，要能够尽量减少节点发送beacon 信息产生冲突的几率，应该有一套传输避免冲突机制。

②其次，要考虑到传输时延误差的影响，并能够调整时钟频率，使得全网节点时钟能保持一个基本统一的始终频率，并且还要保证频率不会过度调整，应该具备一种频率约束的机制，避免全网时钟频率因为过度调整导致越来越快的情况出现。

③最后，要使 beacon 信息快速交换最短时间能扩散至全网，达到尽快收敛的效果。

虽然这些特点看起来很简单，但是以前的算法基本都不能同时满足以上的条件，由此我们引入UDTSF,设想节点按照与附近节点的beacon信息中的时间戳集合取中值的方法来进行逐渐的同步最后实现全网的同步，由于各个节点都按照与附近节点的TOD 来联合取中值，对多条的网络应该有不错的同步效果，可以解决延展性问题，接着我们结合UDTSF 逐个分析这3 个特点。

4.1 传输机制由于 UDTSF 是收集邻居节点的TOD 信息和自己时钟进行加权平均的方法更新自己时钟，许多节点同时发送自己的beacon 帧，由此可能会带来beacon 传输冲突问题，首先为了解决beacon 冲突问题，对每一个节点，把时间分为一些列观察周期，在每一个周期，网络中的节点在周期的起始时刻，以CSMA 机制去竞争信道，获得信道访问权限的节点就会把自己的跳频同步信息发送出去。

即在每个 beacon 间隙，节点在[0,W]中随机产生一个延迟值，当延迟值为零时节点将依照CSMA 机制竞争信道发送自己的时钟信息。

如果在随机延迟未结束时收到其他节点的时钟信息，则取消本周期内等待的发送，通过引入CSMA 的竞争发送机制，可以很好的解决传输冲突的问题。

4.2 频率调整仅仅靠定期的对收集到的周围节点的TOD进行中和更新自身时钟信息仍然是不够的，因为节点的自身时钟振荡频率并不相同，如果相差较大的话，即使定期更新，在下一次更新前由于频率不同节点时钟有的会越走越快或者越走越慢，这样会影响算法同步的效果，所以我们引入频率调整的机制，即通过比较最近2次节点进行中和加权得到的TOD信息的差值算出调整的频率，这个差值反映了无线节点信号有效覆盖范围内（我们称之为一个区域）所有节点整体的频率调整趋向，并周期性的把这个不断变化时钟偏差加到它自己的偏移值上，可以实现节点的频率调整，一个无线网络中所有的区域都进行这样的频率调整，最终全网的频率都将趋于一致。

4.3 快速收敛先前分析的算法很多都只适用于单跳的环境，一旦节点数目增多，效果都不理想，原因是按照802.11TSF 的基本思想，给时钟最快节点较高的优先级传送自己的beacon 帧来同步其它节点，但是节点数目一旦上百，跳数增多，beacon 信息很难及时扩及全网，很有可能全网部分节点的时钟和最快节点相差悬殊，造成全网最大的时钟总偏差很大。

UDTSF 与以往算法不同，以往算法虽然都是分布式的，但是节点的地位并不是完全的平等，时钟快的节点有更高优先级，所以这些少数的快的节点要把自己的beacon 传达到全网肯定是需要很长时间的，而UDTSF 采用的是节点依据邻居节点同步自身时钟的策略，所以每个节点的地位都是完全平等的，不会存在beacon 信息扩散而影响全网时钟同步，很好解决了多跳环境下收敛慢的问题。

4.4 UDTSF 算法接着引入UDTSF 算法的详细过程，以下定义的是一系列参数，首先定义一个表Neighbor_Table 记录每个节点i 收到的附近节点beacon 信息的时间戳信息，并保持对他们TOD 信息的追踪，一旦受到同一节点的新的时间戳信息就马上在表里更新，并对收集到的时间信息与节点自己的时间信息相加取中值更新自己的时钟信息，算法具体步骤是：①每个节点在每个beacon时隙内通过CSMA的方式竞争发送包含自身TOD的beacon信息。

②在每个beacon时隙，对收到每一个beacon,节点i提取其中包含的TOD信息并把TOD信息对应记录在节点自身的Neighbor_Table中，并把所有节点的TOD值与自身当前时钟进行加权平均，产生新的TOD值并更新自己的当前时钟，并等待发送出去。