一種基于Ad hoc網(wǎng)絡(luò)測(cè)距的時(shí)鐘同步協(xié)議

RTD包括下行傳輸時(shí)延(從主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)到從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn))和上行傳輸時(shí)延(從從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)到主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn))。首先，從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)從主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)讀取時(shí)間標(biāo)記，獲得當(dāng)?shù)貢r(shí)鐘基準(zhǔn)，然后根據(jù)MAP找到主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)分配的初始維護(hù)區(qū)，發(fā)出初始測(cè)距請(qǐng)求(RNG-REQ)。由于從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)與主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)之間存在距離，該請(qǐng)求將延遲一段時(shí)間到達(dá)，假設(shè)到達(dá)時(shí)刻為T=440。主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)計(jì)算收到RNG-REQ的實(shí)際時(shí)刻與初始維護(hù)區(qū)起始時(shí)刻之差，在測(cè)距響應(yīng)(RNG-RSP)中通過“定時(shí)調(diào)整”字段返回給從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)。主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)在發(fā)送RNG-RSP前還應(yīng)該獲得從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)發(fā)送的確切頻率、接收的實(shí)際功率等信息。主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上計(jì)算出校正數(shù)據(jù)，并在RNG-RSP中發(fā)送給從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)。從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)收到RNG-RSP后，根據(jù)下式計(jì)算收到第n個(gè)RNG-RSP后得到的定時(shí)偏移t_n：

圖1中初始維護(hù)使得從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)的定時(shí)偏移調(diào)整為t1=120。在隨后的站維護(hù)過程中，從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)提前t1發(fā)送RNG-REQ，該數(shù)據(jù)分組在站維護(hù)區(qū)的起始時(shí)刻T=740到達(dá)主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)。主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收參數(shù)計(jì)算需要進(jìn)行的附加微調(diào),并通過輪詢RNG-RSP返回給從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)。從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)根據(jù)式(1)繼續(xù)調(diào)整定時(shí)偏移,直到主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)指示測(cè)距過程成功。
2.2 全網(wǎng)絡(luò)生成樹的建立
　 建立全網(wǎng)絡(luò)同步是從建立生成樹開始的。首先，從根節(jié)點(diǎn)發(fā)出一個(gè)層發(fā)現(xiàn)報(bào)文(包含根節(jié)點(diǎn)的層變量0)。根節(jié)點(diǎn)的所有單跳鄰近節(jié)點(diǎn)為其自己分配的層號(hào)(1)加上層發(fā)現(xiàn)報(bào)文中的層變量，并接受根節(jié)點(diǎn)作為它們的父節(jié)點(diǎn)。然后第1層的節(jié)點(diǎn)發(fā)出它們自己的層發(fā)現(xiàn)報(bào)文，依此類推。同一層的每個(gè)節(jié)點(diǎn)選擇一個(gè)隨機(jī)延遲來避免過多的報(bào)文碰撞。一旦某個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到第一個(gè)層發(fā)現(xiàn)報(bào)文，該報(bào)文的發(fā)出者就被作為接收方的父節(jié)點(diǎn)，而后來的層發(fā)現(xiàn)報(bào)文則被丟掉。節(jié)點(diǎn)找到它的父節(jié)點(diǎn)以后，就接收父節(jié)點(diǎn)周期性發(fā)出的時(shí)鐘同步信號(hào)SYNC，并校正自己的本地時(shí)鐘，同時(shí)，節(jié)點(diǎn)本身也周期性地發(fā)出時(shí)鐘同步信號(hào)，使它的子節(jié)點(diǎn)也保持同步。
　 由于報(bào)文碰撞或者在生成樹建立以后某個(gè)節(jié)點(diǎn)才加入到網(wǎng)絡(luò)中，因此有的節(jié)點(diǎn)可能沒有接收到層發(fā)現(xiàn)報(bào)文。如果某節(jié)點(diǎn)i在一定的時(shí)間內(nèi)沒有接收到任何層發(fā)現(xiàn)報(bào)文，那么它就會(huì)向它的單跳鄰近節(jié)點(diǎn)發(fā)出一個(gè)層發(fā)現(xiàn)請(qǐng)求報(bào)文，詢問關(guān)于現(xiàn)在生成樹的情況。之后，節(jié)點(diǎn)i會(huì)密切監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)，收集在某個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)的請(qǐng)求應(yīng)答報(bào)文，然后在它的鄰近節(jié)點(diǎn)中選擇一個(gè)層變量最小的節(jié)點(diǎn)作為它的父節(jié)點(diǎn)。圖2是節(jié)點(diǎn)i加入網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)的過程示意圖。

2.3 測(cè)距時(shí)鐘同步方法的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
　 從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)的初始測(cè)距要經(jīng)歷廣播初始維護(hù)和單播站維護(hù)2個(gè)階段。初始維護(hù)階段調(diào)整從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)的功率電平、上行信道中心頻率和定時(shí)偏移等信息。站維護(hù)階段對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行微量調(diào)整。初始測(cè)距過程可以設(shè)計(jì)為4個(gè)狀態(tài)：等待初始維護(hù)機(jī)會(huì)、等待測(cè)距響應(yīng)、等待站維護(hù)機(jī)會(huì)和等待輪詢測(cè)距響應(yīng)。圖3所示為該過程的有限狀態(tài)機(jī)圖。

從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)必須補(bǔ)償物理層的傳輸時(shí)延，相當(dāng)于將從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)放在與主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)相近的地方。因而系統(tǒng)將初始定時(shí)偏移設(shè)為內(nèi)部固定的時(shí)延量，包括從MAC層到物理層的延遲等。初始測(cè)距期間發(fā)送第一個(gè)RNG-REQ時(shí)，根據(jù)初始定時(shí)偏移計(jì)算提前發(fā)送的時(shí)間。主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)收到請(qǐng)求后計(jì)算定時(shí)偏移等參數(shù)的校正值，并通過RNG-RSP返回給從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)。響應(yīng)中的“測(cè)距狀態(tài)”字段指出從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)下一步的動(dòng)作(繼續(xù)、中斷或測(cè)距成功)。站維護(hù)階段的測(cè)距請(qǐng)求、響應(yīng)步驟重復(fù)多次,直到從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)得到含有測(cè)距成功的通知或主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)放棄測(cè)距響應(yīng)為止。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，當(dāng)來自于從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)的到達(dá)時(shí)間與主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)分配的時(shí)間之間的誤差超過一定限度時(shí)，主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)可以向從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文，要求進(jìn)行突發(fā)性的測(cè)距。從時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)周期性地發(fā)送測(cè)距請(qǐng)求，一般來說，發(fā)送周期間隔會(huì)比較長(zhǎng)。