自组织跳频组网网络同步技术研究

0 引言

无线跳频自组织网络是以跳频通信作为无线传输信道，以自组织方式进行组网的一种军事通信网络。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，故这种军事网络具有在移动中通信的特点，而且建网时间短、抗毁性强，然而，它在组网中的同步技术的重要性却日益突出。

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。对这种网络的同步接入技术，国内外一直都有研究，尤其是对于节点快速移动、网络规模较小的自组织网络，目前已提出了不少网络同步的方法，主要的有主从式同步技术、分布式同步技术、以及多种同步技术的结合。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。 1 自组织跳频网络同步的基本思想

图1所示是一个自组织跳频网络的同步组网过程框图。同步组网过程一般包括初始同步，同步保持和迟入网过程。开机后，各节点均在自己的同步时帧内发送同步时标。并在其它时帧内接收其它节点所发的同步时标，在一个周期后，它们会根据互同步公式计算下一个周期发同步时标的时间，这样，经过一段时间后，各节点将达到同步，并进入同步保持阶段。因为各节点的本地振荡器随着时间和外界环境的改变会产生偏差。因此，网络中各节点经过一段时间后要重新同步。迟入网过程就是为了避免节点开始时错误的捕获了初始同步信息或者一个已建好的网络信息。在网络外，如果有一个节点要加入网络，它首先要监听所有能够接收到的同步时标，并对接收到的时标信号进行分析，以确定时帧的起始时刻，并调整自己的时间基准，以便和网络中其它节点达到同步。 2 自组织跳频网络同步技术

自组织跳频同步方法有准同步法与同步法两类。同步法又可分为主从同步和互同步等。

2.1 主从同步

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，终实现定时同步。因为自组织跳频同步组网是以参考电台为来构建同步网，且参考电台频率范围内的节点可以入网。而在频率范围外的节点无法入网，同时由于高速电台的节点可移动性，其频率不可能覆盖全网，因此必须采用多级同步组网技术。 多级同步组网的原理是：先在网络中规定一个节点为参考节点，其它节点为非参考节点，开机后，参考节点首先发出同步时标，当在它频率覆盖范围内的节点收到同步时标后，便把它们的时间和参考节点的时间对准，这些节点被称为节点。同理，节点依次再发出同步时标，在它们的频率覆盖范围内的节点收到该同步时标后，便把它们的时间和节点的时间对准，这些节点就被称为二级节点。依次类推，直到全网的节点都达到同步，从而构成一个逐级分层分布的同步体系。

图2所示是一个第级分层分布示意图，图中的节点0为0级节点，节点1、2、3为节点，4、5、6、7、8为二级节点。

2.2 互同步

互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。互同步也叫做分布式同步。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(相对于监控周期的正边缘)。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。此时，如果节点已同步，它们就不能彼此感觉到存在。这样，一个刚入网的节点对于网络中的其它节点来说，往往具有很高的权值。 分布式同步的基本算法如下：

假设网络中任意两节点i和j，那么节点i所观察到的定时偏差△tij将包括两个节点间的时间偏移和它们之间的传播时延。即：

式中，C表示光传播速度，dij表示节点i、j之间的距离。此时节点i将根据下式调整自己的时隙定时：

式中，ω表示一个开销因素，用于确定稳定性和算法的收敛。因为△tij=△tji，所以，仅计算△tij<0的情况即可：

式中，N是节点i周围临节点的个数。
互同步方式时的时隙图如图3所示。假设在开始时节点不在作运动，整个网络从开始达到同步的稳定需要n次接收其邻节点同步信息的过程，此时网络中某一节点i对任一节点j的延迟△tij将趋于一定值。假设电磁波在空间传播满足自由空间衰落模型。那么，当两个节点之间的距离一定时，其信息包在他们之间的传播延迟也是一定的。此时在信息包中将携带发送节点发送信息包时的本地时间，接收节点则记录收到该信息包的时间。以计算两个时间的差值并记录下来。这两个节点每次传输信息包的过程都要进行如上操作。如果本次记录的差值和上次的不同，则可判断这两个节点之间的距离发生了改变。如果差值没变而△tij发生了改变，则可认为是两节点之间的频率飘移发生了改变。如果在实际情况中，△tij总是收敛不到一定值，则节点间一定存在定时偏差，这一定时偏差是由两部分引起的，一个是由节点自身振荡器的频率飘移引起的，另一部分则由节点和节点间的传播时延所引起。因为节点在不断的运动，节点间的距离也在不断的变化，因此，由传输延时所引起的定时偏差是不好确定的。又因为振荡器的频率飘移所引起的偏差在一个稳定的状态下可能足够大而威胁同步的执行。因此，这里提出一种可区分出节点间定时偏差是由以上哪一种原因所引起的方法。该方法可消除由传播时延所引起的定时偏差。
该解决方法假设节点1在本地时间t1时刻发信息包，并于节点2的本地时间t2到达节点2。之后由节点2把t2时间记录在信息包中并立即把该信息包发出。节点1于本地时间t3收到信息包，并记录时间t3，因为不考虑其它外界情况，该信息包在来回的过程中所经历的路程是一样的。假定两点之间没有频率飘移，则有：

而如果不一样，则表明两个节点之间的频率发生了飘移。频率的飘移为：

本文所介绍的互同步方式适用于网状网。当某些传输链路或节点时钟发生故障时，该方式网络仍可处于同步工作状态，而无需重新组网。

3 两种同步方式的性能差异

下面简要介绍一下主从式同步和分布式同步的性能差别。

正向传送数据时，主从式同步传输的数据量大于互同步的数据量，而反向传输时，互同步方式传输的数据量大于主从式。如果在一个收发周期内，则两者传输的数据量相同。图4所示是单收发周期的双方数据传输示意图。

实际每跳数据帧设计时，考虑到收发转换、频率转换等因素，通常会含有保护区(前保护区和后保护区)。

实际同步过程中经常将同步过程分为两部分：粗同步和精同步。粗同步可保证相邻节点发送数据时所用的时隙不会重叠，粗同步一般小于时隙的保护间隔；精同步通常是指在一个时隙内，发送节点在数据序列中将加入标准的mi-damble序列，接收节点通过检测midamble来完成相对于发送节点的时间精同步，从而正确接收时隙信息。

4 结束语

本文介绍了跳频自组网网络同步建立的基本思想以及两种同步方式。提出了一种改进的互同步算法。该算法能以较小的开销达到全网时间同步的要求。