基于IEEE 802.16d改进的MAC层同步方法

技术领域

本发明涉及一种改进的MAC层同步方法，特别是涉及一种基于IEEE 802.16d改进的MAC层同步方法，属于无线自组网通信领域。

背景技术

IEEE 802.16d标准中规定的Mesh网络采用了TDD的工作方式，而基于时分双工的系统最重要也是最难的部分在于时钟的同步问题，因此时钟同步设计是否有效在很大程度上决定了系统的性能。

802.16d标准中描述了节点间的同步机制，包括新节点加入网络时的粗同步和加入网络后的精同步，却没有考虑到节点离开网络或节点掉网后等一些突发情况下的同步问题，以及节点内部的时钟同步问题。节点内部的时钟同步指的是，由于基带和射频不在同一块硬件上时所采取的两块硬件间的时钟同步。

发明内容

本发明在于避免上述现有技术中的不足，提供一种基于IEEE802.16d改进的MAC层的同步方法，用于实现节点间的同步与节点内部MAC层与射频之间的同步。

本发明所采用的技术方案为：

一种基于802.16d MAC层的同步方法，包括：节点内部的时钟同步、节点间的时钟同步和邻居节点时间戳(Timestamp)字段的处理，其中节点间的时钟同步包括入网时的初次时钟同步和入网后的同步校正与维护。

所述的节点内部的时钟同步具体内容包括：通过计算MAC层与射频RF之间数据传输存在的时延实现MAC层与射频之间的时钟同步；

所述计算时延的方法如下：在第一次上电后，MAC层发送一个原语到射频，同时启动定时器，RF接收到原语后向MAC层回传一个原语，MAC层在接收到回传原语后立即进入中断，并关闭定时器，由此得到MAC层与射频之间的传输时延τ₁；MAC层得到此参数后，需要再向RF发送同步原语，RF根据此原语修改本地的时钟，以实现两层的同步；同步原语的内容包括时隙类型、当前复帧号、当前帧号和当前时隙号；其中的时隙号是控制时隙号(0-3)或者是数据时隙号(0-255)，其表示的意义通过原语中的时隙类型来确定。

所述的节点间的时钟同步具体内容包括：不同节点之间的时钟同步，主要包括入网时的初次时钟同步和之后的同步校正与维护。

所述的入网时的初次时钟同步具体内容包括：在初始化的过程中或者断网后，节点需要扫描信道寻找赞助节点，并通过接收到的MSH-NCFG网络控制消息与网络进行粗同步；节点通过网络控制消息中的参数Frame Number获取邻居节点的时钟，并据此设置本节点MAC层的时钟；MAC层根据邻居节点的信息进行同步设置的同时，需要向RF发送同步原语，用于实现节点内部的同步；发送同步原语时，不能直接转发邻居节点的信息，因为信息传输的时延，需要对信息重新进行处理。

所述的入网后的同步校正与维护具体内容包括：节点入网后，需要做同步校正与维护，以保证本节点与网络的时钟同步，入网后节点进行的同步主要包括周期性同步、根据参数Synchronization HopCount进行的同步和本地时钟的周期性广播；

所述的周期性同步是指MAC层需要周期性地维护本层的时钟，在MAC层进行定时计数，当计数值达到设定的最大上限时，MAC层则根据接收到MSH-NCFG网络控制消息进行同步校正与维护，同时向RF发送同步原语，进行节点内部的同步；

所述的根据参数Synchronization Hop Count进行的同步是指通过接收到的MSH-NCFG网络控制消息中的Synchronization Hop Count参数来判断是否进行同步；这个参数决定了节点间的优先级，在同步整个网络时作为主要的时间参考点；节点应该同步于同步跳数低的节点，或者当同步跳数相同时，选择Node ID较低的节点；

所述的本地时钟的周期性广播是指本地节点周期性地向邻居广播时钟参数，以便邻居节点进行入网后的同步；时钟参数由网络控制消息携带；节点向邻居广播MSH-NCFG消息时，邻居根据此消息进行同步，因此节点将当前的MAC时钟延迟τ₁时间后赋给Timestamp字段，用以修正Timestamp字段。

本发明的优点为：本发明详细地设计了一种基于802.16d的同步方案。发明中提出了节点粗同步和精同步、节点内部同步和节点间同步以及同步校正与维护方案，解决了节点内部MAC与RF之间的同步、节点间的同步以及特殊状况下的同步问题。

具体实施方式：

本发明利用802.16d协议中规定的MSH-NCFG消息中的Timestamp字段，实现节点间的同步；设计原语消息，用于MAC层与射频之间的交互，以准确实现节点内部MAC与射频之间的同步。其特征是包括下列步骤：节点内部的时钟同步、节点间的时钟同步和邻居节点Timestamp字段的处理，其中节点间的时钟同步包括入网时的初次时钟同步和入网后的同步校正与维护。

所述的节点内部的时钟同步具体内容包括：节点内部的时钟同步主要指MAC层与射频之间的同步。由于MAC层与射频之间的数据传输存在一定的时延，要实现两层的同步，必须知道传输时延的大小。计算时延的方法如下：在第一次上电后，MAC层发送一个原语到射频，同时启动定时器。射频接收到原语后向MAC层回传一个原语，MAC层在接收到回传原语后立即进入中断，并关闭定时器，由此得到MAC层与射频之间的传输时延τ₁。在两层的交互过程中，要实现MAC层与射频的同步，都要考虑到τ₁。而对τ₁的处理过程，都是由MAC层执行的，并由MAC层向射频发送同步原语实现节点内部的同步。

RF接收到同步原语后根据其中的参数设置RF的时钟。注意其中的参数微时隙号可能是控制时隙号(0-3)或者是数据时隙号(0-255)，其表示的意义由同步原语中的参数指定。

节点内部的同步一般发生在节点间同步之后。

所述的节点间的时钟同步具体内容包括：节点间的时钟同步是指不同节点之间的时钟同步，主要包括入网时的初次时钟同步和之后的同步校正与维护。802.16d协议在MSH-NCFG网络控制消息中定义了Timestamp字段中的三个参数帧号Frame Number、时隙号NetworkControl Slot Number in frame、同步跳数Synchronization Hop Count，用于节点间的时钟同步。本地节点通过MSH-NCFG网络控制消息广播本地的时钟，邻居节点接收到此消息后，根据其中的内容选择性地进行同步。

所述的入网时的初次时钟同步具体内容包括：初始化过程中或者断网后，节点需要扫描信道寻找赞助节点，并通过接收到的MSH-NCFG网络控制消息与网络进行粗同步。节点通过参数FrameNumber获取邻居节点的时钟，根据此信息设置本节点MAC层的时钟，同时向RF发送同步原语，用于实现节点内部的同步。注意在获取网络时钟和发送同步原语的时候，MAC层需要考虑MAC与射频之间的传输时延τ₁。

所述的入网后的同步校正与维护具体内容包括：节点入网后，需要做同步校正与维护，以保证本节点与网络的时钟同步。入网后节点进行的同步主要包括周期性同步、根据参数Synchronization HopCount进行的同步和本地时钟的周期性广播。

所述的周期性同步是指MAC层需要周期性地维护本层的时钟，在MAC层进行定时计数，当计数值达到设定的最大上限时，MAC层则根据接收到MSH-NCFG网络控制消息进行同步校正与维护，同时向RF发送同步原语，进行节点内部的同步。

所述的根据参数Synchronization Hop Count进行的同步是指通过接收到的MSH-NCFG网络控制消息中的Synchronization Hop Count参数来判断是否进行同步。这个参数决定了节点间的优先级，在同步整个网络时作为主要的时间参考点。节点应该同步于同步跳数低的节点，或者当同步跳数相同时，选择Node ID较低的节点。例如，节点当前同步于一个同步跳数为3的邻居节点，当节点接收到同步跳数为2的邻居节点的MSH-NCFG信息时，需要重新根据此消息进行同步校正，之后向RF发送同步原语，进行节点内部的同步。

所述的本地时钟的周期性广播是指本地节点周期性地向邻居广播时钟参数，以便邻居节点进行入网后的同步。时钟参数由网络控制消息携带。节点向邻居广播MSH-NCFG消息时，邻居根据此消息进行同步，因此节点将当前的MAC时钟延迟τ₁时间后赋给Timestamp字段，即，将当前的MAC时钟延迟τ₁时间后赋给Timestamp字段，用以修正Timestamp字段，以此提高同步的准确性。

本同步机制已基于802.16d协议在Microsoft Visual Studio.Net的c++仿真平台上进行了仿真，并在硬件上进行测试。结果表明，应用此种同步机制，可以实现两个节点的时隙同步。