（通信与信息系统专业论文）物探地震数据采集无线mesh网络物理层关键技术研究与设计.pdf

摘要 摘要 传统的石油物探数据采集网络一般采用有线方案，即通过线缆将传感器采集的信息传 送到控制中心进行分析；但是随着勘探区域的扩大( 面积过百平方公里) 和传感器密度的 增加( 间距2 0 米以下) ，基于有线传输方式的物探采集网络已经不能满足当今的要求，无 线传输方案正逐步得到应用。在物探系统中融入先进的无线传输和网络技术，具有更适合 布线以及移动性更强等灵活性的特点，已经成为当今物探技术发展的方向。 作为东南大学移动通信重点实验室“物探数据无线采集网络”项目的一部分，论文重 点研究该物探数据采集网络上层的无线m e s h 骨干网，针对目标网络的应用特点，以设计同 步时分体制下的系统承载结构和网络节点间的时间同步机制为研究目标，并就节点间的时 间同步算法展开了具体研究。 论文主要完成了物探数据采集网络上层无线m e s h 骨干网时分同步( t d d ) 体制下的承 载结构设计，使得满足网络中并发数据业务对q o s 的要求；提出了基于单向广播同步机制 和双向成对机制的时间同步算法一改进型算法，通过仿真表明，该算法在满足精度要求的同 时，实现降低消息交换开销，达到降低功耗目的。 关键字：时分同步复用承载结构时间同步 a b s t r a c t a b s tr a c t t r a d i t i o n a lo i lg e o p h ，r s i c a ld a t aa c q u i s i t i o nn e t w o r k sg e n e r a l l yb a s e do nc a b l e s ，t h a ti sw e u s ec a b l e st ot r a n s m i ti n f o r m a t i o ng a t h e r e db ys e n s o r st ot h ec o n t r o lc e n t e r b u tw i t ht h e d e v e l o p m e n ta n de x p a n s i o no ft h ee x p l o r a t i o na r e a ( m o r et h a nh u n d r e d so fs q u a r ek m s ) a n dt h e s e n s o r sd e n s i t y ( 1 e s st h a n2 0 m ) ，t h eo i lg e o p h y s i c a ld a t aa c q u i s i t i o nn e t w o r k sb a s e do nc a b l e c a l ln o tm e e tt h en e e d sn o w a d a y s t h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o na r eb e i n ga p p l i e dg r a d u a l l y i no i l g e o p h ) ，s i c a ld a t aa c q u i s i t i o nn e t w o r k s ，w i t ht h ea d v a n t a g eo ff l e x i n gc a b l i n g ，f l e x i n gm o b i l i t y , t h ei n t e g r a t i o no fa d v a n c e dw i r e l e s st r a n s m i s s i o na n dn e t w o r kt e c h n o l o g yh a sb e c o m et h e d e v e l o p m e n tt r e n do ft o d a y sg e o p h y s i c a lt e c h n o l o g y a sap a r to f “g e o p h ) 7 s i c a ld a t aa c q u i s i t i o nw i r e l e s sn e t w o r k s p r o j e c ts u p e r v i s e db y s o u t h e a s tu n i v e r s i t yn a t i o n a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sr e s e a r c hl a b o r a t o r y , t h i st h e s i sf o c u so n t h eb a c k b o n en e t w o r k sa b o v ei nt h eg e o p h y s i c a ld a t aa c q u i s i t i o nw i r e l e s sn e t w o r k s a c c o r d i n gt o t h ea c t u r a lc h a r a c t e ro ft h ep r o j e c t ，t h i st h e s i s sg o a la r et od e s i g nt h eb e a r e rs 咖c t u r eo ft h e b a c k b o n en e t w o r k sb a s e do nt d dt r a n s m i s s i o nm o d e ，a n dt op r o p o s ean e wt i m e s y n c h r o n i z a t i o nm e c h a n i s mb e t w e e nn e w w o r k sn o d e s b e s i d e s ，t h i s t h e s i sm a k e ss p e c i f i c r e s e a r c ho ns e v e r a lk i n d so ft i m es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m s t h i st h e s i sf i n i s h e st h ed e s i g no ft h eb e a r e rs t r u c t r eo ft h eb a c k b o n ew i r e l e s sm e s h n e t w o r k sa b o v ei nt h e g e o p h y s i c a l d a t a a c q u i s i t i o n w i r e l e s sn e t w o r k s ，i n c l u d i n gf r a m e s t r u c t u r e ，t h e c o u r s eo fe n t r yo fan e wn e t w o r kn o d e ，w h i c hm e e t st h en e e d so fp a r a l l e l l e d d a t au p o nq o s ；i ta l s om a k e ss o m ea n a l y s i so ns o m ef a m o u st i m es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mi n w i r e l e s sm e s hn e t w o r k s a n dp r o p o s e san e wt i m es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m - a d v a n c e d a l g o r i t h mb a s e do no n e - w a yb r o a d c a s t i n gs y n c h r o n i z a t i o nm e c h a n i s ma n dt w o w a yp a i r s m e c h a n i s m t h es i m u l a t i o no fn e t w o r k sm o d e l ss h o w st h a tu n d e rt h ea c c u r a c yt os o m ee x t e n t , t h e n e wa l g o r i t h mc a ns a v es y n c h r o n i z a t i o no v e r l o a d k e yw o r d s ：t i m ed i v i s i o nd u p l e x i n g ，b e a r e rs t r u c t u r e ，t i m es y n c h r o n i z a t i o n i i 中英文缩写对照表 中英文缩写对照表 a i m a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e b s b a s i cs t a t i o n d s r cd e d i c a t e ds h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o n s d s s sd i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m f t s p f l o o d i n gt i m es y n c h r o n i z a t i o np r o t o c o l g p s g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m h s d p a h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s h i p e rw m a nh i p e rw i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e a n e t w o r k s i pi n t e r n e tp r o t o c o l l a pi n t e r n e ta c c e s sp r o v i d e r l l c l o g i cl i n kc o n t r o ll a y e r m a cm e d i u ma c c e s sc o n t r o ll a y e r m cm e s hc l i e n t s 瓜 m e s hr o u t e r s o f d m o r t h o g o n mf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g o d s ao n - d e m a n da n dd y n a m i cs l o ta s s i g n m e n t o f d m a o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s o s i o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n p h y a h y s i c a ll a y e r p m 口p o i n tt om u l t i p l ep o i n t q d m aq u a d r a t u r ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s q o sq u a l i t yo fs e r v i c e r bs r e f e r e n c eb r o a d c a s ts y n c h r o n i z a t i o n r l cr a d i ol o g i cc o n t r o ll a y e r t d dt i m ed i v i s i o nd u p l e x i n g t p s n t i m i n g - s y n cp r o t o c o lf o rs e n s o rn e t w o r k s t d m at i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s f 纪a n w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k s w m n w i r e l e s sm e s hn e t w o r k w i m a xw b 订di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s w i f i 口w i r e l e s sf i d e l i t y w m rw i r e l e s sm e s hr o u t i n g v 异步传输模式 基站 专用短程通信 直接序列扩频 洪泛时间同步协议 全球定位系统 高速下行分组接入 高性能无线城域网 网际互联协议 互联网接入提供商 逻辑链路控制层 媒体接入控制层 网格网客户端 网格网路由器 正交频分多路复用 按需动态的时隙分配协议 正交频分多址 开放式系统互联 物理层 点对多点 正交分割多址接入 服务质量 参考广播同步协议 无线逻辑控制层 同步时分复用 传感器网络同步协议 时分多址 无线局域网 无线网格网 世界微波接入互通 无线保真 无线网格网路由 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 盖叠蓦日期：2 2 2 2 主。么 f 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除 在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部 内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：是鲢导师签名： 眺申。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 物探数据采集网络的背景 物探技术在石油勘探开发领域占据着举足轻重的位置，尤其是地震勘探技术，更是某 些技术服务公司的重点服务项目。随着计算机、电子通信和网络技术的高速发展，物探装 备和物探技术水平也在不断的进步i l j 。 传统的石油物探数据采集网络一般采用有线方案，即通过线缆将传感器采集的信息传 送到汇聚中心，然后进行分析。随着勘探区域的扩大( 面积过百平方公里) 和传感器密度 的增加( 间距2 0 米以下) ，基于有线传输方式的物探采集网络已经不能满足当今的要求， 无线传输方案正逐步得到应用，国际上某些先进的设备制造企业已经研制出并开始推广应 用蜂窝式无线采集网络。在物探系统中融入先进的无线传输和网络技术，已经成为当今物 探技术发展的方向。 英国的v i b t e c hi t s l 2 1 系统就是一套比较知名的采用了无线传输方案的物探数据采集 网络，它采用了蜂窝式的网络结构，混合有线、无线传输方式，其构成方案如图1 - 1 所示。 其中，汇聚中心是整套采集网络的核心，基站设备将其分管小区内各采集站所收集的信息 进行汇总，并通过有线方式传送给汇聚中心；而采集站则通过无线方式将附着在其上的传 感器搜集的信息传送给基站。该采集网络可认为是由两层构成，这种上层基于有线传输、 下层采用无线接入的网络体系结构比传统的完全基于有线传输的采集网络更有利于布设和 移动，也显得更为灵活。 图1 - 1v i b t e c hi t s 系统构成方案 然而，基站与汇聚中心间的有线传输方式还是在一定程度上限制了物探系统的灵活 东南大学硕士学位论文 性，在勘探区域变换时，网络布设的工作量仍然比较大，并且在某些情况下布线也存在着 实际的困难。基于v i b t e c hi t s 系统的体系结构，改用无线方式实现基站到汇聚中心间的 数据传输，设计一个具备两层无线传输能力的采集网络，可以进一步提高灵活性和移动性。 1 2 课题介绍 1 2 1 项目总体目标 东南大学移动通信实验室承接的“物探数据无线采集网络的研究与设计”项目，其总 体目标是设计一个具有两层无线传输网络结构的、高速率进行物探信息传输的数据采集网 络。该采集网络将分布在1 0 0 方公里范围内的约2 0 万个检波器所采集的地震资料信息通过 采集站以无线方式传送到基站，并通过宽带多点无线骨干传输系统将多个无线基站与汇聚 中心进行互联，网络的总体构成方案如图卜2 所示。整套采集网络基于全无线的传输方式， 从而更加适用于大范围野外流动工作的应用环境p j 。其中，采集网下层采用蜂窝接入，上 层采用m e s h 骨干传输的双层无线传输。项目网络下层的无线蜂窝传感器网络主要由在 l o k m * l o k m 范围内铺设全覆盖的无线传感器构成。传感器的间距大约为2 0 m ，该网络一共包 含约2 5 0 0 0 0 个传感器。 图卜2 物探数据无线采集网络总体构成方案 1 2 2 课题的研究任务 作为“物探数据无线采集网络的研究与设计”项目的一部分，课题主要研究该物探数 据采集网络上层的无线m e s h 骨干网。上层的无线m e s h 骨干网由1 0 0 个基站组成，每个基 站的距离大约是l k m ，其部分拓扑结构如图1 3 所示。 2 第一章绪论 萏 侈 稳赫惦蜗) i 聚点( 接入点) 无线恐：严 图卜3 上层无线m e s h 骨干网构成 基站设备通过无线蜂窝网，将其覆盖范围内的传感器采集的数据进行汇聚，再通过无 线m e s h 骨干网，传到指定汇聚点，指定汇聚点再通过有线网络将数据保存、处理。 课题的研究任务是完成无线m e s h 骨干网系统基于同步时分( t d d ) 的承载方式的设计， 即t d d 模式下无线m e s h 骨干网系统的帧结构以及网络接入过程，以求进一步提高网络通信 效率、支持数据的并发传输、降低功耗、增强对特定业务传输灵活适应性。并在此传输模 式下，具体研究设计和实现网络系统的时间同步体制，支持网络节点间的同步、数据的交 互、新节点的接入等。系统设计的目标是要实现占用带宽2 0 - 3 0 m 条件下能达到6 0 一8 0 m b p s 无线传输能力的高效宽带通信系统。 据此，主要任务主要开展了以下的工作： 重点研究了无线m e s h 网络的承载结构，并结合课题提出了适合的帧结构及网络接入 模式。 重点研究、比较无线m e s h 网络各种时间同步体制，并综合它们的优点，提出了一种 改进型的时间同步算法 学习了n s 2 仿真平台工具，并利用n s 2 完成了上面改进型算法的仿真以及性能分析。 1 3 论文的安排 第二章介绍了无线m e s h 网络技术的发展现状，8 0 2 1 6 m e s h 网络，以及无线m e s h 网络 的主要技术，以及项目网络的特点与技术要求并初步介绍了网络承载和时间同步的初步案。 第三章首先介绍课题的基本要求以及t d d 复用方式的特点，接着提出了系统的时帧结 构，详细描述了节点接入过程、数据交互，最后给出了所提出的承载方式的理论上和仿真 上的性能分析。 第四章首先介绍了系统时间同步的引出，接着介绍了几种经典的无线m e s h 网时间同步 三l 东南大学硕士学位论文 机制，并在理论上对它们进行了误差分析，进而提出介绍一个改进型的时间同步算法，最 后，介绍了n s 2 仿真平台，以及针对改进型时间同步算法的仿真结果。 第五章对本课题所作的工作进行了总结，并提出改进和完善的方向。 4 第二章无线i v i e s h 通信网技术 第二章无线m e s h 通信网技术 随着人们对网络通信需求的不断提高，人们希望不论何时、何地、与何人都能够进行快 速、准确的通信，为了提高工作效率，并且克服现有通信系统的缺点，达到通信白勺“无所不在1 人们提出了一种新型的宽带无线网络结构无线网格网1 4 i 。无线网格( m e s h ) 网络是一种新 型的无线宽带接入网络，它融合了无线局域网( w l a n ) 和a dh o c 网络的优势，是一种大容量、 高速率、覆盖范围广的网络，成为宽带接入的有效手段。 2 1 无线 s h 网 2 1 1 概念 无线网状网( 无线m e s h 网) 是一种高速率、高容量的多点对多点网络，是一种新型的宽 带无线通信网络，具有自组织和自愈的特点，简称为删( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ) 嘲。 聊n 与传统网络不同，传统的无线网络必须首先访问集中的接入点才能进行无线连接。 这样，即使两个终端互相紧挨着，它们也必须通过接入点才能进行通信。而在无线m e s h 网络中，所有节点地位平等，任意节点可以随时加入和离开网络，节点的故障不会影响整 个网络的运行，同时，每个节点( 终端或基站) 都可以经过多跳与一个或者多个对等节点直 接进行通信。图2 - 1 即为无线m e s h 网。 图2 - 1 无线m e s h 网 作为多跳网络，w m n 是一个动态的可以不断扩展的鱼网状架构，是一种动态自组织、 自我配置的无线多跳网络。在无线m e s h 网中，每个节点都具有路由转发功能。m e s h 网络 的思想是当网络中任意两个节点间的一条链路失效后，路由器会经由一个或多个别的路由 器找到一条另外的替代路径。 5 东南大学硕士学位论文 2 1 2 删的发展历程 w 源于1 9 9 7 年美国军方机构d a r p a 为加强战术通信系统的可靠性，与i t t 公司合作 研究的最新集无线组网、路由和定位一体化的先进战术通信系统( a t c s ) ，相关技术于2 0 0 0 年初正式推向商业和民用。目前在国内，对于w m n ，无论在研究还是商用方面，都还处于起步 阶段。由于网状网结构具有众多的优良特性，除了在军事通信方面，在民用和商业领域也有 广泛的应用前景州。 、 2 0 0 4 年1 月，i e e e8 0 2 1 1 工作组专门成立了网状研究组( m e s hs t u d yg r o u p ) ，同年3 月又成立了网状任务组，这标志着w m n 技术正式迈上标准化道路1 7 1 8 0 2 1 5 3 a 、8 0 2 1 5 4 和专用短程通信( d e d i c a t e ds h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o n s ，d s r c ) 也开始探索如何通过网 格嵌入式设备来改进其现有技术，i e e e 8 0 2 1 6 已经将网格技术纳入其m a c 层协议标准中 1 8 j 2 1 3 删结构 在传统的各种无线接入网络中，拓扑结构主要采用点到点或点到多点形式，如图2 2 。 在点到点拓扑结构中，两个节点之间直接相连。在点到多点拓扑结构中，一般存在一个中 心节点，如移动通信系统中的基站，而其他若干个用户节点均于中心节点相连。w m n 是由 a dh o c 网络发展而来的相对静态的无线网络，是i n t e r n e t 的无线版本。它采用的是一种 网状结构，也被称为多点到多点系统。w m n 可以通过一些中间节点连接互相远离而不能直 接连接的无线路由器。新用户可以通过周围的节点很方便的接入网络，无需直接连接中心 节点。这种拓扑可以避免中心节点故障而导致的整个网络瘫痪1 9 】。 ) r b s 算法的误差分析 r b s 算法是基于接收者和接收者的时间同步机制的代表，该算法不是同步发送节点和 接收节点，也不是广播发送节点的时间值，而是通过广播同步分组实现接收节点间的相对 时间同步。为了方便比较，我们假设节点m 是“第三个”节点，节点s 和r 是在m 节点广 播范围内的两个需要同步的节点。m 节点在五时间发送参考分组，节点s 和r 分别在时间不 和正接收到这个分组，通过分解分组传输的过程，可以得到： t 2 = + s w4 - 4 m4 - 一r4 - s4 - r s t 3 = 4 - - 4 - 4 m + _ 尺+ 斗r + 如 互= 五十s m + 4 w + m + z 哪，+ r 。，+ 毛_ s + b + d 誓斗s 正= 互+ s m + 4 m + 册+ z + 墨啪，+ 毛_ r + + d 誓- 足 ( 4 - 7 ) ( 4 - 8 ) ( 4 - 9 ) ( 4 1 0 ) 节点r 在五时间接收到节点s 发送的分组，该分组中包含互时间信息。式( 4 1 0 ) 与式( 4 9 ) 相减得到： = 乃一互= ( 足一毛斗s ) + ( 一b ) + ( d 学+ r d 誓一s ) ( 4 1 1 ) 其中 d 誓斗r d 誓_ s = 磁+ r = d r r + 尺d 茫篡 ( 4 1 2 ) 将式( 4 1 2 ) 代入式( 4 - 1 1 ) 并计算到： e r r o r = a 一球r = 彤+ r u c + 删= ( 4 一1 3 ) 这里弓u c = 毛呻r 一毛_ s 。 由式( 4 - 1 3 ) 可以看出，由于无线信道的广播特性，参考分组对于所有接收节点来说 同时发送到物理信道上，所以r b s 算法能够去除发送时间和访问时间引入的误差，由于是 同一个参考分组，所以影响r b s 算法同步精度的因素主要有无线传播时间、接收处理时间 和待同步的两个节点之间的相对时间漂移。 t p s n 算法的误差分析 t p s n 算法是基于发送者和接收者的双向时间同步机制的代表，相邻节点之间的单跳同 步是通过交换两个消息实现的。由于发送端的传输时间和接收端的接收时间是有重叠的， 而且传输分组大小的不同也会对时间同步误差产生影响，所以为了更准确、更形象地分析 误差的影响因素，把传输时间和接收时间分别从发送端的时间和接受端的时间中分离出来。 根据图4 9 所示的同步分组和应答分组的传输过程，可以得出下面的方程： 第四章系统的时间同步 t 2 = + s + 4 + 五_ 足+ b r + 岛 t 4 = t 3 + 品+ 4 + 寸s + 最s + b 互= 墨+ s + 4 + 虬f + z 舢，+ 8 们计+ b 啼r + + d 矗寸r 五= 霉+ & + 4 + 虬f + 瓦+ 足+ 足寸s + 咫+ d 左+ s ( 4 - 1 4 ) ( 4 - 1 5 ) ( 4 - 1 6 ) ( 4 - 1 7 ) 式( 4 1 6 ) 中的s 是指节点s 发送分组的时间，a s 是节点s 发送分组的访问时间， 五- r 是s 节点按比特传输分组与r 节点按比特接收分组这一过程所需要的时间，虬是传 输的同步分组的长度，t 指的是传输一个比特所需的时间，乙，是按比特传输分组引起的 误差，r 是打时标的过程的对误差的影响，b _ r 是节点s 和节点r 之间无线链路上的 传播时间，咏是节点r 对接收分组进行处理的时间，寸r 指的是在实际时间t 时节点s 和节点r 之间的漂移。 式( 4 1 6 ) 中的硝呻足可以分解为硝_ r = q r + 兄硝嚣 ( 4 1 8 ) 这里尼磁嚣是指节点s 和节点r 从实际时间到实际时间f 4 时的相对漂移。 假设两个节点时钟在短时间内晶振的振荡频翠差异对时间没有影响，则 d 譬s d 譬si i 一d 譬r 将方程( 4 1 5 ) 和( 4 - 1 4 ) 相减，并将式( 4 1 7 ) 和( 4 1 6 ) 代入，则： ( 2 + ) = s u c + a u c + n u c t + p u c + r u c + 碱叠+ ( 2 幸d r r ) 其中s u c = s s s ，a u c = 4 4 ，汜= 虬一，p u c = p s r 一最s ， r u c = r r g s 。 ( 4 - 1 9 ) ( 4 - 2 0 ) 由于t p s n 时间同步机制是节点s 在瓦时间对节点时钟进行修正，所以同步误差为： e r r o r = a - 球月：竺+ 竺+ 一n u c t + 兰+ 竺+ 当r d t s ! 型- + r ( 4 - 2 1 ) ” 222 2 22 如果t p s n 在发送端采用在m a c 层打时标的方法，则可以消除发送时间和访问时间对误 差的影响，同步误差方程变为： 3 9 东南大学硕士学位论文 胁。r ：一n u c t + 竺+ 竺+ 竺噬 ( 4 - 2 2 ) 2222 由式( 4 - 8 ) 可以看出，影响t p s n 算法时间同步精度的主要是发送时间、访问时间传 输分组的长度、无线传播分组的时间、接受处理时间和发送节点和接收节点之间的相对时 间漂移。 f t s p 算法误差分析 f t s p 算法是基于发送者和接收者的单向时间同步机制的代表算法。该算法是把父节点 的时间广播出去，让父节点广播范围内的子节点根据分组中包含的时间和传输延迟时间来 调整自身节点的时间。假设节点s 是父节点，节点r 是待同步的子节点。节点s 在t l 时间 检测到信道空闲，节点r 在分组到达时刻给分组加上时间戳t 2 ，并且在调整时钟之前记录 时间t 3 ，在t 4 时间完成时间的调整。根据分组传输的过程得到： t 4 = + 五斗r + b r + 磁 ( 4 2 3 ) 五= 互+ 五r + b 斗r + 磁+ d 囊+ r ( 4 2 4 ) 其中硝_ 尺= d s - 尺+ 尼簖黧，瓦斗r + r r = 肼+ z + r 。，+ ( 五一互) ，n 是前导码和起 始字符的长度，将上面的方程代入方程( 4 2 1 ) ，得到： = b _ r + z + 8 + p 月+ r 以冀 ( 4 2 5 ) e r r o r = a d p 足= b r + z + 8 晰，d ，十+ 叫n r 、s l 斗- r f r 4 ( 4 2 6 ) 由上式可以看出，f t s p 是在检测到信道空闲的时候给广播分组加上时间戳，所以也消 除了发送端的处理延迟和m a c 层的访问延迟，传输前导码和起始字符的时间可以根据它们的长 度计算得出，接受处理时间可以根据接收端打的两个时标计算，故f t s 算法受到无线传播时间、 父节点和子节点之间的相对时间漂移以及打时标过程的影响1 4 1 1 。 4 5 系统的同步体制 4 5 1 同步体制的提出 从上面的分析可知，双向成对同步虽然能达到一定的同步精度，但通信开销过大。假 定网络的某个聚类( c l u s t e r ) 中包含n 个节点，那么在一个同步周期内总共需要2 n 个分组 交换，其中信标( b e a c o n ) 节点发送n 个，接收n 个，为了提高精度，增加同步频率会导致 更多的能量损耗，对于敏感能耗的无线m e s h 网络而言，这样的开销有时是不可接受的。相 比之下，广播同步机制开销要小一些，聚类中所有节点可以同时依据信标节点发送的同步 分组一次完成同步。r b s 是一种基于广播同步的算法，但广播分组的作用仅仅在于启动一 次新的同步过程，节点间时钟的偏移量是通过相互交换接收到广播分组的本地时间后计算 得到的。相比于双向成对同步，r b s 避免了一些可能引入随机误差的环节，但通信开销没 第四章系统的时间同步 有显著降低。f t s p 则利用了单向广播分组实现同步，减小了通信开销， 通过对课题目标应用的分析，本节结合单向广播同步机制和双向成对机制，对t p s n 算 法进行改进，设计了一种在满足精度要求的同时，实现低消息交换开销，降低功耗的时间同 步算法一改进型算法。 改进型算法借鉴了两种机制的长处：参照广播同步机制可以有效减少广播域内消息通 信开销：双向成对同步机制采用简单的双向往返的方法测量成对节点间的时间偏移和传播 延迟。 4 5 2 改进型算法的原理 汇聚中心节点，普通节点见下图4 7 。 本系统中，首先选定汇聚中心节点作为初始根节点。 算法脚刃3 s 3 9 1 分两个阶段： ( 1 ) 第一阶段为层发现及子节点收集阶段。该阶段的主要是通过泛洪广播的方法给网 络中每个节点赋予一个层次号，并使每个节点通过信息的收集获得它的下层子节点号。首 先选取汇聚中心节点，赋予其层次号o ，然后由它开始广播分层消息，每个接收到该分层 消息的节点取出消息包中的层次号，并判断自己的层次号，如果还没有层次号便将自己的 层次号设为这个层次号加l ：如果已有层次号，且层次号比消息包中的层次号小1 ，便将这 个节点号加入到自己的下层邻节点表中。重复这个过程直至所有节点都赋予一个层次号， 至此整个网络形成了一个以汇聚中心节点为根的层次树，且每层非叶子节点都有了自己广 播域内下层节点号的信息 无线传痦嚣 无线基站( 1 l e s h d i f 由器) 汇聚点( 接入点) 图4 _ 7 系统的网络结构 1 l 一 无线链路( o i ：d 1 v i z 1 0 0 m b p s ) - - - - - z - - - - - 无线链路( o f d i b i z 2 0 b p s ) ( 2 ) 第二阶段为同步阶段。该阶段的主要任务是从汇聚中心节点开始逐层同步网络中 的节点，使他们达到整体同步。在该阶段，汇聚中心节点随机从自己广播域表中选取任意 4 1 东南大学硕士学位论文 一个下层节点作为响应节点，并广播同步消息。所有接收到该同步消息的节点都用自己的 本地时间记录消息的接收时间，但只有同步包中指定的子节点返回应答消息。根节点接收 到应答消息后，用双向成对同步中计算节点时间偏移和传播延迟的方法，计算出它和指定 的响应节点之间时间偏移艿，以及消息往返延迟d ，这样指定响应节点接收到同步消息的 时间界、根节点与之的时间偏移万以及传播延迟d ，就构成了一个三元数据组，然后，根 节点再广播一个包含该三元组的消息。响应节点接收到包含该三元组的消息后，根据时间 偏移万以及传播延迟a 调整自己的时间。广播域内其他节点接收到该消息后，比较自己接 收同步消息报的时间乏和相应节点的接收时间夏，可得到万。= 正一乏，最后矫正自己的 时间为：t = 于一万+ 万，t 为节点的本地时间。第一层节点与根节点同步后，各自选取自 己广播域表中的子节点，重复以上同步过程，直至网络中所有节点都达到同步。图4 1 2 为算法消息交换示意图。 b a 图4 _ 8 算法消息交换示意图 t 2 t 3 t 1 图4 _ 9 算法时间标记示意图 万：( t 2 - t , ) - ( t , - t p 2 d ：! 互二互2 ! 互二圣2 2 4 2 t 4 ( 4 2 7 ) ( 4 2 8 ) 第四章系统的时间同步 对于网络中新加入的节点，可以通过向周围节点广播的方式得到一个层次号，具体方 法是：新加入节点发送广播请求消息，所有接收到该请求消息的节点都返回一个它所在的层 次号，新加入节点在收到应答消息后，比较它们的层次号，选层次号最小的加一作为自己 的层次号，并把层次号最小的节点作为自己的父节点，用双向成对同步的方法与之进行同 步。 算法的具体流程见下图： 樱节点广播分层消息 重复该j 生稷 否 瓣 否 是 i 收集下层节点信息 广播分层潲患 杏 层号( o i 自身层号t 广播包层号+ l 所有伟点酃有丫层次号撮节点广 播硒步消息并指定应答节点 f l 本地时问记录消息 的接收时闻 同步潲患 点? 是 返间潲息豹接收i i 寸i 西 以及 应答消息的发送计f l l l 上层嚣点按牧捌盛蒈请息。搏用j 麓对间膨 的方浓砖算与成群谛盎的时日】位侈和消患 抟播时同井，接之 露籀蠢墨连笔琶囊攀肖, a f t 量基面i 运li 广播星麦霉等量井指 传播延迟计算并谗毓自身耐删以达li ”譬二2 竺。” 曲l t = 【! e b| 蜀 e-l，c ”z i rp ? h 结裘 图 1 0 算法流程图 4 6 算法仿真实验及其结果分析 4 6 1n s 2 仿真工具的介绍f 4 2 1 n s 是“网络模拟器”，也有人称之为“网络仿真器”。n s 兼有“模拟”和“仿真”的功 4 3 东南大学硕士学位论文 能。n s 首先是可以模拟一个网络的运行过程，在此基础上做仿真的扩展，再嵌入到一个活 动的网络中去。n s 中特定的对象可以把真实网络中的分组引入到模拟器中，并将模拟器中 产生的分组输出到真实的网络中。 n s 的核心部分是一个离散事件模拟引擎，原则上有了这个离散事件模拟引擎，用户可 以对任何系统进行模拟，而不限于通信网络系统。用户可以自己完成对所要研究的系统的 建模工作，编写各种事件的处理代码，然后利用这个离散事件模拟器来完成对这个模型的 模拟，但是这样不能发挥n s 的优势，针对网络模拟，n s 已经预先做了大量的模型化工作。 n s 对网络系统中一些通用的实体己经进行了建模，例如链路、队列、分组、节点等，并用 对象来实现了这些实体的特性和功能，这就是n s 的构件库。图4 一1 1 给出了n s 构件库的部 分类层次结构： 图4 - 1 1n s 2 部分构件库 n s 2 的构件库是用两种面向对象的语言编写的：c + + 和o t c l 。c + + 是广为人知的高级程序 设计语一言，o t c l 是m i t 开发的o b j e c tt c l ，即t c l 的面向对象的扩展。 n s 中之所以使用两种语言，是因为模拟器有两种不同的事情需要做，一方面具体协议 的详细模拟和实现需要一种系统编程语言，它能够高效地操作字节、包头等数据结构，能 够实现合适的算法在大规模的数据集合上进行操作，而且这样的算法往往是需要不停地重 复执行的，对于这样的任务，运行速度是非常重要的：另一方面，许多网络中的研究工作都 是围绕网络构件和环境的具体参数进行的，需要经常重新设置和修改模拟场景，需要以较 短的时间开发出大量的场景，在这些情况下，周转时间( 改模型直到重新运行) 就更重要了， 第四章系统的时间同步 由于模拟场景配置只需要执行一次，所以这部分的任务的运行时间就不重要了。 为了能充分发挥o t c l 和c + + 这两种面向对象语言的强大能力，n s 中定义了一种机制， 使得在c + + 中能够直接调用o t c l 解释器的功能，o t c l 和c + + 能够互相直接操作对方定义的 数据，并且c + + 中的类可以和o t c l 中的类对应起来，这种机制就是t c l c l 。n s 中包含一 个c + + 类的层次结构和一个o t c l 类的层次结构，构件的主要功能通常在c + + 程序中实现， o t c l 中的类主要提供c + + 对象面向用户的配置接口。在n s 中c + + 中的类和o t c l 中的类的 继承关系也都是一致的。每当实例化一个构件时，都会同时创建一个o t c l 中的对象和一个 对应的c + + 对象，并且这两个对象可以互相操作。例如图5 3 给出了一对相关联的o t c l 对 象和c + + 对象的例子。在这个例子中，当用户在o t c l 脚本中通过“n e wa g e n t c p ”创建 了一个o t c l 对象一0 1 2 3 时，也相应地在c + + 中创建了一个对象* t c p 。通过o t c l 对象_ 0 1 2 3 可以直接访问c + + 对象* t c p 的数据成员以实现参数配置，而t c p 的协议处理、数据传输和 流控算法则是直接由c + + 对象* t c p 的函数实现。 图4 1 2o t c l 和c + + 类的对应关系 n s 中所体现的先进的设计思想使得n s 成为一种实用的网络模拟器。同时，n s 是免费 的，开放源码的，这样就使得利用n s 进行网络模拟的过程中，可以很方便地扩展n s 功能。 4 6 2 仿真平台的建立1 4 2 1 n s 2 已经实现了网络系统的一些通用实体的特性和功能，n s 2 有很多丰富的构件库，用 户可以充分的利用这些己有的对象，进行少量的扩展，建立要研究的网络系统模型进行模 拟仿真。 本项目是基于o f d m 传输方式的，根据具体设计要求，物理层设计参数见下表 4 5 东南大学硕士学位论文 抽样频率 2 9 1 7 m h z 子载波数 2 5 6 数据子载波数 1 9 2 导频子载波数 8 子载波间隔 1 1 3 k h z 有效时间 7 3 l u s c p 时间 1 8 3 u s o f d m 符号时间 9 1 4 u s 抽样时间 0 0 3 u s 表4 - 10 f d m 系统参数 为实现仿真，必须按照上面物理参数对n s 2 中8 0 2 i i 物理层协议文件进行修改，使之 符合目标场景的环境。另外，还需要对n s 2 做出扩展，来实现节点间时间的同步。 主要做了以下扩展： 对a g e n t 类进行扩展，建立新类m y a g e n t ： c l a s sm y a g e n t ：p u b li ca g e n t p u b l i c ； m y a g e n t ( ) ： d o u b l em y t i m e ： 节点自身时间 i nm y l e v e l ： 节点层次号 d o u b l em y r e c v t i m e ； n s a d d rts o u r a d d r , 消息源地址 i n tc o u n t e r ； 计数下层节点个数 一 第四章系统的时间同步 i n t i n t v o i d n e i g h b o r 1 0 存放该节点得下层节点号 c o m m a n d ( i n ta r g c ，c o n s tc