專利名稱：在分布式網(wǎng)絡(luò)中的分散的時間間隔同步的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于分散組織的網(wǎng)絡(luò)的時間同步的方法，其中所述網(wǎng)絡(luò)包括多個節(jié)點，所述節(jié)點適合于在發(fā)送/接收信道的可確定的時隙中時間同步地傳輸信息。
在分散組織的網(wǎng)絡(luò)中，為了協(xié)調(diào)動作以及為了校正事件的時間排列，需要將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的本地時間映射為其相鄰節(jié)點的各自的時間。所述本地時間在此通常通過本地計數(shù)器來定義。在具有靜態(tài)拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)中可以例如通過各個計數(shù)器的同步來進行時間同步(對此請參見例如D.L.Mills的“Internet Time SynchronizationThe Network TimeProtocol”(Z.Yang和T.A.Marsland(編寫者)的“Global States andTime in Distributed Systems，IEEE Computer Society Press，Los Alamitos，CA，1994，第91-102頁))。
在具有動態(tài)拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)、例如移動特定(adhoc)無線電網(wǎng)絡(luò)中，單個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的計時器的這種匹配可能會導(dǎo)致相對頻繁的本地時間跳躍，并因此例如損害事件在網(wǎng)絡(luò)中的時間因果的分配。在J.Elson和K.Rmer的“Wireless Sensor NetworkA New Regime for TimeSynchronization”(ACM SIGCOMM Computer CommunicationsReview(CCR)，卷33，第1期，2003，第149-154頁)中指出了一種更合適的本地時間的映射。在此不調(diào)整本地計數(shù)器，而是在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間交換信息時一起發(fā)送本地時間戳。于是每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠?qū)⒉煌谋镜貢r間換算為其相應(yīng)的本地時間。然而在用于協(xié)調(diào)地訪問資源、例如移動無線電網(wǎng)絡(luò)中的空中接口的該方法中，需要各個節(jié)點的活動的時間同步。在自組織網(wǎng)絡(luò)中作為另外的挑戰(zhàn)還附加地有實現(xiàn)還不存在的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的同步以及動態(tài)地匹配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?br> 在自組織網(wǎng)絡(luò)中，基本上通過與相鄰節(jié)點的通信來進行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時間同步。對此例如參見S.Hoff、D.Hübner、F.Reichert和A.Scunio的“Leistungsbewertung von Verfahren der Mobil-KommunikationDezentrale Paketsynchronisation undKanalzugriff”(A.Lehmann和F.Lehmann(編寫者)的“Messung，Modellierung und Bewertung von Rechensystemen”，Proceedings der 6.GI/ITG-Fachtagung，Neubiberg，1991年9月18-20日，第152-166頁(Springer-Verlag，ISBN3-540-54550-6))以及W.Zhu的“TDMA frame synchronization of mobile stationsusing a radio clock signal for short range communications”(IEEE 44th Vehicular Technology Conf.，6月8-10日，瑞典斯德哥爾摩，卷3，1994年，1878-1882頁)。
在作為“Last Received Synchronization(最后接收的同步)”(LRS)而被公開的方法中，一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與它最后接收到的同步數(shù)據(jù)分組所來自的那個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點同步。在作為“Transmit MajoritySynchronization(傳輸大部分同步)”(TMS)而被公開的方法中，附加地借助計時器信息來交換權(quán)重系數(shù)，所述權(quán)重系數(shù)說明發(fā)送節(jié)點如何良好地與它的相鄰節(jié)點同步。這些權(quán)重在固定的時間間隔內(nèi)被確定。在每一時間間隔之后，節(jié)點與具有最高權(quán)重的那個節(jié)點同步。在作為“Averaging Synchronization Differences(平均同步差)”(ASD)而被公開的在W.Zhu的上述文獻中所描述的方法中，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都在固定的時間間隔內(nèi)確定其鄰居的同步差，然后與計時器值的平均值同步。不過這里通過DCF77時間信號來產(chǎn)生第一粗同步，使得通過所述ASD方法僅僅還使剩余誤差最小化。
現(xiàn)在更詳細(xì)地解釋在現(xiàn)有技術(shù)中所公開的、用于分散組織的網(wǎng)絡(luò)的時間同步的不同方法。


圖1示例性地示出分散組織的網(wǎng)絡(luò)1，在該網(wǎng)絡(luò)中多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點2借助通信線路3相互連接。在此情況下假定，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都配備有計數(shù)器，該計數(shù)器以重復(fù)的方式從零直至最大值來對時間步長計數(shù)。在此情況下，在零和所述最大值之間的計數(shù)值的整個間隔對應(yīng)于TDMA幀之內(nèi)的時隙的持續(xù)時間，其中單個時隙的持續(xù)時間決定分辨率，利用該分辨率可以分辨這樣的時隙。此外還假定，所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都采用相同的時隙持續(xù)時間(計數(shù)器的最大值)和相同的時間步長持續(xù)時間，而不考慮通常出現(xiàn)的漂移效應(yīng)和振蕩器頻率的細(xì)微偏差。
在圖2A和圖2B中示出了發(fā)送網(wǎng)絡(luò)節(jié)點4和接收網(wǎng)絡(luò)節(jié)點5的時隙(時間間隔)TS。在圖2A中發(fā)送網(wǎng)絡(luò)節(jié)點4的時間間隔TS相對于接收網(wǎng)絡(luò)節(jié)點5的時間間隔TS偏移了一個“偏移”值0。由發(fā)送網(wǎng)絡(luò)節(jié)點4所發(fā)送的數(shù)據(jù)分組6此外由于有限的光速才延遲地到達(dá)接收網(wǎng)絡(luò)節(jié)點5。在圖2A和2B中同樣示出了這種延遲D。偏移0和延遲D共同縮減時間間隔TS的可用于傳輸數(shù)據(jù)分組6的時間，這導(dǎo)致帶寬損失。在圖2B中示出了一個狀態(tài)，其中帶寬損失僅僅源自于基于信號的有限的傳輸時間的延遲，也即偏移是零。換句話說，圖2B示出這樣的情況，在該情況中發(fā)送網(wǎng)絡(luò)節(jié)點4和接收網(wǎng)絡(luò)節(jié)點5以最佳的方式相互時間同步。帶寬損失的下限仍然由傳播延遲D產(chǎn)生。
分散組織的網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時間同步基于數(shù)據(jù)分組6的交換，所述數(shù)據(jù)分組6說明在傳輸開始時發(fā)送網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的計數(shù)器的狀態(tài)。下面網(wǎng)絡(luò)節(jié)點i的計數(shù)器在(離散的)時間間隔t的本地時間被稱作τt，i。該本地時間的絕對值對于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時間同步是不重要的，因為只有時間差才具有實際的意義。如從圖2A中所得出的，在時間間隔t從發(fā)送節(jié)點k接收同步信號的接收節(jié)點i測量相對時間差Δt，ik，其中該相對時間差Δt，ik由發(fā)送器k在時間間隔t內(nèi)的本地時間τt，k與接收器i在時間間隔t內(nèi)的本地時間τt，i之間的差、以及傳播延遲tdelay(以及必要時由漂移效應(yīng)或振蕩器波動所造成的延遲)得出。在該傳播延遲中也可以包含發(fā)送器或接收器中的(例如用于編碼/解碼的)處理時間。在數(shù)學(xué)上這可以通過以下的等式來表達(dá)Δt,ik(0)=τt,k-τt,i+tdelay]]>Δt,ik=(Δt,ik(0),wenn|Δt,ik(0)|≤τmax2τmax-Δt,ik(0),wenn|Δt,ik(0)|>τmax2)]]>其中在上面的相對時間差Δt，ik的等式中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點i、k的兩個計數(shù)器如此來定義，使得針對大于τmax/2的差定義相對于整個時間間隔的互補值。
在S.Hoff等人的上述出版物中所描述的LRS方法中，如果所述偏移大于容差值tol，那么網(wǎng)絡(luò)節(jié)點i就與節(jié)點k的最后所接收的同步時間同步。這可以通過以下等式來表示τt+1，i＝τt，i+ηtΔt，ikηt＝θ(|Δt，ik|-tol)在此情況下θ(x)是階梯函數(shù)，該函數(shù)對于負(fù)的自變量來說為0，而對于正的自變量來說為1。顯然在該時間同步方法中匹配速率ηt要么為0要么為1。
在作為中值濾波器方法而被公開的、分散組織的網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時間同步中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在時間窗口內(nèi)收集所有被接收的同步時間。在該間隔之后使該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點匹配于中值。該算法在靜態(tài)相鄰時使帶寬損失最小化。為了解釋該算法，考慮這樣的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有計數(shù)器讀數(shù)(本地時間)τ0，其中該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點被k個具有計數(shù)器讀數(shù)τi，i＝1，...，k的鄰居包圍。平均損失L在此通過下式來給出L=Σi=1k|τi-τ0|]]>=Σi,τ1>τ0(τi-τ0)+Σi,τ1<τ0(τ0-τi)]]>=Σi,τ1>τ0τi-Σi,τ1<τ0τi+(Σi,τ1<τ0-Σi,τ1>τ0)τ0]]>只要τ0的變化不超過值τi，則作為τ0的函數(shù)的L的斜率僅僅依賴于具有＜τ0的計數(shù)器值的鄰居的數(shù)量和具有＞τ0的計數(shù)器值的鄰居的數(shù)量之間的差。如果所述差為零，那么所述斜率改變其符號。這意味著，如果選擇τ0＝Median({τi})，則L被最小化。
在現(xiàn)有技術(shù)中所公開的、用于對分散組織的網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行時間同步的另一種方法是所謂的“指數(shù)平滑”。在此，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點固定的匹配速率η來對所接收的同步時間進行匹配，也就是說只有當(dāng)計數(shù)器偏移超過確定的容差時才進行匹配。這可以通過以下等式來表達(dá)τt+k，i＝τt，i+ηθ(|Δt，ik|-tol)Δt，ik最后可以采用作為卡爾曼濾波器所公開的、用于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時間同步的方法。在該方法中采用靜態(tài)的計數(shù)器偏移以及對應(yīng)于所接收的同步信號的測量。因此，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點以依賴于所接收的同步信號的頻率的速率對所接收的同步時間進行匹配。這可以通過以下等式來表達(dá)st+1，i＝st，i+q，在每個時間步長中Kt+1,i=St+1,iSt+1,i+1]]>τt+1，i＝τt，i+Kt+1，iΔt，ikst+1，i＝(1-Kt+1，i)St+1，i這意味著，所述頻率越高，匹配速率就越低。
針對這些不同的方法執(zhí)行了計算模擬。對于這些模擬計算來說，時間t被看作是離散的并因此通過整數(shù)來表示。由每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都假定了，它具有由計數(shù)器所定義的本地時間。由于合理性的原因，假定了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的本地時間的偏移具有在0和1之間的間隔內(nèi)的值。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點k不時地將它的當(dāng)前時間τt，k通知給它的目前的鄰居。這對于每個離散的時間步長以概率tb來實現(xiàn)。然而，只有當(dāng)所有其他鄰居和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點自身不同時進行傳輸時，該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點才接收到來自鄰居的同步信號。假定同步信號的傳播需要時間。傳播延遲時間的平均值在此被表示為tdelay。為了進行模擬，把計數(shù)器間隔的為0.02的一小部分假定為傳播延遲時間。該通信時間的偏差和可能由于硬件可變性而產(chǎn)生的漂移效應(yīng)通過具有平均值0的隨機延遲ε和標(biāo)準(zhǔn)偏差σc來考慮。針對該隨機延遲，假定計數(shù)器間隔的為0.005的值。該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點基于所測量的計數(shù)器差Δt，ik＝τt，k+tdelay+ε-τt，i根據(jù)所選擇的同步方法來匹配其自己的計數(shù)器的狀態(tài)τt，i。
首先考慮了具有時變拓?fù)涞?、由n＝20個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)。開始時，該網(wǎng)絡(luò)的所有可能的連接的10％被選擇為是有效的。在模擬期間，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的所有可能的連接中以每個時間步長0.01的概率來去除連接，而以每個時間步長0.001的概率來添加連接。如果完全隨機地選擇去除一個不存在的連接或添加一個存在的連接，那么該方法是沒有影響的。因此，每個步長去除一個存在的連接的概率為0.01×0.1＝0.001，其中選擇一個有效連接的概率為0.1。同樣，每個時間步長添加一個不存在的連接的概率為0.001×0.9＝0.0009，其中完成一個無效連接的概率為0.9。因此，連接的總數(shù)基本上保持恒定，且該網(wǎng)絡(luò)在每個時刻都平均由大約5±2個網(wǎng)絡(luò)群集組成。
一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點每個時間間隔以概率t傳輸同步信號。但是，只有當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點自身不進行傳輸時并且只有當(dāng)其鄰居中的單個鄰居傳輸時，它才可以接收同步信號。
針對上述算法中的每一種，對于每組參數(shù)值都通過1.000的時間步長執(zhí)行了M＝30次模擬。針對每次模擬都確定了實際的損失L總是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點i從網(wǎng)絡(luò)節(jié)點k接收到同步時間信號時，它才確定該連接的損失|Δt，ik|并保持該值直到(通常來自另一網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的)下一信號被接收。依賴于時間的平均損失于是作為所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的實際損失值的平均值而被計算。最后M＝30次獨立模擬的平均損失L平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差在所附的曲線中被示出。
同步時間ST是根據(jù)平均損失時間序列來確定的。為此，標(biāo)記出了所有的時間，在這些時間上平均損失L從0.1之上下降到0.1之下。所述同步時間ST作為所標(biāo)記的時間的平均值被計算。顯然，權(quán)重的大多數(shù)都應(yīng)當(dāng)集中于損失L下降到0.1之下的時間間隔中。這種模擬被稱為“隨機動態(tài)網(wǎng)絡(luò)”。
在現(xiàn)有技術(shù)中所公開的上述方法的這種計算模擬的結(jié)果在圖3A、3B、4A、4B、5A、5B、6A和6B中被示出。圖3A和3B示出在所述LRS方法中作為隨機動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的容差閾值tol的函數(shù)的平均損失L以及同步時間ST。誤差線(Fehlerbalken)給出平均值±1標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖4A和4B示出了在所述中值濾波器方法中作為隨機動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的探測窗口大小的函數(shù)的平均損失L以及同步時間ST。這里，誤差線給出平均值±1標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖5A和5B示出在所述指數(shù)平滑方法中作為隨機動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的匹配速率η的函數(shù)的平均損失L以及同步時間ST。這里，誤差線給出平均值±1標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖6A和6B示出在所述卡爾曼濾波器方法中作為隨機動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的不確定性增長率q的函數(shù)的平均損失L以及同步時間ST。在此，三條線對模擬結(jié)果進行內(nèi)插，其中中間的線給出平均值，上面的線和下面的線給出±1標(biāo)準(zhǔn)偏差。
此外還針對在現(xiàn)有技術(shù)中所公開的上述方法執(zhí)行了計算模擬，其中在使用柵格拓?fù)涞那闆r下融合子網(wǎng)絡(luò)。尤其研究了兩個單獨同步的子網(wǎng)絡(luò)的情況，其中這兩個子網(wǎng)絡(luò)沿邊界線相互融合。為此，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點被布置在具有LxL個組的平方柵格上，其中除了邊界線之外，對于每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點來說都存在四個至最接近的鄰居的連接。該柵格的左半部分具有共同的計數(shù)器偏移Δτ1＝0.5，而該柵格的右半部分具有計數(shù)器偏移Δτ2＝0。又只有當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點自身不進行傳輸并且僅僅其鄰居之一進行傳輸時，該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點才在該模擬中接收到同步信號。一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點每個時間間隔以概率tb進行傳輸。
這些計算模擬的結(jié)果在圖3C、3D、4C、4D、5C、5D、6C和6D中被示出。圖3C和3D示出在LRS方法中作為柵格網(wǎng)絡(luò)的容差閾值tol的函數(shù)的平均損失L以及同步時間ST。誤差線給出平均值±1標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖4C和4D示出在中值濾波器方法中作為柵格網(wǎng)絡(luò)的探測窗口大小WS的函數(shù)的平均損失L以及同步時間ST。誤差線在此情況下給出平均值±1標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖5C和5D示出在指數(shù)平滑方法中作為柵格網(wǎng)絡(luò)的匹配速率η的函數(shù)的平均損失L以及同步時間ST。誤差線在此情況下給出平均值±1標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖6C和6D示出在所述卡爾曼濾波器方法中作為柵格網(wǎng)絡(luò)的不確定性增長率q的函數(shù)的平均損失L以及同步時間ST。三條線對內(nèi)插結(jié)果進行內(nèi)插，其中中間的線表示平均值，而上面的線和下面的線給出±1標(biāo)準(zhǔn)偏差。
如果將現(xiàn)有技術(shù)中所公開的方法相互比較，那么就在最大匹配速率時的特性而言能夠確定具有η＝1的匹配速率的LRS、TMS方法或者指數(shù)平滑立即復(fù)制進行傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)節(jié)點的計數(shù)器狀態(tài)連同漂移延遲和傳播延遲。如果忽略這些附加效應(yīng)，那么利用這些方法的同步就意味著在計數(shù)器的不同狀態(tài)下的競爭，其中僅僅一個幸免于難并且最終占用所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。例如應(yīng)當(dāng)考慮具有融合的網(wǎng)絡(luò)的柵格拓?fù)洹Ｔ诖司哂袃蓚€不同的同步點-一個同步點用于左半部分，另一個與之不同的同步點用于右半部分。在全匹配速率的情況下的同步意味著在兩個子網(wǎng)絡(luò)之間的邊界上一些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點轉(zhuǎn)換到另一同步點。由于隨機的發(fā)送器失效過程而使同步點的島嶼(Inseln)增大或收縮。最后所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有相同的同步點。然而該過程可以持續(xù)任意長的時間。如漂移延遲和傳播延遲之類的效應(yīng)導(dǎo)致同步點分布的平滑并且因此導(dǎo)致每個群集的減小，這支持比較快速的同步。如從上述圖中可以看出的，在全匹配速率的情況下(LRS方法、中值濾波器方法、在η＝1時的指數(shù)平滑、在Mq情況下的卡爾曼濾波器方法)觀測到具有大的標(biāo)準(zhǔn)偏差的長的同步時間。如果在效率、也即在平均損失L和同步時間ST方面對所述模擬進行比較，那么可識別出最佳的η和q值，但是這些值必須事先被確定，這在實踐中被證明是困難的，并且這些方法僅僅有條件地適用于實際應(yīng)用。因此總之可以確定現(xiàn)有技術(shù)中所公開的方法顯示出大的參數(shù)依賴性，這使就損失L而言的優(yōu)化變得困難或者需要費事的校準(zhǔn)。此外，現(xiàn)有技術(shù)中所公開的方法具有相對長的同步時間ST。
與此相反，本發(fā)明的任務(wù)在于給出一種用于分散組織的網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時間同步的方法，利用該方法可以避免現(xiàn)有技術(shù)中所公開的方法的缺點。該任務(wù)根據(jù)本發(fā)明的建議通過根據(jù)權(quán)利要求1的方法來解決。本發(fā)明的有利的擴展方案由從屬權(quán)利要求的特征來給出。
根據(jù)本發(fā)明，示出了一種用于分散組織的、具有多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)的時間同步的方法，其中所述網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過用于交換信息的通信連接相連接，并適于傳輸信息分組。每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在此都具有用于定義被劃分為周期性的時間分隔的本地時間τ的本地計數(shù)器，該本地時間與在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間所傳輸?shù)男畔⒎纸M一起被傳輸。本發(fā)明方法的一個重要特征在于，收到了信息分組的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點i在時間間隔t+1中的本地時間τt+1，i被相位偏移一個量值Δτt+1，i，其中該信息分組包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點k在時間間隔t中的本地時間τt，k。所述量值Δτt+1，i在此情況下由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點i在時間間隔t中的本地時間τt，i與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點k在時間間隔t中的本地時間τt，k的差Δτt，ik根據(jù)下式來得出st+1，i＝(1-η)st，i+ηθ(|Δt，ik|-tol)Δτt+1，i＝st+1，iΔτt，ik其中st+1，i是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點i在時間間隔t+1中的同步參數(shù)s的值，而st，i是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點i在時間間隔t中的同步參數(shù)s的值；θ是階梯函數(shù)，該階梯函數(shù)對于正的自變量來說取值1，而對于負(fù)的自變量來說取值0；η是在0≤η＜1的范圍內(nèi)可選的參數(shù)；tol是可選的容差閾值。
所述容差閾值tol的特定大小的選擇大大依賴于所期望的應(yīng)用。所述容差閾值tol在此可以處于幾分鐘、幾毫秒或幾毫微秒的范圍內(nèi)，這取決于在根據(jù)本發(fā)明的方法中期望哪個精度。無論如何都應(yīng)當(dāng)如此來選擇所述容差閾值，使得它大于時間間隔t的長度而且還大于傳播延遲tdelay。
所述同步參數(shù)s是不同步的相鄰網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的一部分的內(nèi)部存儲器。在根據(jù)本發(fā)明的、被稱為LSE(“Learning from SynchronizationErrors(從同步誤差中學(xué)習(xí))”)方法中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點以某一速率匹配于正好發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的計數(shù)器。該匹配速率被學(xué)習(xí)，并且節(jié)點的同步誤差越大，該速率就越大。根據(jù)本發(fā)明的LSE方法有利地不需要固定的時間間隔，并且因此可以普遍被采用。此外兩個自由參數(shù)η、tol的選擇是要求不高的。該方法可靠地收斂，并且剩余誤差(損失L)是最小的，使得可以有利地放棄時間提前(Time-Advance)方法，其中通過該時間提前方法可以校正傳播時間延遲tdelay。在本發(fā)明的一個有利的擴展方案中，參數(shù)η從0.1≤η≤0.8的范圍內(nèi)選擇。
如果網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是移動站，使得網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個移動無線電網(wǎng)絡(luò)、尤其adhoc無線電網(wǎng)絡(luò)，那么可以尤其有利地采用根據(jù)本發(fā)明的方法。然而同樣也可以通過電氣連接線路來相互連接網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點以交換信息。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中，可以有利地非常簡單地將其他的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點加入該網(wǎng)絡(luò)中或使其從該網(wǎng)絡(luò)中退出。同樣可以使多個網(wǎng)絡(luò)相互融合，或者使網(wǎng)絡(luò)從現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)中分離出。本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)例如可以是傳感器網(wǎng)絡(luò)。
現(xiàn)在對本發(fā)明進行更詳細(xì)的解釋，其中參考附圖。
圖1示出具有通過通信連接相連接的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)的示意圖；圖2A示意性地示出發(fā)送器時隙相對于接收器時隙的相位偏移，該相位偏移由發(fā)送器和接收器的計數(shù)器的偏移以及信號傳播時間延遲產(chǎn)生；圖2B示意性地示出發(fā)送器時隙相對于接收器時隙的相位偏移，該相位偏移在偏移為零的情況下僅僅由信號傳播時間延遲產(chǎn)生；圖3A-3D示出LRS方法的計算模擬的結(jié)果；圖4A-4D示出中值濾波器方法的計算模擬的結(jié)果；圖5A-5D示出指數(shù)平滑方法的計算模擬的結(jié)果；圖6A-6D示出卡爾曼濾波器方法的計算模擬的結(jié)果；圖7A-7D示出根據(jù)本發(fā)明的LSE方法的計算模擬的結(jié)果；圖8示出利用根據(jù)本發(fā)明的LSE方法的時間同步實驗的結(jié)果。
圖1-6D在開頭已經(jīng)解釋了，因此在此不必再進一步對其進行探討。圖7A-7D示出根據(jù)本發(fā)明的LSE方法的計算模擬的結(jié)果，該LSE方法以與在現(xiàn)有技術(shù)中所公開的方法的情況下相同的方式被執(zhí)行，其中現(xiàn)有技術(shù)中所公開的方法的結(jié)果在圖3A-6D中被示出。在此參考在那里為了執(zhí)行計算模擬所進行的實施方案。
圖7A和7B在此情況下對應(yīng)于由N＝20個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成的、具有時變拓?fù)涞碾S機動態(tài)網(wǎng)絡(luò)。圖7C和7D對應(yīng)于在使用柵格拓?fù)涞那闆r下融合的子網(wǎng)絡(luò)。
圖7A示出依賴于參數(shù)η的損失L的圖示。如從圖7A可以獲悉，利用根據(jù)本發(fā)明的LSE方法可以在參數(shù)η的可選擇值的幾乎整個范圍上獲得大約0.025的顯著低的平均損失L。因此從圖7A中尤其可以獲悉，在0.1≤η≤0.8的范圍內(nèi)平均損失L出現(xiàn)在大約0.024至0.026的范圍內(nèi)。這樣低的平均損失L由現(xiàn)有技術(shù)中所公開的指數(shù)平滑方法然而僅僅針對η＝0.8以及由卡爾曼濾波器方法然而僅僅針對q≈0.1來實現(xiàn)，其中這些參數(shù)必須事先被確定。與此相反，在根據(jù)本發(fā)明的LSE方法中，可以在0.1和0.8之間任意地選擇參數(shù)η，以便在大約0.024和0.026之間的范圍內(nèi)的顯著低的平均損失L。該損失稍大于0.02的平均延遲，但明顯小于0.04、也即該值的兩倍。該值0.04是通過具有同步主機的集中式方案在無需另外一種附加的時間延遲方法的情況下可以實現(xiàn)的最小值。因此根據(jù)本發(fā)明的分散的同步算法能夠至少部分地補償傳播時間延遲。這意味著不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的計數(shù)器幾乎同步地運行(僅僅由于信號傳播所需的時間以及必要時由于振蕩器漂移和頻率彌散才出現(xiàn)損失)。
圖7B公開了幾乎在可選參數(shù)η的整個范圍上與現(xiàn)有技術(shù)所公開的方法相比非常微小的同步時間ST，其中該同步時間被定義為直至損失L下降到0.1之下的值的持續(xù)時間。
從圖7C中可以獲悉，在融合的子網(wǎng)絡(luò)的模擬中，在0.1和0.9之間的參數(shù)η的范圍內(nèi)也可以實現(xiàn)與現(xiàn)有技術(shù)所公開的時間同步方法相比非常低的、位于0.22至0.026的范圍內(nèi)的損失L。
如從圖7D可以獲悉的那樣，同步時間ST在該參數(shù)范圍期間是恒定低的。
總之可以確定，所述計算模擬令人印象深刻地證明，所述LSE方法與現(xiàn)有技術(shù)所公開的方法相比盡可能獨立于參數(shù)地具有非常低的損失L并在非常短的同步時間ST內(nèi)穩(wěn)定地收斂。因此所述LSE方法被證明是一種用于分散組織的網(wǎng)絡(luò)的時間同步的有效且穩(wěn)健的方案。
圖8示出在較切合實際的環(huán)境中所述LSE方法的模擬結(jié)果。為此目的研究了在慕尼黑瑪利亞廣場及其周圍的面積上100個行人的移動。移動性數(shù)據(jù)在采用行人動態(tài)的實際模型的情況下產(chǎn)生(參見E.Helbing的“Verkehrsdynamik-neue physikalischeModellierungskonzepte”(Springer-Verlag，柏林，海德堡，1997年，20頁以后)。針對無線電波傳播采用了25m的傳輸范圍。針對對應(yīng)于100秒的實時時間的10.000個時間步長進行了該模擬。
圖8示出作為時間t的函數(shù)的平均損失L，其中一個時間步長對應(yīng)于0.01秒。誤差線給出平均值±1標(biāo)準(zhǔn)偏差?？蓮膱D8中清楚獲悉損失L的平均值快速收斂到在計時器間隔的部分中所測量的大約10-12的值。該漸進值對應(yīng)于10-7秒，這接近于大約0.8×10-7秒的最大信號傳播時間延遲。如果事先重新連接(umgekoppelt)的網(wǎng)絡(luò)群集相互融合，那么該收斂僅僅受峰值干擾。
權(quán)利要求
1.用于分散組織的網(wǎng)絡(luò)的時間同步的方法，其中該網(wǎng)絡(luò)(1)包括多個通過通信連接(3)相連接的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(2)，這些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點適合于傳輸信息分組(6)，其中每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都具有用于定義被劃分為周期性的時間間隔的本地時間τ的本地計數(shù)器，該本地時間與在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間所傳輸?shù)男畔⒎纸M一起被傳輸，其特征在于，收到了信息分組的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點i在時間間隔t+1中的本地時間τt+1，i被相位偏移一個量值Δτt+1，i，其中該信息分組包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點k在時間間隔t中的本地時間τt，k，其中Δτt+1，i由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點i在時間間隔t中的本地時間τt，i與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點k在時間間隔t中的本地時間τt，k的差Δτt，ik根據(jù)下式來得出st+1，i＝(1-η)st，i+ηθ(|Δt，ik|-to1)Δτt+1，i＝st+1，iΔτt，ik其中st+1，i是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點i在時間間隔t+1中的同步參數(shù)s的值，而st，i是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點i在時間間隔t中的同步參數(shù)s的值；θ是階梯函數(shù)，該階梯函數(shù)對于正的自變量來說取值1，而對于負(fù)的自變量來說取值0；η是在范圍0≤η＜1內(nèi)可選的參數(shù)；to1是可選的容差閾值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述參數(shù)η位于范圍0.1≤η≤0.8內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述網(wǎng)絡(luò)包括移動站，并且尤其是移動adhoc網(wǎng)絡(luò)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述網(wǎng)絡(luò)是傳感器網(wǎng)絡(luò)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于分散組織的網(wǎng)絡(luò)的時間同步的方法，其中該網(wǎng)絡(luò)包括多個通過通信連接(3)相連接的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(2)，這些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點適合于傳輸信息分組，其中每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都具有用于定義被劃分為周期性的時間間隔的本地時間τ的本地計數(shù)器，該本地時間與在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間所傳輸?shù)男畔⒎纸M一起被傳輸。該方法的特征在于，收到了信息分組的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點i在時間間隔t+1中的本地時間τ
文檔編號H04J3/06GK1965283SQ200580018992
公開日2007年5月16日 申請日期2005年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月9日
發(fā)明者R·索拉徹 申請人:西門子公司