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【摘要】 本文针对面向ITS应用无线Mesh网络分布式多址接入对时间同步的要求，以及实际应用环境对网络同步的制约因素，通过对已有时间同步机制与技术的分析对比，具体研究在缺乏网络外部高精度同步时钟支持条件下，基于物理层参数解析的分布式WMN全网时间同步方法，给出了改进的无线MESH网网络节点时间同步方案，并就方案性能进行了仿真研究。
【关键词】 智能交通系统 无线Mesh网络 时间同步
在本文中，选取网络中的一个基站（BS，Base Station）作为时间主控节点。按照与主控节点间跳数距离的大小，每个BS会被分配一个时间等级，离主控节点越远等级就越低。每个BS通过接收等级高的BS节点同步分组来实现初始同步和同步跟踪。为了提高效率，快速实现全网时间同步，时间等级结构可在初始同步阶段随着BS的加入过程中逐步建立，不需要额外的节点等级建立过程。
一、时间同步协议
在逻辑线性的拓扑结构条件下，假设一个BS只和左右一跳范围内的两个BS通信，一跳之外的BS之间不会互相通信。为简化建立过程，从实际的角度出发，认为BS由人工逐个依次在网络覆盖区域布设并开机。
初始同步完成后，可以认为网络中的BS都有相同的即时时刻。因为各个BS的本地时钟的时间速率会有差别，时钟漂移必然会导致各个BS的本地时间出现偏差。在系统正常运行期间需要周期性的再同步，使各个BS的时间偏差保持在可容忍的范围内。
二、保护带的设计
为了消除时间偏差对TDMA接入的影响，除了周期性的同步跟踪外，还需要在时隙之间插入保护带。这样，一个时隙的长度Tslot应该由两部分组成：保护带长度Tg和实际用于传输数据的长度Td。为了实现无冲突传输，保护带的长度要能容纳三部分：传输时延、时间基准偏差和时钟漂移偏差。
2.1 传输时延的估计
由于同步分组在组装产生和MAC接入过程的时间有很大的不确定性，将发送时延和接入时延统一用发送处理时延表示；同样，对接收端的处理时延主要考虑接收通道中的时延和缓冲区里等待的时延。
2.2 时间基准偏差
在无线Mesh网的多跳环境下，随着BS与主控节点的跳数增加，时间基准偏差也会相应的增大。网络中第K跳BS和主控节点间的时间基准偏差为t，在最坏情况下的基准偏差为：t=K·Δ
t+Δ
t
2.3 时钟漂移偏差的估计
由于时钟漂移，随着系统的运行，各个BS之间的本地时间会渐渐偏离，需要周期性的进行全网同步来维持BS本地时间的偏差范围。假设晶振的精度误差为δppm，则经过时间T（单位：s）后，时间偏移（单位：μs）为：
tdrift=δ·T
2.4 保护带长度
通过以上三部分的分析和计算，可以得到为避免冲突发生所需要的保护带长度：
Tg≥t+tdrift+tdelay
可以看出，由时钟漂移引起的时间偏移和两次同步时间间隔成正比。如果缩短同步间隔或者提高晶振的精度，则可以减小时间偏移，进而减小保护带长度增加时隙利用率，实际应用中需要在成本和性能之间做一个折中。
三、性能仿真分析
本节各种误差进行仿真分析，仿真参数采用OFDM基带流程的参数。现将参数重新列于表1中。
3.1 主控节点处于网络中间位置
考虑系统在最优化条件，即主控节点位于线性结构网络中间时的情况，则网络中节点间最大跳数为5跳。
图1为时间基准偏差和跳数的关系，图中显示的是100次仿真的叠加效果。在实际设计保护带时，可以根据多次测量的值进行来选择基准偏差的大小以提高时隙利用率。
为了能更清楚的分析网络跳数和基准偏差的关系，图2计算了100次仿真结果的平均值。从图2中可以很清楚的看到，随着跳数的增加，时间基准偏差的变化趋势是不断增大。
3.2 主控节点处于网络端点
考虑系统在差条件，即主控节点位于线性结构网络端点时的情况，则网络中节点间最大跳数为10跳。
图3为时间基准偏差和跳数的关系，图中显示的是100次仿真的叠加效果。在实际设计保护带时，可以根据多次测量的值进行来选择基准偏差的大小以提高时隙利用率。
为了能更清楚的分析网络跳数和基准偏差的关系，图4计算了100次仿真结果的平均值。从图4中可以很清楚的看到，随着跳数的增加，时间基准偏差的变化趋势是不断增大。
四、结束语
无线Mesh网通信系统以智能交通系统等场合为背景，实现一个覆盖范围广、搭建灵活、不受地理和有线通信条件制约的宽带通信支撑网络。本文针对本系统的TDMA接入方式，给出了一种基于物理层参数解析的全网时间同步方案。对方案的初始时间同步方式和时间跟踪维护方式进行了阐述，分析了方案的各部分误差，并给出保护带的计算方法，通过仿真分析了方案的性能，给出了在10跳的网络规模下的保护带设计。在后续的研究中，需要更加复杂完善的全网同步机制，选择更合适的分布模型以得到的更好的误差值。
参 考 文 献
[1] 杨春明. 无线传感器网络时间同步算法的研究[D]. 合肥：中国科学技术大学通信与信息系统专业，2008
[2] 李天文. GPS原理及应用[M]. 北京：国防工业出版社，2004.6，41～48.
[3] 程利娟. 无线传感器网络时间同步算法研究[D]. 西安：西北工业大学计算机科学与技术专业，2007
[4] 赵建军. 低开销无线传感器网络时间同步研究[D]. 西安：计算机应用专业，2007
【关键词】 智能交通系统 无线Mesh网络 时间同步
在本文中，选取网络中的一个基站（BS，Base Station）作为时间主控节点。按照与主控节点间跳数距离的大小，每个BS会被分配一个时间等级，离主控节点越远等级就越低。每个BS通过接收等级高的BS节点同步分组来实现初始同步和同步跟踪。为了提高效率，快速实现全网时间同步，时间等级结构可在初始同步阶段随着BS的加入过程中逐步建立，不需要额外的节点等级建立过程。
一、时间同步协议
在逻辑线性的拓扑结构条件下，假设一个BS只和左右一跳范围内的两个BS通信，一跳之外的BS之间不会互相通信。为简化建立过程，从实际的角度出发，认为BS由人工逐个依次在网络覆盖区域布设并开机。
初始同步完成后，可以认为网络中的BS都有相同的即时时刻。因为各个BS的本地时钟的时间速率会有差别，时钟漂移必然会导致各个BS的本地时间出现偏差。在系统正常运行期间需要周期性的再同步，使各个BS的时间偏差保持在可容忍的范围内。
二、保护带的设计
为了消除时间偏差对TDMA接入的影响，除了周期性的同步跟踪外，还需要在时隙之间插入保护带。这样，一个时隙的长度Tslot应该由两部分组成：保护带长度Tg和实际用于传输数据的长度Td。为了实现无冲突传输，保护带的长度要能容纳三部分：传输时延、时间基准偏差和时钟漂移偏差。
2.1 传输时延的估计
由于同步分组在组装产生和MAC接入过程的时间有很大的不确定性，将发送时延和接入时延统一用发送处理时延表示；同样，对接收端的处理时延主要考虑接收通道中的时延和缓冲区里等待的时延。
2.2 时间基准偏差
在无线Mesh网的多跳环境下，随着BS与主控节点的跳数增加，时间基准偏差也会相应的增大。网络中第K跳BS和主控节点间的时间基准偏差为t，在最坏情况下的基准偏差为：t=K·Δ
t+Δ
t
2.3 时钟漂移偏差的估计
由于时钟漂移，随着系统的运行，各个BS之间的本地时间会渐渐偏离，需要周期性的进行全网同步来维持BS本地时间的偏差范围。假设晶振的精度误差为δppm，则经过时间T（单位：s）后，时间偏移（单位：μs）为：
tdrift=δ·T
2.4 保护带长度
通过以上三部分的分析和计算，可以得到为避免冲突发生所需要的保护带长度：
Tg≥t+tdrift+tdelay
可以看出，由时钟漂移引起的时间偏移和两次同步时间间隔成正比。如果缩短同步间隔或者提高晶振的精度，则可以减小时间偏移，进而减小保护带长度增加时隙利用率，实际应用中需要在成本和性能之间做一个折中。
三、性能仿真分析
本节各种误差进行仿真分析，仿真参数采用OFDM基带流程的参数。现将参数重新列于表1中。
3.1 主控节点处于网络中间位置
考虑系统在最优化条件，即主控节点位于线性结构网络中间时的情况，则网络中节点间最大跳数为5跳。
图1为时间基准偏差和跳数的关系，图中显示的是100次仿真的叠加效果。在实际设计保护带时，可以根据多次测量的值进行来选择基准偏差的大小以提高时隙利用率。
为了能更清楚的分析网络跳数和基准偏差的关系，图2计算了100次仿真结果的平均值。从图2中可以很清楚的看到，随着跳数的增加，时间基准偏差的变化趋势是不断增大。
3.2 主控节点处于网络端点
考虑系统在差条件，即主控节点位于线性结构网络端点时的情况，则网络中节点间最大跳数为10跳。
图3为时间基准偏差和跳数的关系，图中显示的是100次仿真的叠加效果。在实际设计保护带时，可以根据多次测量的值进行来选择基准偏差的大小以提高时隙利用率。
为了能更清楚的分析网络跳数和基准偏差的关系，图4计算了100次仿真结果的平均值。从图4中可以很清楚的看到，随着跳数的增加，时间基准偏差的变化趋势是不断增大。
四、结束语
无线Mesh网通信系统以智能交通系统等场合为背景，实现一个覆盖范围广、搭建灵活、不受地理和有线通信条件制约的宽带通信支撑网络。本文针对本系统的TDMA接入方式，给出了一种基于物理层参数解析的全网时间同步方案。对方案的初始时间同步方式和时间跟踪维护方式进行了阐述，分析了方案的各部分误差，并给出保护带的计算方法，通过仿真分析了方案的性能，给出了在10跳的网络规模下的保护带设计。在后续的研究中，需要更加复杂完善的全网同步机制，选择更合适的分布模型以得到的更好的误差值。
参 考 文 献
[1] 杨春明. 无线传感器网络时间同步算法的研究[D]. 合肥：中国科学技术大学通信与信息系统专业，2008
[2] 李天文. GPS原理及应用[M]. 北京：国防工业出版社，2004.6，41～48.
[3] 程利娟. 无线传感器网络时间同步算法研究[D]. 西安：西北工业大学计算机科学与技术专业，2007
[4] 赵建军. 低开销无线传感器网络时间同步研究[D]. 西安：计算机应用专业，2007