Network Synchronization for Two-way Multi-hop Relay Networks with Block Modulation

1. Network Synchronization for Two-way Multi-hop Relay Networks with Block Modulation Keiichi Mizutani1, Kei Sakaguchi1 and Kiyomichi Araki1 1Graduate School of Science and Engineering, Tokyo Institute of Technology Ookayama 2-12-1, Meguro, Tokyo, Japan, 152–8552 指導教授：郭文興 學 生：吳順雄

2. Abstract 本文在一個以TDD / TDMA為基礎的雙向多跳中繼網路中，提出新的時效網路同步計畫。 第一個提出的方案是以廣播( BC )定時同步為基礎。 由於這個方案會在每個接收端造成網路同步的錯誤，所以必須有額外的保護區隔( GI )去補償錯誤。 第二個提出的計畫是同時以廣播( BC )與多重處理( MA )定時同步為基礎。 而第二個方案不但不需要保護區隔( GI )，當每個框架有100個符號時，無論任何的節點安排或是頻帶寬都可以達到98.8%的時效。

3. Outline • Introduction • TWO-WAY MULTI-HOP RELAY NETWORKS • BC TIMING BASED NETWORK SYNC SCHEME • Proposed scheme with absolute time synchronization • Proposed scheme with relative time synchronization • BC AND MA TIMING BASED NETWORK SYNC SCHEME • Protocols • Time efficiency • EVALUATION OF TIME EFFICIENCY • CONCLUSION

4. INTRODUCTION • 由於無線多跳中繼網路可以當成感測網路以及公用網路的骨幹網路，因此高效率的多跳中繼網路最近也受到注意。 • 以 CSMA/CA 和 TDD/TDMA 為基礎的 MIMO/陣列天線 或 網路編碼 已經被研究為高效率多跳中繼網路。 • 像是 OFDM 和 SC-FDE 等區塊調變方案也已經被研究為高效率的調變方案。 • 因此，未來使用在區塊調變方案的將會是以two-way的多跳中繼網路為基礎的 CSMA/CA 和 TDD/TDMA。

5. INTRODUCTION 在這些多跳中繼網路中，必須在每個節點做傳送和接收的排程 (網路同步) ，尤其是在物理層，更需要精準的網路同步。 BC 和 MA 分別在傳送端和接收端操作，但是非同步的MA在區塊調變的部分會造成符元間的干擾(ISI)以及載波間的干擾(ICI)。 在之前的研究中，以GPS為基礎的絕對時間同步方案和相對時間同步方案，像是 RBS、TPSN、FTSP 都已經提出了，而這些方案都實現在 MAC 層的處理中。 但是 FTSP 每完成1跳就會造成1us的延遲，11跳會造成67us的延遲。 因此要有高效率的多跳中繼網路，物理層也必須要同步。

6. INTRODUCTION • 這些方案並不是設計成 two-way 的拓樸，而是 one-way，但是使用 BC 和 MA 做為 two-way 拓樸的網路同步計畫還沒被研究過。 • 這篇文章為具有TDD/TDMA基礎的區塊調變的 two-way 多跳中繼網路為提出了新的時效網路同步方案。 • 其中一個是建構於 BC 時機同步，在每個節點的傳送時機同步成一些參考的絕對訊號或相對訊號。 • 因為這個方案會在每個接收端造成網路同步的錯誤，所以必須加上 GI 來補償錯誤。 • 另一個方案是建構於 BC 和 MA 一起的時機同步，在每個傳送端的傳送時機被調整成在每個接收端都是two-way 的同步加上 BC 時機同步。 • 而這個方案在每個節點調整成可減少網路同步的錯誤，所以不需要 GI 來補償。

7. TWO-WAY MULTI-HOP RELAY NETWORKS • 以 TDD/TDMA 為基礎的 two-way 多跳中繼網路如圖1、2：

8. TWO-WAY MULTI-HOP RELAY NETWORKS • 在第一個相位，奇數節點是傳送端，偶數節點是接收端，在第二個相位時，傳送和接收相反。 • 每個傳送端和接收端分別執行 BC 和 MA。 • 典型的執行作法有使用波束技術的 MIMO two-way 多跳中繼網路( 圖1)，以及 MIMO 網路編碼( 圖2)。 • 為了避免跨流干擾，陣列波束被使用在 MIMO two-way 多跳中繼網路，或是網路編碼被使用在 MIMO 網路編碼。 • 因為傳送端和接收端在網路上執行 BC 和 MA，所以需要在各個節點上做網路同步計畫。

9. BC TIMING BASED NETWORK SYNC SCHEME • 在這個方案中，每個節點的本地時間都會被 絕對時間 或 相對時間 同步化。 • 在絕對時間同步中，每個節點的本地時間都同步成GPS。 • 在相對時間同步中，每個節點的本地時間都同步成從主節點傳送出來的信標訊號。 • 假設第 I 個節點的本地時間的絕對和相對時間同步為 和 ，參考的全球時間為 ，其中 ， 是節點的數量。 • 在絕對時間同步中，所有節點的本地時間和全球時間是一樣的。

10. BC TIMING BASED NETWORK SYNC SCHEME • 在相對時間同步中，在每個節點的本地時間和全球時間之間會產生一種由飛行時間(TOF)造成的延遲。 • 是從第( i-1 )個節點到第 i 個節點的 TOF，而主節點就是第一個節點。

11. BC TIMING BASED NETWORK SYNC SCHEME A. Proposed scheme with absolute time synchronization • 圖3 表示了絕對時間同步的計畫。

12. BC TIMING BASED NETWORK SYNC SCHEME A. Proposed scheme with absolute time synchronization • 在這個例子中，每個傳送端的 BC 時間調整成全球時間。 • 當每個傳送端的節點 時，節點傳送訊號。 • 假設這個例子的第( i-1 )和第( i+1 )個節點是傳送端，第 i 個節點是接收端，在第 i 個節點的到達時間可表示為 • 是訊號從第 j 個節點到第 i 個節點的到達時間( 全球時間 )。

13. BC TIMING BASED NETWORK SYNC SCHEME A. Proposed scheme with absolute time synchronization • 因此，在第 i 個節點 到達的時間不同( 網路同步錯誤 ) 可以表示為 • 一般來說，GI 的持續時間是用來容忍最大延遲傳播，但是當網路同步錯誤比 GI 還大時，就會發生框架同步錯誤，也就會造成 ISI 和 ICI。 • 為了補償錯誤，額外的 GI 應該加入 • 是額外的 GI 的持續時間。

14. BC TIMING BASED NETWORK SYNC SCHEME A. Proposed scheme with absolute time synchronization • 在這個例子中，時間效率 可以表示為 • 其中， 是每個框架裡的符號數， 是相位的持續時間， 是相位中的框架的持續時間， 是 FFT 的持續時間。 • 是 GI 的持續時間， 是最大延遲傳播。

15. BC TIMING BASED NETWORK SYNC SCHEME B. Proposed scheme with relative time synchronization • 圖4 表示了相對時間同步的計畫。

16. BC TIMING BASED NETWORK SYNC SCHEME B. Proposed scheme with relative time synchronization • 在這個例子中，每個傳送端的BC調整成本地時間。 • 當每個節點的 時，節點傳送訊號。 • 假設第( i-1 )和第( i+1 )個節點是傳送端，第 i 個節點是接收端，在第 i 個節點的訊號到達時間可表示為 • 其中

17. BC TIMING BASED NETWORK SYNC SCHEME B. Proposed scheme with relative time synchronization • 因此在第 i 個節點 的網路同步錯誤可表示為 • 其中， 是假設的。

18. BC TIMING BASED NETWORK SYNC SCHEME B. Proposed scheme with relative time synchronization • 當向後的 TOF 在相位中是最大值時，網路同步錯誤也會變成最大值。 • 所以，在第一相位和第二相位之間的網路同步錯誤最大值是不一樣的。 • 和 是網路同步錯誤最大值和向後的 TOF 在第 j 個相位的最大值。

19. BC TIMING BASED NETWORK SYNC SCHEME B. Proposed scheme with relative time synchronization • 因此，在第一相位和第二相位的額外 GI 就可以求出 • 在這個例子中，時間效率 可以表示為

20. BC AND MA TIMING BASED NETWORK SYNC SCHEME • 第二個提出的方案就是 BC 和 MA 一起時間同步。 • 因為不需要額外的 GI，所以時間效率也因為減少了網路同步錯誤而改善。

21. BC AND MA TIMING BASED NETWORK SYNC SCHEME • 相位的持續時間定義為 • 是相位數 ， 是在第 j 個相位中的之前改善 傳送端/接收端 的空閒時間， 是在第 i 個相位的 之後。 • 為了在每個接收端同步 MA 時間，必須在每個傳送端調整BC 時間。 • BC 中的額外 GI 的目的是為了補償網路同步錯誤，而且在每個符號中是必要的。 • 相反的，在 BC 和 MA 架構中的閒置時間的目的是為了減少網路同步錯誤，而且在每個框架中是必要的。

22. BC AND MA TIMING BASED NETWORK SYNC SCHEME A. Protocols • 這篇提出的方案是把第一個節點當作主節點而且初始閒置時間為0。 • 假設第 i 個節點已經跟第( i-1 )個節點同步，則第( i+1 ) 個節點與第 i 個節點可以解釋為圖 6

23. BC AND MA TIMING BASED NETWORK SYNC SCHEME A. Protocols 1)Measurement of TOF ： • 在第 i 個節點和第( i+1 )個節點 之間使用 two-way的波束傳送可以得到 TOF。 • 在 接受波束之後，第( i+1 )個節點傳送一個波束訊號給第 I 個節點，第 I 個節點就可以在第 I 個和第( i+1 )個節點間求得兩倍的 TOF。 2)Update the idle time of ith node ： • 如果在第 I 個節點接收之前，測出的 TOF 比閒置時間更大， 就要更新成 。 • 同時，傳送 後的閒置時間也要更新成 。

24. BC AND MA TIMING BASED NETWORK SYNC SCHEME A. Protocols 3)Update the idle time of (i+1 )th node： • 在第 i 個節點測到的TOF 和更新後的閒置時間會傳到第( i+1 )個節點。 • 在第( i+1 )個節點接收之前的閒置時間更新成接收 TOF。 • 同時，在第( i+1 )個節點傳送後的閒置時間也更新成接收 TOF。 • 如果第( i+1 )個節點更新後的 比第 i 個節點還短，則接收 後的閒置時間和傳送 之前的閒置時間會更新成

25. BC AND MA TIMING BASED NETWORK SYNC SCHEME B. Time efficiency A. Protocols 4)Feedback the update idle time for ( i-1 )th node： • 第 i 個節點會在傳送前或接收後回授更新後的閒置時間給各個相位的第( i-1 )個節點。 • 在這個例子中，時間效率 可表示為

26. EVALUATION OF TIME EFFICIENCY • 圖 8 和圖 9 展示出了在非等距拓樸狀態下的平均時間效率

27. EVALUATION OF TIME EFFICIENCY • 節點數為 7，在每個連結的最大延遲散播為 100ns，GI 的持續時間設定成 100 ns，連線距離 300m，標準化後如 圖 7。 • 以 BC 時間為基礎的網路同步方案有絕對時間同步和相對時間同步，因為額外的 GI 造成時間效率惡化。 • 以 BC 和 MA 為基礎的網路同步方案因為不需要額外的 GI所以時間效率較好。 • BC/MA 與 BC/相對 改善了時間效率達 19.9%，與 BC/絕對相比改善了時間效率達 7.2%。

28. EVALUATION OF TIME EFFICIENCY • 圖 10 和圖 11 展示了，S = 100、FFT的持續時間分別是100us和10 us，在等距拓樸的狀態

29. EVALUATION OF TIME EFFICIENCY • 在 BC/絕對 和 BC/相對 中，當第 4 個節點移動到位置 0 時，時間效率會變糟。 • 相反的，BC/MA 保持著高效率( 在 TF=10us 時超過 98.8%，在 TF=100us 時超過 99.8% )。

30. CONCLUSION • 只使用 BC 為基礎的時間同步需要額外的 GI 來補償網路同步錯誤。 • 將 BC 和 MA 一起做為基礎的時間同步，因為不需使用額外的 GI，和使用絕對時間的 BC 相比 改善了 19.9%，和使用相對時間的 BC 相比改善了 7.2%。 • 因此使用第二種方案的網路同步具有較高的時間效率。