危炎廣，王浩星，陳 晰，王 平

(1.重慶郵電大學(xué)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)化控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，重慶 400065;2.國網(wǎng)信息通信有限公司，北京 100761)

0 引言

WIA－PA協(xié)議的數(shù)據(jù)交互建立在時間同步的基礎(chǔ)上，時間同步相關(guān)功能主要在數(shù)據(jù)鏈路層(data link layer，DLL)完成，WIA－PA 數(shù)據(jù)鏈路層兼容IEEE 802.15.4的超幀結(jié)構(gòu)［1］，并對其進(jìn)行了擴(kuò)展。同時WIA－PA數(shù)據(jù)鏈路層支持載波偵聽多路訪問(carrier sensemultiple access，CSMA)和時分多路訪問(time division multiple access，TDMA)混合的信道訪問機(jī)制、重傳機(jī)制、基于時隙的跳頻機(jī)制，保證傳輸?shù)膶?shí)時性和可靠性。

不論采用哪種硬件設(shè)備，在進(jìn)行時間同步的時候，2個同步設(shè)備之間的晶振誤差必然存在，設(shè)備之間的時鐘漂移不可避免。為了保證基于TDMA的網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備需要與時間源周期性地進(jìn)行時間同步。但是，WIA－PA規(guī)范并沒有提出具體的時間同步算法，本文通過分析WIA－PA協(xié)議以及現(xiàn)有時間同步算法的特點(diǎn)，提出了一種基于CC2530的WIA－PA協(xié)議的時間同步算法。

1 相關(guān)工作

1.1 WIA-PA協(xié)議時間同步方式

WIA－PA協(xié)議規(guī)定2種方法進(jìn)行時間同步［2］:①利用WIA－PA協(xié)議專門設(shè)計的時間同步幀進(jìn)行時間同步;②利用IEEE STD 802.15.4－2006的信標(biāo)幀進(jìn)行時間同步。協(xié)議采用了分布式和集中式相結(jié)合的管理方式，在集中式的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)作為時間源，所有的路由節(jié)點(diǎn)依據(jù)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的時間信息進(jìn)行時間同步;在分布式的星型結(jié)構(gòu)中，路由節(jié)點(diǎn)作為時間源，所有的現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)依據(jù)本簇的路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時間同步。WIA－PA協(xié)議對設(shè)備入網(wǎng)過程以及時間同步命令幀進(jìn)行了詳細(xì)的描述，并規(guī)定采用單向的同步方式進(jìn)行時間同步，但對具體的時間同步算法并無相關(guān)描述。

1.2 現(xiàn)有時間同步算法

目前，提出了很多適用于無線傳感網(wǎng)的時間同步算法［3］，用于實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間同步或者全網(wǎng)同步。主要有基于接收者—發(fā)送者的單向時間同步算法，如DMTS(delaymeasurement time synchronization)協(xié)議、FTSP(flooding time synchronization protocol)協(xié)議;基于接收方—接收方的時間同步方法，如RBS(reference broadcast synchronization)協(xié)議［4］;雙向報文交換同步算法，如TPSN(timing－sync protocol for sensor networks)協(xié)議［5］;分簇式的層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)算法，如 HRTS［6］(hierarchy referencing time synchronization protocol)協(xié)議。

由于WIA－PA協(xié)議單向同步方式的特點(diǎn)，在上述同步算法中，DMTS和FTSP時間同步協(xié)議最符合WIA－PA協(xié)議規(guī)范要求。

1.2.1 DMTS時間同步算法

DMTS機(jī)制［7］是2003年由Su Ping等人提出的單向時間同步算法。該算法選擇一個節(jié)點(diǎn)作為時間源，并在MAC信道接入后標(biāo)記時間戳，以廣播的形式發(fā)送該同步消息，接收節(jié)點(diǎn)首先估算消息傳輸時延t，然后，調(diào)整自身本地時間為同步消息所帶時間與傳輸時延的和。其中，消息傳輸時延t等于發(fā)射時延t1加上接收處理時間，發(fā)射時延包括起始符和前導(dǎo)碼發(fā)射所需的時間，等于起始字符與前導(dǎo)碼相加的位數(shù)n乘以發(fā)射一位所需的時間t位，接收處理時間等于接收處理完成時間t3減去消息到達(dá)時間t4，得出公式:

雖然DMTS的單向時間同步的方式與WIA－PA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的同步方式相吻合。但是DMTS在基于CC2530無線模塊平臺實(shí)現(xiàn)時，允許最晚添加時間戳的時刻是在同步報文構(gòu)造之后STXON命令選通之前，而CC2530選通STXON命令之后并不會立即開始數(shù)據(jù)發(fā)送。所以，僅計算發(fā)射時延已經(jīng)不能夠滿足對時延計算的需求。

1.2.2 FTSP時間同步算法

Branislav Kusy等［8］于2004年在 DMTS的基礎(chǔ)上提出FTSP。與DMTS相比，該算法具有極高的同步精度，算法規(guī)定發(fā)送方在同步字節(jié)發(fā)射完成后，記錄發(fā)送節(jié)點(diǎn)自身當(dāng)前時間信息t，并嵌入到當(dāng)前發(fā)送的報文中，然后接收節(jié)點(diǎn)記錄接收到同步字節(jié)最后一個字節(jié)時接收節(jié)點(diǎn)自身的當(dāng)前時間tr。接收完整個報文，接收節(jié)點(diǎn)首先計算與發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間的位偏移，然后根據(jù)位偏移和接收速率計算字節(jié)對齊產(chǎn)生的時延tb。通過(2)式計算與發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間的最終的時鐘偏移量(offset)，最后調(diào)節(jié)本地時鐘與發(fā)送節(jié)點(diǎn)達(dá)到時間同步。同時FTSP還引入了線性回歸的思想對時鐘偏移進(jìn)行擬合，以到達(dá)更高的時間同步精度。

在CC2530平臺上，發(fā)送數(shù)據(jù)時需要通過SFR寄存器RFD寫入TXFIFO寄存器，通過選通STXON命令開始無線發(fā)送操作。接收時，數(shù)據(jù)先寫入RXFIFO寄存器，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作時通過RFD從RXFIFO讀取。FTSP要求在同步字節(jié)發(fā)射完成后，立即給正發(fā)送的時間同步報文標(biāo)記上時間戳。可在CC2530平臺上，選通STXON標(biāo)志開始無線電發(fā)送過程之后，不能直接往TXFIFO中寫入時間信息(即標(biāo)記時間戳)。為了實(shí)現(xiàn)這樣的功能，必須觸發(fā)SFD中斷來記錄時間信息，這樣做將會給系統(tǒng)帶入SFD中斷時延以及一部分緩沖時延。

2 適用于WIA-PA協(xié)議的時間同步算法

通過以上的研究分析，可知基于發(fā)送者—接收者的時間同步機(jī)制非常適合WIA－PA協(xié)議。但是，由于協(xié)議和實(shí)現(xiàn)平臺的限制，并不能將現(xiàn)有時間同步機(jī)制完美地應(yīng)用到系統(tǒng)中。為了減少發(fā)送帶來的時間誤差，方案中發(fā)送節(jié)點(diǎn)采取在同步消息構(gòu)造完成后，在其尾部標(biāo)記時間戳的方式。相比DMTS，該時間戳的嵌入方式帶來了MAC(media access control)延時，即設(shè)備等待信道接入的時間［9］。然后，接收節(jié)點(diǎn)記錄同步報文到達(dá)的時刻，由于大多數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)在讀取接收報文時會產(chǎn)生位偏移，所以，也會對同步精度產(chǎn)生影響。此外，設(shè)備讀取自身時間信息和標(biāo)記時間戳也帶來一定的時延，該時延由硬件平臺和信息長度決定。

為進(jìn)一步分析上述不確定因素所帶來的影響，本實(shí)驗在基于CC2530的平臺上，搭建了規(guī)模為50個節(jié)點(diǎn)的星型網(wǎng)絡(luò)，其中，時間源節(jié)點(diǎn)1個作為父設(shè)備，49個同步節(jié)點(diǎn)作為子設(shè)備。

首先，配置定時器周期為32，則有1 ticks=32×1/32 000 000=1μs，從而時間的最小單位為1μs。與此同時設(shè)定一個超幀長為5 s，由500個時隙組成，每個時隙10 ms。在網(wǎng)絡(luò)最開始階段先讓49個同步節(jié)點(diǎn)與時間源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簡單的時間同步:首先父設(shè)備在選通STXON命令之前的最近時刻加載時間戳t1，通過無線電廣播給其他49個子設(shè)備，子設(shè)備接收完同步字符后記錄自己的當(dāng)前時間t2，等接收完整個報文后計算與父設(shè)備的時間誤差，直接對當(dāng)前時間tnow進(jìn)行補(bǔ)償:

然后，在接下來的一段時間內(nèi)，父設(shè)備按照上述方法每1 s發(fā)送一次同步報文，子設(shè)備計算其與父設(shè)備的時間誤差，但并不進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

最后，測得所有子設(shè)備與父設(shè)備的時間誤差曲線如圖1所示。由圖1可以看出，在一定的時間內(nèi)，同步節(jié)點(diǎn)與時間源之間的時間差大致呈遞增的關(guān)系。

該時間差主要由以下幾部分組成，如公式(4)。

(4)式中:tn是第n輪的時間差;tMAC為MAC層時延;Δt為每一輪發(fā)送同步報文期間，晶振所產(chǎn)生的時鐘偏移;t'為在同步報文中嵌入時間戳t0所需時間;tb為位偏移產(chǎn)生的延遲;tTx為編碼/解碼時延。tMAC主要包括CC2530的緩沖時延和中斷時延，緩沖時延是一個定值，中斷時延是不定的變值，且遠(yuǎn)小于緩沖時延，所以，tMAC時延圍繞著一個定值小幅度地上下波動。由CC2530振蕩器的頻率誤差引起的晶振時延Δt在一定時間內(nèi)呈現(xiàn)線性遞增的趨勢［10］。上述時延中除Δt之外，其他時延都可通過計算得出。結(jié)合圖1可以推出tn呈線性遞增的關(guān)系。

圖1 子設(shè)備與父設(shè)備的時間誤差曲線Fig.1 Time error curve between parents and kids

綜合以上原因，本文參考FTSP時間同步算法，提出了一種適用于WIA－PA協(xié)議的時間同步算法。算法具體實(shí)現(xiàn)過程如圖2所示。

圖2 線性擬合時間同步算法流程圖Fig.2 Linear fitting time synchronization algorithm flowchart

圖2中具體算法流程如下。

1 )父設(shè)備按照圖2中的CC2530標(biāo)記時間戳方法加載時間信息t1后發(fā)送同步報文，子設(shè)備接收到同步字節(jié)后記錄子設(shè)備自身當(dāng)前的時間信息t2。

2 )子設(shè)備估算從標(biāo)記t1到標(biāo)記t2這一段時間中可計算時延t3的大小。

(5)式中:t4為啟用STXON命令后父設(shè)備進(jìn)行發(fā)送模式的緩存時間，經(jīng)過查閱CC2530芯片手冊，可以算出t4=192+2+12=206μs;t5為設(shè)備調(diào)制/解調(diào)的時間，此時延與數(shù)據(jù)包的長度有關(guān)，若數(shù)據(jù)包的長度為n，則t5=32n，其中，32為CC2530調(diào)制/解調(diào)的速度，單位為μs/字節(jié)，一般n只取前導(dǎo)碼與同步字符的長度。在CC2530中兩者的長度為5個字節(jié)，所以，t5為160μs;t6為設(shè)備之間的字節(jié)對齊時間，若字節(jié)偏移為k，則t6=32k，而CC2530采用了8位8 051芯片，CPU一次能讀取一個字節(jié)大小的數(shù)據(jù)，但是接收的數(shù)據(jù)都是8位，本身不再需要字節(jié)對齊，所以，t6為0。這樣就可以計算出t3為366μs。時間信息為7個字節(jié)，高位4個字節(jié)代表當(dāng)前時間的整數(shù)部分，單位為s;低位3個字節(jié)表示當(dāng)前時間的小數(shù)部分，單位為μs。

3 )子設(shè)備計算與父設(shè)備的時間誤差為

此時，子設(shè)備并不利用此誤差來進(jìn)行時間同步，而是在接收 n次之后，生成 n個時間對{(x1，y1)，(x2，y2)，…，(xi，yi)}。其中，xi是第 i次接收同步報文子設(shè)備的當(dāng)前時間，yi是第i次接收同步報文子設(shè)備與父設(shè)備的時間誤差。

4 )將這n個時間對擬合成一條直線L:y'i=a+bxi，其中，b為回歸系數(shù)，a為常數(shù)項。根據(jù)最小二乘法，要使得所有xi對應(yīng)的|y'－yi|之和最小，由于絕對值比較麻煩，所以，先把差值做平方，然后求和，計算使得|y'－yi|平方和最大的a以及b的估計值a'與 b'。

5 )子設(shè)備與父設(shè)備進(jìn)行時間同步的時候，只需導(dǎo)入自身的當(dāng)前時間值t'，然后，通過直線L計算自身與父設(shè)備的時間誤差:T=a+bt'，并對當(dāng)前時間補(bǔ)償?shù)玫酵胶髸r間Tafter。

即可達(dá)到時間同步的效果。

3 實(shí)驗結(jié)果分析

實(shí)驗采用一個第3方設(shè)備和一臺上位機(jī)作為測試工具來測試時間源和被測試設(shè)備間的時鐘誤差，通過對比節(jié)點(diǎn)間的誤差來反映同步機(jī)制的優(yōu)劣，時間誤差測試原理如圖3所示。

圖3 第3方測試示意圖Fig.3 Third－party testing schematic diagram

首先，第3方設(shè)備發(fā)送時間同步測試消息給待測試設(shè)備與時間源節(jié)點(diǎn);待測試設(shè)備和時間源接收到測試消息后，同時記錄當(dāng)前時間，時間源直接上傳時間信息T1至上位機(jī)，待測試設(shè)備的時間信息T2通過路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)至上位機(jī)。時間誤差T'=|T1－T2|。

在驗證方案時，我們分別構(gòu)建了基于信標(biāo)幀直接同步(不采取補(bǔ)償)、DMTS同步(估算延遲補(bǔ)償)、線性擬合時間同步的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時間誤差測試。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模都為50個節(jié)點(diǎn)，一個中心節(jié)點(diǎn)，49個同步節(jié)點(diǎn)。其中，信標(biāo)幀直接同步、DMTS同步算法每隔5 s根據(jù)信標(biāo)幀進(jìn)行同步一次。線性擬合的時間同步算法每隔3 s發(fā)送一次信標(biāo)幀，并采用上述方法計算同步誤差，等待接收5次之后，擬合一條直線，并在之后的2 min內(nèi)每隔5 s進(jìn)行一次時間補(bǔ)償用于時間同步。在線性擬合的時間同步算法進(jìn)入補(bǔ)償階段后，測試設(shè)備每隔2 s對網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備進(jìn)行時間誤差的測試，測試對比結(jié)果如圖4所示，其中，橫坐標(biāo)為測試時間，縱坐標(biāo)為相同同步機(jī)制下的49個節(jié)點(diǎn)的平均誤差。由圖4可以看出，單純的信標(biāo)幀同步方式的時間精度為500μs左右，加入了DMTS時間同步機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的時間同步精度為200μs左右，而線性擬合同步算法的同步精度達(dá)到了50μs左右，同時我們可以發(fā)現(xiàn)晶振偏移帶來的誤差為10μs/s左右，而且線性擬合同步算法在擬合出直線，一次同步的時候，同步精度可以精確到10μs以下，但是隨著同步次數(shù)的增加，同步精度越來越低，所以，線性擬合的方法需要周期性的更新計算公式?？傊?，基于線性擬合的時間同步算法比其他2種算法的時間同步精度高出幾十到幾百微秒。

圖4 信標(biāo)幀同步、DMTS同步、線性擬合同步時間誤差對比Fig.4 Time error contrast of beacon frame synchronization、DMTS synchronization and linear fitting synchronization

4 結(jié)論

本文通過分析現(xiàn)有時間同步算法在WIA－PA協(xié)議實(shí)現(xiàn)中的特點(diǎn)與不足，并對CC2530無線通信時延進(jìn)行分解，提出了一種基于線性擬合的時間同步算法。實(shí)驗結(jié)果表明，在不改變WIA－PA協(xié)議單向時間同步特點(diǎn)的前提下，基于線性擬合的時間同步算法能達(dá)到更高的時間同步精度，從而滿足對時間精度要求更高的WIA－PA協(xié)議應(yīng)用系統(tǒng)的需求。

［1］電氣和電子工程師協(xié)會，GB/T 15629.15－2010，信息技術(shù)系統(tǒng)間遠(yuǎn)程通信和信息交換第15部分:低速無線個域網(wǎng)(WPAN)媒體訪問控制和物理層規(guī)范［S］.美國:電氣和電子工程師協(xié)會，2010.

Institute of Electrical and Electronics Engineers，GB/T 15629.15－2010， Telecommunications and Information Exchange between Systems Local and Metropolitan Area Networks Part 15:Wireless Medium Access Control and Physical Layer(PHY)Specification for Low Rate Wireless Personal Area Networks［S］.American:Institute of E－lectrical and Electronics Engineers，2010.

［2］中國工業(yè)無線聯(lián)盟，GB/T 26790.1—2011，工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA規(guī)范第1部分:用于過程自動化的WIA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信規(guī)范［S］.日內(nèi)瓦，Switzerland:國際電工委員會，2011.

Chinese Wireless Industrial Union，GB/T 26790.1—2011，Industrialwireless networksWIA Specification Part1:WIA System Architecture and Communication Specification for Process Automation(WIA－PA)［S］.Geneva，Switzerlan:International Electrotechnical Commission，2011.

［3］孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005:162－176.

SUN Limin，LIJianzhong，CHEN Yu，et al.Wireless sensor networks［M］.Beijing:Tsinghua University Press，2005:162－176.

［4］李文鋒，王汝傳，孫力娟.基于RBS的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步算法［J］.通信學(xué)報，2008，29(6):82－86.

LIWenfeng，WANG Ruchuan，SUN Lijuan.Proved wireless sensor networks time synchronization algorithm based on RBS［J］.Journal on Communications，2008，29(6):82－86.

［5］SAURABH G，RAM K，MANIB S.Timin－g－sync Protocol for Sensor Networks［C］//Proceedings of the First International Conference on Embedded Networked Sensor Systems.Los Angeles:Embedded Networked sensor System，2003:138－149.

［6］DAIH，HAN R.TSync:A Lightweight Bidirectional Time Synchronization Service for Wireless Sensor Networks［C］//ACM SIGMOBILEMobile Computing and Communications Review.Colorado:Wireless PAN＆Sensor Networks:2004:125139.

［7］PING S.Delaymeasurement time synchronization forwireless sensor networks［R］.Santa Clara，USA:Intel Research Berkeley Lab，2003.

［8］MAROTIM，KUSY B，SIMON G，et al.The flooding time synchron－ization protocol［R］.Nashville，USA:Vanderbilt University，2004.

［9］汪付強(qiáng)，曾鵬.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步綜述［J］.計算機(jī)工程，2011，37(22):70－73.

WANG Fuqiang，ZENG Peng.Survey on Time Synchronization in Wireless Sensor Network［J］.Computer Engineering，2011，37(22):70－73.

［10］汪付強(qiáng)，曾鵬.一種低開銷的雙向時間同步算法［J］.儀器儀表學(xué)報，2011，32(6):1357－136.

WANG Fuqiang，ZENG Peng.Low overhead two－way time synchronization algorithm［J］，Chinese Journal of Scientific Instrument，2011，32(6):1357－136.

(編輯:劉 勇)