黃 濤，黃世震

(福州大學(xué)福建省微電子集成電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州350002)

低功耗WirelessHART網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步

黃 濤，黃世震*

(福州大學(xué)福建省微電子集成電路重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州350002)

提出一種基于TPSN(Timing-Sync Protocol for Sensor Networks)的WirelessHART網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步協(xié)議改進(jìn)措施。通過在原有TPSN協(xié)議上添加線性回歸法估計(jì)通信節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘偏差以延長時(shí)鐘同步周期并針對工廠存在強(qiáng)干擾，協(xié)議添加異常情況處理機(jī)制以減少壞點(diǎn)出現(xiàn)概率。經(jīng)過WirelessHART通信節(jié)點(diǎn)平臺測試，改進(jìn)時(shí)鐘同步協(xié)議的時(shí)鐘同步周期相對TPSN協(xié)議延長百分之十，因此，該改進(jìn)協(xié)議達(dá)到有效降低節(jié)點(diǎn)功耗的目的。

電子技術(shù);WirelessHART;時(shí)鐘同步;TPSN

WirelessHART傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的具備計(jì)算，通信和傳感的無線節(jié)點(diǎn)連接組成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)之一是時(shí)鐘同步協(xié)議，因?yàn)闀r(shí)鐘同步協(xié)議在低功耗監(jiān)聽，數(shù)據(jù)融合，TDMA(Time Division Multiple Access)，同步跳頻系統(tǒng)等發(fā)揮了重要作用。如今，時(shí)鐘同步協(xié)議面臨著如能耗，成本，計(jì)算速度，分布密度等一些新的挑戰(zhàn)［1］。

在實(shí)際環(huán)境中，阻礙WirelessHART網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮最高效率的主要因素是節(jié)點(diǎn)間時(shí)鐘不確定性。目前，網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步協(xié)議主要采用GPS(Global Positioning System)和NTP(Network Time Protocol)兩類協(xié)議。GPS是一種衛(wèi)星廣播系統(tǒng)［2］，該系統(tǒng)由GPS接收機(jī)接收高精度時(shí)間信息，從而獲得較高精度的時(shí)鐘同步，但是GPS接收機(jī)價(jià)格較為昂貴［3］。另外一種方法是采用現(xiàn)在廣泛流行于互聯(lián)網(wǎng)的NTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步協(xié)議，然而對于由電池供電的節(jié)點(diǎn)，功耗和節(jié)點(diǎn)尺寸，成本都將嚴(yán)重限制這些時(shí)鐘同步協(xié)議的應(yīng)用［4］。此外，分布式WirelessHART網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常處于惡劣的工作環(huán)境，因此，NTP和GPS協(xié)議不再適用該網(wǎng)絡(luò)。

1 時(shí)鐘同步協(xié)議介紹

2003年11月，Ganeriwal等人提出了傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步協(xié)議TPSN。目的是提供全網(wǎng)范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步，屬于類客戶服務(wù)器模式。TPSN協(xié)議規(guī)定全網(wǎng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有唯一的身份編號ID，各節(jié)點(diǎn)間的通信鏈路是半雙工的，通過雙向的消息交換以達(dá)到全局時(shí)鐘同步。TPSN采用層次型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，首先將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)按照層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行分級，然后每個(gè)節(jié)點(diǎn)與上一級的其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)鐘同步，最終所有節(jié)點(diǎn)都與根節(jié)點(diǎn)保持時(shí)鐘同步。TPSN分為2個(gè)階段:

(1)層次結(jié)構(gòu)建立階段

在部署完WirelessHART網(wǎng)絡(luò)之后，根節(jié)點(diǎn)廣播層次發(fā)現(xiàn)分組，啟動層次結(jié)構(gòu)建立階段。層次分組包含發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)編號ID和層次號。根節(jié)點(diǎn)屬于最高級(0級)節(jié)點(diǎn)，在根節(jié)點(diǎn)廣播域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)收到根節(jié)點(diǎn)發(fā)送的層次發(fā)現(xiàn)分組報(bào)文后，將自身層次級別在分組報(bào)文級別上降低一級，即1級節(jié)點(diǎn)，然后將自己的級別和ID作為新的層次發(fā)現(xiàn)分組廣播出去。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)收到第n級節(jié)點(diǎn)發(fā)送的層次發(fā)現(xiàn)分組報(bào)文后，記錄發(fā)送這個(gè)層次分組的節(jié)點(diǎn)ID，設(shè)置自生層次級別為n+1，直到全網(wǎng)中的所有節(jié)點(diǎn)都具有屬于自己的級別為止。如果節(jié)點(diǎn)已經(jīng)建立的自己的層次級別，就忽略其他的層次分組發(fā)現(xiàn)報(bào)文。

(2)時(shí)鐘同步建立階段

層次結(jié)構(gòu)建立完成后，根節(jié)點(diǎn)就會廣播時(shí)鐘同步報(bào)文，開啟時(shí)鐘同步階段。當(dāng)?shù)?級節(jié)點(diǎn)接收到該報(bào)文后，立刻向根節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)鐘同步請求報(bào)文進(jìn)行時(shí)鐘同步階段，同時(shí)第2級節(jié)點(diǎn)開啟時(shí)鐘同步報(bào)文監(jiān)聽信道以接收來自第1級的時(shí)鐘同步開始報(bào)文，當(dāng)節(jié)點(diǎn)2接收到節(jié)點(diǎn)1的時(shí)鐘同步報(bào)文后啟動節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步。最終時(shí)鐘同步將擴(kuò)散到全網(wǎng)。

TPSN協(xié)議相鄰兩節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)鐘同步原理如圖1所示。圖中n代表層次等級為n的節(jié)點(diǎn)。首先n級節(jié)點(diǎn)向n+1節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)鐘同步開啟報(bào)文，節(jié)點(diǎn)n+1接收到該報(bào)文后向n節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)鐘同步請求報(bào)文，并記錄發(fā)送時(shí)間T1。節(jié)點(diǎn)n收到節(jié)點(diǎn)n+1的時(shí)間請求報(bào)文后用本地時(shí)間記錄下接收時(shí)刻T2，之后，節(jié)點(diǎn)n構(gòu)造時(shí)鐘同步應(yīng)答報(bào)文并將T2和發(fā)送報(bào)文T3時(shí)刻填入該報(bào)文內(nèi)。節(jié)點(diǎn)n+1收到該報(bào)文后記錄接收時(shí)刻T4。用d表示消息傳播時(shí)延，用Δ表示時(shí)間偏移。根據(jù)時(shí)間T1～T4可得到:

全局時(shí)鐘為

圖1 TPSN協(xié)議時(shí)鐘同步原理

2 協(xié)議改進(jìn)措施

無線傳感器的時(shí)鐘同步是通過節(jié)點(diǎn)間傳遞時(shí)間消息包來完成的，在消息傳遞的各個(gè)階段都會有時(shí)間延遲，這些時(shí)延有可能大大超出WirelessHART協(xié)議能接受的精度。因此，需要對TPSN協(xié)議各個(gè)階段的時(shí)延進(jìn)行深入分析和補(bǔ)償。按照消息傳輸過程，可以把消息傳輸時(shí)延分為下面幾個(gè)部分［5］:

(1)發(fā)送時(shí)間:發(fā)送方用于構(gòu)造并將報(bào)文轉(zhuǎn)交給MAC(Media Access Control)層所需的時(shí)間。包括內(nèi)核協(xié)議處理、中斷處理時(shí)間和緩沖時(shí)間等，具有高度的不確定性。它取決于操作系統(tǒng)調(diào)用的時(shí)間開銷和處理器當(dāng)前負(fù)載。

(2)訪問時(shí)間:發(fā)送方從MAC層獲得報(bào)文后等待傳輸信道空閑到成功發(fā)送所需的時(shí)間，即從等待信道空閑到消息發(fā)送開始的延遲。

(3)傳輸時(shí)間:發(fā)送方發(fā)送報(bào)文時(shí)間，該時(shí)間因?yàn)閳?bào)文在無線鏈路的物理層按位發(fā)送，因此傳輸時(shí)間比較確定。傳輸時(shí)間取決于報(bào)文長度和發(fā)射速率。

(4)傳播時(shí)間:報(bào)文以電磁波的形式從發(fā)送方至接收方的傳播時(shí)間，該時(shí)間僅取決于節(jié)點(diǎn)間的距離和傳播媒介，因此具有確定性。

(5)接收時(shí)間:接收方按位接收報(bào)文并傳遞給MAC層的時(shí)間。與傳輸時(shí)間完全相同。

(6)接收處理時(shí)間:接收方處理報(bào)文傳遞給上層應(yīng)用所需的時(shí)間。

根據(jù)上述分析可知，發(fā)送時(shí)間、訪問時(shí)間和接收處理時(shí)間的不確定性較大，而TPSN的延時(shí)計(jì)算是建立在雙方時(shí)延相等的基礎(chǔ)上，因此本文將填充發(fā)送報(bào)文時(shí)間戳放與記錄接收報(bào)文時(shí)間戳的工作都放在MAC層進(jìn)行，從而有效降低發(fā)送時(shí)間與接收處理時(shí)間的不確定性。對于訪問時(shí)間，本文采用TDMA時(shí)分復(fù)用協(xié)議，只有在屬于自己發(fā)送時(shí)隙階段才允許進(jìn)行時(shí)鐘同步，有線降低了訪問時(shí)間因出現(xiàn)信道競爭而導(dǎo)致時(shí)間不確定現(xiàn)象。進(jìn)一步提高時(shí)鐘同步精度。

WirelessHART時(shí)鐘同步協(xié)議屬于低功耗協(xié)議，因此，提高每次時(shí)鐘同步的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。由于硬件的差異，節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間偏移最大可達(dá)40μs/s，而WirelessHART協(xié)議規(guī)定兩通信節(jié)點(diǎn)間最大時(shí)鐘漂移不得超過200μs/s，為了確保時(shí)鐘同步，節(jié)點(diǎn)必須頻繁地進(jìn)行時(shí)鐘同步?？紤]到網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模的節(jié)點(diǎn)能耗，這樣頻繁通信是不可取的。因此，本論文引入了時(shí)鐘偏移估計(jì)法，在待同步節(jié)點(diǎn)引入一個(gè)時(shí)間表(ti，Δi)，使用本地時(shí)間t和時(shí)鐘漂移Δ來估計(jì)時(shí)鐘偏移，對由時(shí)鐘偏移造成的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

WirelessHART網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常依靠晶振計(jì)時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間為t的節(jié)點(diǎn)本地時(shí)間可用下式表示［6］:

其中，f0為節(jié)點(diǎn)晶振的標(biāo)準(zhǔn)頻率，fi(t)為節(jié)點(diǎn)晶振的實(shí)際頻率，t0為起始計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，Ci(t0)為節(jié)點(diǎn)在t0時(shí)刻的本地時(shí)間。晶振的頻率在短時(shí)間內(nèi)變化非常小，因此可以假設(shè)節(jié)點(diǎn)的晶振頻率唯一常數(shù)。故節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘可表示為:

由于WirelessHART節(jié)點(diǎn)一般處于工廠這樣惡劣環(huán)境中。溫度，供電電壓等外界因素干擾導(dǎo)致晶振頻率呈現(xiàn)不穩(wěn)定性，再加上晶振的制造工藝限制，其標(biāo)稱頻率和實(shí)際頻率略有差異，存在如下關(guān)系:

ρ稱為絕對頻率上界，一般在1×10-6～1× 10-4(每秒偏移1μs～100μs)左右［7］。式(5)可以簡化表示為:

由式6可知，全局時(shí)鐘和本地時(shí)鐘在一定的時(shí)間范圍內(nèi)呈現(xiàn)線性關(guān)系，故可采用線性回歸法對時(shí)鐘偏移進(jìn)行估計(jì)，具體實(shí)現(xiàn)公式如下:

由于WirelessHART適配器一般處于環(huán)境惡劣的工廠或人跡罕至的戶外，因此極容易受到周圍環(huán)境的干擾而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)接收到錯(cuò)誤的時(shí)鐘同步數(shù)據(jù)。然而使用線性回歸算法的前提條件是數(shù)據(jù)點(diǎn)的變化在一段時(shí)期內(nèi)是線性的，這樣可以比較準(zhǔn)確地估計(jì)參數(shù)值，從而得出線性回歸方程，因此采用線性回歸法對異常數(shù)據(jù)十分敏感，一個(gè)異常數(shù)據(jù)點(diǎn)可能導(dǎo)致時(shí)鐘偏移估計(jì)出現(xiàn)較大的偏差。如圖2所示，圖中的直線由未使用異常數(shù)據(jù)過濾的線性回歸法擬合出的。從圖中可以看出，異常數(shù)據(jù)對擬合線會造成嚴(yán)重的錯(cuò)誤，甚至造成節(jié)點(diǎn)同步失敗。

圖2 未采取數(shù)據(jù)過濾的線性回歸法

本文根據(jù)WirelessHART網(wǎng)絡(luò)具體應(yīng)用情況對TPSN同步協(xié)議加以改進(jìn)，引入了預(yù)測區(qū)間來限定進(jìn)入時(shí)間表的數(shù)據(jù)。對于一個(gè)給定的x可以以一定的置信度預(yù)測對應(yīng)的y的取值范圍，可以利用該預(yù)測區(qū)特點(diǎn)，對新得到的全局時(shí)間T和時(shí)間表中的數(shù)據(jù)求出t的預(yù)測區(qū)間。

設(shè)t0是在節(jié)點(diǎn)接收到的全局時(shí)間T=T0時(shí)對本地時(shí)間t的觀察結(jié)果，則依據(jù)式(3)、式(6)有，t0的預(yù)測值符合:

可以證明t0和^t0相互獨(dú)立［8］，由式(8)、式(9)可得:

其中Qε稱作殘差平方和是σ2的無偏估計(jì)，因?yàn)闅埐钇椒胶头姆植肌?(n-2)，由式(10)可以得到

且t0相互獨(dú)立，故有

對于給定的置信度1-α，有

由此可以得到置信區(qū)間為

稱t0的置信度為1-α的預(yù)測區(qū)間。如果時(shí)間表中的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)較多，那么式(12)中的根式可以近似等于1，而 ta/2(n-2)≈zα/2。于是 t0的置信區(qū)間為1-α的預(yù)測區(qū)間近似等于

當(dāng)置信度為0.997時(shí)，zα/2=2.97，可以近似得到t的預(yù)測區(qū)間:

在一次時(shí)鐘同步過程中，可得一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)間對(t，Δ)。根據(jù)其中的t和先前估計(jì)的線性回歸方程，計(jì)算t的預(yù)測區(qū)間，然后判斷t是否在預(yù)測區(qū)間內(nèi)，如果t在預(yù)測區(qū)間內(nèi)，說明這個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)是可以采用的。如果t不在預(yù)測區(qū)間內(nèi)，這個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)就是異常的，無需更新時(shí)間表。

3 WirelessHART時(shí)鐘同步協(xié)議測試

實(shí)驗(yàn)平臺采用本實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的WirelessHART通信模塊。該平臺集成MSP430F4794微處理器，nRF24L01無線發(fā)射模塊，AD5700HART調(diào)制解調(diào)器，AD421電流環(huán)模塊和一個(gè)串口輸出。最大瞬時(shí)工作電流20 mA，內(nèi)部采用32 768 HZ晶振最為時(shí)鐘源，本次測試時(shí)長為8 h。測試內(nèi)容為TPSN和改進(jìn)時(shí)鐘同步協(xié)議在同步精度為100μs情況下每小時(shí)同步次數(shù)對比。

圖3 每小時(shí)同步次數(shù)對比

4 總結(jié)

以上測試結(jié)果是在溫度變化范圍較大的情況下取得的數(shù)值，然而對于外界溫度變化范圍較小，干擾較少的場合中，該WirelessHART時(shí)鐘同步協(xié)議相對于TPSN協(xié)議的優(yōu)勢將更加明顯。不可否認(rèn)該協(xié)議也存在一些缺點(diǎn)，例如該協(xié)議是通過增加MCU計(jì)算量換取減少節(jié)點(diǎn)同步次數(shù)。對于WirelessHART場合來說，MCU的計(jì)算負(fù)擔(dān)并不繁重，且在實(shí)際應(yīng)用中，WirelessHART在大部分時(shí)間無需通信而處于睡眠狀態(tài)，此外，對于WirelessHART設(shè)備來說，功耗最高的并不是MCU(平均工作電流為400μA)，而是無線收發(fā)模塊(平均工作電流為12 mA)，因此，通過增加MCU計(jì)算量換取減少同步次數(shù)顯得十分必要。

［1］Elson J，Romer K.Wireless Sensor Networks:A New Regime for Time Synchronization［C］//Proceedings of the First Workshop on Hot Topics in Networks，2002，28-29.

［2］莫太山，葉甜春，馬成炎.用于CMOS低中頻GPS接收機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)考慮與實(shí)現(xiàn)［J］.電子器件，2008-6，31(3): 853-854.

［3］Wei Zhu，TDMA Frame Synchronization of Mobile Stations Using a Radio Clock Signal for Short Range Communications［C］//Proceedings of the1994 IEEE 44th Vehicular Technology Conference，1994-6，3(8):1878-1882.

［4］Guanlin K，F(xiàn)ubao W，Weijun D.Survey on Time Synchronization for Wireless Sensor Networks［J］.Computer Measurement and Control，2005，13(5):1021-1023.

［5］Maroti M，Kusy B，Simon G，et al.Flooding Time Synchronization in Wireless Sensor Networks［C］//Proc of IEEEWireless Communication and Networking Conference，Baltinore，Maryland.2004:3 -5.

［6］Romer K，Blum P，Meier L.Time Synchronization and Calibration in Wireless Sensor Networks［J］.Wireless Sensor Networks，2005，21(2):120-126.

［7］Vig Jr.Introduction to Quartz Frequency Standards［R］.Technical Report SLCET-TR-92-1，Army Research Laboratory，1992.

［8］盛驟，謝式千.概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)［M］.2版.北京:高等教育出版社，1989:264-279.

Low Power W irelessHART Network Time Synchronization Protocol

HUANG Tao，HUANG Shizhen*
(Fujian Key Laboratory of Microelectronics and Integrated Circuits，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350002，China)

A design ofWirelessHART network time synchronization protocol is proposed based on the TPSN.Linear regressionmethod is added on TPSN to estimate the clock offset between nodes，and abnormal condition treatment is used to reduce the probability of error data.Through theWirelessHART nodes testing，the cycle of this protocol improves 10%relative to the TPSN.Therefore，this improved protocol can reduce the node power consumption.

electronic technology;WirelessHART;clock synchronization;TPSN

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.01.021

TN919 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1005-9490(2014)01-0085-04

2013-04-20修改日期:2013-05-14

EEACC:6150P

黃 濤(1988-)，男，漢族，福建省廈門市人，福州大學(xué)碩士研究生，現(xiàn)從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、應(yīng)用方面研究，184345829@ qq.com;

黃世震(1968-)，男，高級工程師，博士，福州大學(xué)碩士生導(dǎo)師。主要從事微電子，納米材料、集成電路方面研究。