低功耗WirelessHART網(wǎng)絡時鐘同步

黃 濤，黃世震

(福州大學福建省微電子集成電路重點實驗室，福州350002)

低功耗WirelessHART網(wǎng)絡時鐘同步

黃 濤，黃世震*

(福州大學福建省微電子集成電路重點實驗室，福州350002)

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

電子技術;WirelessHART;時鐘同步;TPSN

WirelessHART傳感器網(wǎng)絡是由大量的具備計算，通信和傳感的無線節(jié)點連接組成。無線傳感器網(wǎng)絡中的關鍵技術之一是時鐘同步協(xié)議，因為時鐘同步協(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，時鐘同步協(xié)議面臨著如能耗，成本，計算速度，分布密度等一些新的挑戰(zhàn)［1］。

在實際環(huán)境中，阻礙WirelessHART網(wǎng)絡發(fā)揮最高效率的主要因素是節(jié)點間時鐘不確定性。目前，網(wǎng)絡時鐘同步協(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接收機接收高精度時間信息，從而獲得較高精度的時鐘同步，但是GPS接收機價格較為昂貴［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)絡時鐘同步協(xié)議，然而對于由電池供電的節(jié)點，功耗和節(jié)點尺寸，成本都將嚴重限制這些時鐘同步協(xié)議的應用［4］。此外，分布式WirelessHART網(wǎng)絡節(jié)點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。

1 時鐘同步協(xié)議介紹

2003年11月，Ganeriwal等人提出了傳感器網(wǎng)絡時鐘同步協(xié)議TPSN。目的是提供全網(wǎng)范圍內(nèi)節(jié)點時鐘同步，屬于類客戶服務器模式。TPSN協(xié)議規(guī)定全網(wǎng)中每個節(jié)點都具有唯一的身份編號ID，各節(jié)點間的通信鏈路是半雙工的，通過雙向的消息交換以達到全局時鐘同步。TPSN采用層次型網(wǎng)絡結構，首先將網(wǎng)絡中的節(jié)點按照層次結構進行分級，然后每個節(jié)點與上一級的其中一個節(jié)點進行時鐘同步，最終所有節(jié)點都與根節(jié)點保持時鐘同步。TPSN分為2個階段:

(1)層次結構建立階段

在部署完WirelessHART網(wǎng)絡之后，根節(jié)點廣播層次發(fā)現(xiàn)分組，啟動層次結構建立階段。層次分組包含發(fā)現(xiàn)節(jié)點編號ID和層次號。根節(jié)點屬于最高級(0級)節(jié)點，在根節(jié)點廣播域內(nèi)的節(jié)點收到根節(jié)點發(fā)送的層次發(fā)現(xiàn)分組報文后，將自身層次級別在分組報文級別上降低一級，即1級節(jié)點，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。當某個節(jié)點收到第n級節(jié)點發(fā)送的層次發(fā)現(xiàn)分組報文后，記錄發(fā)送這個層次分組的節(jié)點ID，設置自生層次級別為n+1，直到全網(wǎng)中的所有節(jié)點都具有屬于自己的級別為止。如果節(jié)點已經(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)報文。

(2)時鐘同步建立階段

層次結構建立完成后，根節(jié)點就會廣播時鐘同步報文，開啟時鐘同步階段。當?shù)?級節(jié)點接收到該報文后，立刻向根節(jié)點發(fā)送時鐘同步請求報文進行時鐘同步階段，同時第2級節(jié)點開啟時鐘同步報文監(jiān)聽信道以接收來自第1級的時鐘同步開始報文，當節(jié)點2接收到節(jié)點1的時鐘同步報文后啟動節(jié)點時鐘同步。最終時鐘同步將擴散到全網(wǎng)。

TPSN協(xié)議相鄰兩節(jié)點進行時鐘同步原理如圖1所示。圖中n代表層次等級為n的節(jié)點。首先n級節(jié)點向n+1節(jié)點發(fā)送時鐘同步開啟報文，節(jié)點n+1接收到該報文后向n節(jié)點發(fā)送時鐘同步請求報文，并記錄發(fā)送時間T1。節(jié)點n收到節(jié)點n+1的時間請求報文后用本地時間記錄下接收時刻T2，之后，節(jié)點n構造時鐘同步應答報文并將T2和發(fā)送報文T3時刻填入該報文內(nèi)。節(jié)點n+1收到該報文后記錄接收時刻T4。用d表示消息傳播時延，用Δ表示時間偏移。根據(jù)時間T1～T4可得到:

全局時鐘為

圖1 TPSN協(xié)議時鐘同步原理

2 協(xié)議改進措施

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

(1)發(fā)送時間:發(fā)送方用于構造并將報文轉交給MAC(Media Access Control)層所需的時間。包括內(nèi)核協(xié)議處理、中斷處理時間和緩沖時間等，具有高度的不確定性。它取決于操作系統(tǒng)調用的時間開銷和處理器當前負載。

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

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

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

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

(6)接收處理時間:接收方處理報文傳遞給上層應用所需的時間。

根據(jù)上述分析可知，發(fā)送時間、訪問時間和接收處理時間的不確定性較大，而TPSN的延時計算是建立在雙方時延相等的基礎上，因此本文將填充發(fā)送報文時間戳放與記錄接收報文時間戳的工作都放在MAC層進行，從而有效降低發(fā)送時間與接收處理時間的不確定性。對于訪問時間，本文采用TDMA時分復用協(xié)議，只有在屬于自己發(fā)送時隙階段才允許進行時鐘同步，有線降低了訪問時間因出現(xiàn)信道競爭而導致時間不確定現(xiàn)象。進一步提高時鐘同步精度。

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

WirelessHART網(wǎng)絡節(jié)點通常依靠晶振計時，在標準時間為t的節(jié)點本地時間可用下式表示［6］:

其中，f0為節(jié)點晶振的標準頻率，fi(t)為節(jié)點晶振的實際頻率，t0為起始計時標準時間，Ci(t0)為節(jié)點在t0時刻的本地時間。晶振的頻率在短時間內(nèi)變化非常小，因此可以假設節(jié)點的晶振頻率唯一常數(shù)。故節(jié)點的時鐘可表示為:

由于WirelessHART節(jié)點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，其標稱頻率和實際頻率略有差異，存在如下關系:

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，全局時鐘和本地時鐘在一定的時間范圍內(nèi)呈現(xiàn)線性關系，故可采用線性回歸法對時鐘偏移進行估計，具體實現(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)境的干擾而導致節(jié)點接收到錯誤的時鐘同步數(shù)據(jù)。然而使用線性回歸算法的前提條件是數(shù)據(jù)點的變化在一段時期內(nèi)是線性的，這樣可以比較準確地估計參數(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，一個異常數(shù)據(jù)點可能導致時鐘偏移估計出現(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)對擬合線會造成嚴重的錯誤，甚至造成節(jié)點同步失敗。

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)絡具體應用情況對TPSN同步協(xié)議加以改進，引入了預測區(qū)間來限定進入時間表的數(shù)據(jù)。對于一個給定的x可以以一定的置信度預測對應的y的取值范圍，可以利用該預測區(qū)特點，對新得到的全局時間T和時間表中的數(shù)據(jù)求出t的預測區(qū)間。

設t0是在節(jié)點接收到的全局時間T=T0時對本地時間t的觀察結果，則依據(jù)式(3)、式(6)有，t0的預測值符合:

可以證明t0和^t0相互獨立［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，因為殘差平方和服從分布～χ2(n-2)，由式(10)可以得到

且t0相互獨立，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的預測區(qū)間。如果時間表中的數(shù)據(jù)點數(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的預測區(qū)間近似等于

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

在一次時鐘同步過程中，可得一個節(jié)點時間對(t，Δ)。根據(jù)其中的t和先前估計的線性回歸方程，計算t的預測區(qū)間，然后判斷t是否在預測區(qū)間內(nèi)，如果t在預測區(qū)間內(nèi)，說明這個數(shù)據(jù)點是可以采用的。如果t不在預測區(qū)間內(nèi)，這個數(shù)據(jù)點就是異常的，無需更新時間表。

3 WirelessHART時鐘同步協(xié)議測試

實驗平臺采用本實驗室開發(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調制解調器，AD421電流環(huán)模塊和一個串口輸出。最大瞬時工作電流20 mA，內(nèi)部采用32 768 HZ晶振最為時鐘源，本次測試時長為8 h。測試內(nèi)容為TPSN和改進時鐘同步協(xié)議在同步精度為100μs情況下每小時同步次數(shù)對比。

圖3 每小時同步次數(shù)對比

4 總結

以上測試結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。不可否認該協(xié)議也存在一些缺點，例如該協(xié)議是通過增加MCU計算量換取減少節(jié)點同步次數(shù)。對于WirelessHART場合來說，MCU的計算負擔并不繁重，且在實際應用中，WirelessHART在大部分時間無需通信而處于睡眠狀態(tài)，此外，對于WirelessHART設備來說，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計算量換取減少同步次數(shù)顯得十分必要。

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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 文獻標識碼: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，福州大學碩士研究生，現(xiàn)從事嵌入式系統(tǒng)設計、應用方面研究，184345829@ qq.com;

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