低功耗WirelessHART網絡時鐘同步

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網絡時鐘同步協議改進措施。通過在原有TPSN協議上添加線性回歸法估計通信節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，協議添加異常情況處理機制以減少壞點出現概率。經過WirelessHART通信節點平臺測試，改進時鐘同步協議的時鐘同步周期相對TPSN協議延長百分之十，因此，該改進協議達到有效降低節點功耗的目的。

電子技術;WirelessHART;時鐘同步;TPSN

WirelessHART傳感器網絡是由大量的具備計算，通信和傳感的無線節點連接組成。無線傳感器網絡中的關鍵技術之一是時鐘同步協議，因為時鐘同步協議在低功耗監聽，數據融合，TDMA(Time Division Multiple Access)，同步跳頻系統等發揮了重要作用。如今，時鐘同步協議面臨著如能耗，成本，計算速度，分布密度等一些新的挑戰［1］。

在實際環境中，阻礙WirelessHART網絡發揮最高效率的主要因素是節點間時鐘不確定性。目前，網絡時鐘同步協議主要采用GPS(Global Positioning System)和NTP(Network Time Protocol)兩類協議。GPS是一種衛星廣播系統［2］，該系統由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在廣泛流行于互聯網的NTP網絡時鐘同步協議，然而對于由電池供電的節點，功耗和節點尺寸，成本都將嚴重限制這些時鐘同步協議的應用［4］。此外，分布式WirelessHART網絡節點通常處于惡劣的工作環境，因此，NTP和GPS協議不再適用該網絡。

1 時鐘同步協議介紹

2003年11月，Ganeriwal等人提出了傳感器網絡時鐘同步協議TPSN。目的是提供全網范圍內節點時鐘同步，屬于類客戶服務器模式。TPSN協議規定全網中每個節點都具有唯一的身份編號ID，各節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采用層次型網絡結構，首先將網絡中的節點按照層次結構進行分級，然后每個節點與上一級的其中一個節點進行時鐘同步，最終所有節點都與根節點保持時鐘同步。TPSN分為2個階段:

(1)層次結構建立階段

在部署完WirelessHART網絡之后，根節點廣播層次發現分組，啟動層次結構建立階段。層次分組包含發現節點編號ID和層次號。根節點屬于最高級(0級)節點，在根節點廣播域內的節點收到根節點發送的層次發現分組報文后，將自身層次級別在分組報文級別上降低一級，即1級節點，然后將自己的級別和ID作為新的層次發現分組廣播出去。當某個節點收到第n級節點發送的層次發現分組報文后，記錄發送這個層次分組的節點ID，設置自生層次級別為n+1，直到全網中的所有節點都具有屬于自己的級別為止。如果節點已經建立的自己的層次級別，就忽略其他的層次分組發現報文。

(2)時鐘同步建立階段

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

TPSN協議相鄰兩節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的節點。首先n級節點向n+1節點發送時鐘同步開啟報文，節點n+1接收到該報文后向n節點發送時鐘同步請求報文，并記錄發送時間T1。節點n收到節點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，節點n構造時鐘同步應答報文并將T2和發送報文T3時刻填入該報文內。節點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。根據時間T1～T4可得到:

全局時鐘為

圖1 TPSN協議時鐘同步原理

2 協議改進措施

無線傳感器的時鐘同步是通過節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協議能接受的精度。因此，需要對TPSN協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)發送時間:發送方用于構造并將報文轉交給MAC(Media Access Control)層所需的時間。包括內核協議處理、中斷處理時間和緩沖時間等，具有高度的不確定性。它取決于操作系統調用的時間開銷和處理器當前負載。

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

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

(4)傳播時間:報文以電磁波的形式從發送方至接收方的傳播時間，該時間僅取決于節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。

根據上述分析可知，發送時間、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時分復用協議，只有在屬于自己發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信道競爭而導致時間不確定現象。進一步提高時鐘同步精度。

WirelessHART時鐘同步協議屬于低功耗協議，因此，提高每次時鐘同步的精度遠遠不夠。由于硬件的差異，節點間的時間偏移最大可達40μs/s，而WirelessHART協議規定兩通信節點間最大時鐘漂移不得超過200μs/s，為了確保時鐘同步，節點必須頻繁地進行時鐘同步。考慮到網絡的規模的節點能耗，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網絡節點通常依靠晶振計時，在標準時間為t的節點本地時間可用下式表示［6］:

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

由于WirelessHART節點一般處于工廠這樣惡劣環境中。溫度，供電電壓等外界因素干擾導致晶振頻率呈現不穩定性，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呈現線性關系，故可采用線性回歸法對時鐘偏移進行估計，具體實現公式如下:

由于WirelessHART適配器一般處于環境惡劣的工廠或人跡罕至的戶外，因此極容易受到周圍環境的干擾而導致節點接收到錯誤的時鐘同步數據。然而使用線性回歸算法的前提條件是數據點的變化在一段時期內是線性的，這樣可以比較準確地估計參數值，從而得出線性回歸方程，因此采用線性回歸法對異常數據十分敏感，一個異常數據點可能導致時鐘偏移估計出現較大的偏差。如圖2所示，圖中的直線由未使用異常數據過濾的線性回歸法擬合出的。從圖中可以看出，異常數據對擬合線會造成嚴重的錯誤，甚至造成節點同步失敗。

圖2 未采取數據過濾的線性回歸法

本文根據WirelessHART網絡具體應用情況對TPSN同步協議加以改進，引入了預測區間來限定進入時間表的數據。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，可以利用該預測區特點，對新得到的全局時間T和時間表中的數據求出t的預測區間。

設t0是在節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間為

稱t0的置信度為1-α的預測區間。如果時間表中的數據點數較多，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的置信區間為1-α的預測區間近似等于

當置信度為0.997時，zα/2=2.97，可以近似得到t的預測區間:

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

3 WirelessHART時鐘同步協議測試

實驗平臺采用本實驗室開發的WirelessHART通信模塊。該平臺集成MSP430F4794微處理器，nRF24L01無線發射模塊，AD5700HART調制解調器，AD421電流環模塊和一個串口輸出。最大瞬時工作電流20 mA，內部采用32 768 HZ晶振最為時鐘源，本次測試時長為8 h。測試內容為TPSN和改進時鐘同步協議在同步精度為100μs情況下每小時同步次數對比。

圖3 每小時同步次數對比

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時鐘同步協議相對于TPSN協議的優勢將更加明顯。不可否認該協議也存在一些缺點，例如該協議是通過增加MCU計算量換取減少節點同步次數。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，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接收機的模數轉換器的設計考慮與實現［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，Fubao 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.概率論與數理統計［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，Fuzhou University，Fuzhou 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，現從事嵌入式系統設計、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。