基于相關度的自適應時隙同步工業無線傳輸策略研究*

蔣增文，田 煒，盛四華，吳 善

（中電工業互聯網有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

隨著物聯網技術的深入發展及工業互聯網的興起，無線網絡因其成本低、擴展性好、靈活度高、移動性好、容易安裝等優勢成為工控領域研究的熱點之一，也是工業自動化產品未來新的增長點。

工業無線傳輸對數據傳輸的實時性和可靠性有較為嚴格的要求。行業現狀多基于無線傳感網絡對通信協議進行優化與設計后應用于工業場合。但對于一些工業現場設備和大型工程裝備的無線控制，通常只需要點對點實時傳輸控制指令，實現人機分離的現場控制，以保障操作人員的安全。

工業、科學和醫用（Industrial Scientific Medical，ISM）頻段是工業無線傳輸采用的主要頻段，如何實現信道資源合理有效分配是該頻段通信設備面臨的一個至關重要的問題。基于競爭機制的信道接入（Contention-Based Access）[1]和基于預留機制的信道接入（Reservation-Based Access）[2]是工業無線傳輸的兩大主要信道接入機制。基于競爭的信道接入常見方法是載波偵聽多路訪問（Carrier Sense Multiple Acess）[3]，該方法由于存在競爭延時，在工業控制無線傳輸中使用很少。基于預留機制的信道接入通常有時分多址、頻分多址和碼分多址三種主流技術。時分多址由于其實現簡單、資源占用少等優點而成為工業無線傳輸的首選技術。時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）就是采用時隙的方式來解決無線接入沖突問題，實現可靠有效的傳輸。時間同步和資源分配是實現TDMA 傳輸所面臨的關鍵挑戰[4-5]。

針對工業現場設備點對點無線控制應用場景，通過對TDMA 時隙同步的研究，設計了一種基于相關度的自適應時隙同步工業傳輸策略。該策略要求采用TMDA 方式，實現主從端快速同步建立及自適應同步調整，實現實時穩定可靠的雙向工業控制數據傳輸。

1 時隙同步策略

1.1 問題分析

基于TDMA 的工業無線傳輸系統存在兩個及以上的通信節點，具備獨立的時鐘。在復雜的工業環境下，由于受溫度、中斷處理、信號傳播、信息編解碼等諸多因素的影響，各節點的本地時鐘并不同步。對于具備收發功能的節點，可能存在同時發送或同時接收的沖突問題，從而導致無線通信中斷，可靠性受到極大的影響。解決TDMA 系統的同步問題是無線可靠傳輸的關鍵，也是TDMA 工業傳輸研究的重點。

時鐘同步主要有外同步和內同步[6]兩種方式。外同步依賴于第三方時鐘系統，如全球定位系統（Global Positioning System，GPS）、網絡時間協議（Network Time Protocol，NTP）等，由于依賴第三方時鐘，對工業點對點無線傳輸系統并不適用。在基于晶振時鐘的內部同步算法方面，業界基于無線傳感網有大量的確究。文獻[7]提供了一種基于“接收者—接收者”的時隙同步機制參考廣播同步（References Broadcast Synchronization，RBS）算法，單跳時該算法比較簡單，但同步需要依賴第三方節點的時鐘和信標，消息需要多次交換。文獻[8]提出了一種基于網絡的分層多跳無線傳感網時間同步協議（Time-sync Protocal for Sensor Network，TPSN），該協議采用雙向消息交換機制實現同步，但存在同步維持時間短等問題。文獻[9]基于“送發者—接收者”單向同步機制提出了一種泛洪時間同步協議（Flooding Time Synchronization Protocol，FTSP）時鐘同步算法，該算法需要廣播同步幀且需要攜帶時間戳，節點同步算法比較復雜；文獻[10]提出了一種較為簡單的基于本地時鐘的單向同步算法時延測量時間同步算法（Delay Measurement Time Synchronization，DMTS），該算法考慮到了發送時延的影響，比較簡單，便于實現，通信開銷小。但DMTS 協議并未給出因節點時鐘偏差而帶來的影響。在實際應用中存在因時鐘偏差引起通信中斷的問題。

從工業現場點對點控制的實際需求出發，現有時鐘同步策略存在以下幾個問題：

（1）現有策略多基于無線傳感網絡，兼顧了網絡時隙同步，協議相對龐大，實現復雜，延時相對較大，不適應工業現場控制場景下的點對點通信時隙同步。

（2）RBS、RPSN 和FTSP 協議采用了公共節點作為時間參考，在同步建立上需要在幀中攜帶時間信息，幀數據利用率相對較低。

（3）DMTS 協議采用本地時鐘同步，實現較為簡單，比較適用于本文所述場景的同步要求，但缺少對時鐘偏移影響的考慮，存在同步不穩定問題而導致通信中斷。

為解決上述問題，基于DMTS 提出了一種基于相關度的自適應時隙同步策略（Correlation Based Adaptive Slot Time Synchronization，CA-STS），實現工業點對點控制數據可靠長期穩定傳輸。

1.2 同步建立

CA-STS同步的建立分預同步和同步兩個階段。建立同步以后才能進行控制數據的傳輸，通信幀分為控制幀CCH 和數據幀TCH 兩類。在同步建立階段，每幀包含了前導字和同步字，同步建立以后，每幀只攜帶前導字。為實現同步建立，將時鐘參考節點稱為Master，將同步建立節點稱為Slaver。在同步建立過程中，Slaver 與Master 保持同步。兩節點采用相同收發占空比通信。同步建立的模型如圖1 所示。

圖1 同步建立模型

設模型中一個時隙的時間為Tslot，則有：

式中：Tframe為時隙中數據發送的時間，Tdelay為數據準備所占用的時間，Tresv為數據接收處理所占用的時間。根據數據幀的組成，則有：

式中：Tpremble為發送前導字的時間，Tsyncword為同步字的時間，Tothers為幀中其他數據所占的時間。由于溫度、調制解調、中斷、數據處理等因素的影響，導致Master 啟動發送時會產生一個時延Tdelay，該時延主要包括調制解調時延Tmodule、中斷所占時延Tinterrupt及其他因素帶來的時延Tdelayother。

在同步建立時，Master 端按Tslot時隙交替發送與接收，Slaver 端在沒有建立同步時，一直處于接收狀態，Slaver 的定時器處于禁用狀態，Slaver 在接到空口數據位后，按相關度確定同步是否建立。

給定一個同步字時長為Tsyncword，將同步字分離成一組二進制的同步序列并進行反序計算得到相關序列。Slaver 按接收的次序依次進行相關度計算，根據理論可知，若完全相關，則相關值為同步字位長，相關度為1。相關度計算原理如圖2所示。

圖2 相關度計算模型

第i位數據的相關度為：

式中：Covi表示輸入序列Seq(i) 與相關序列SeqCov(i)的相關值，若全部相關，則Covi為相關序列字長Covlen。

Slaver 按位接收空口數據，每接收一位，進行一次相關度計算，當全相關時，即Covi=Covlen，表示Slaver 與Master 完全匹配。達到相關度閾值時需要啟動Slaver 的定時器進行同步，首次啟動定時器的時間為

式中：Tfixcnt為正常接收數據的起始時間。Slaver 第一次正常接收到同步數據后，定時器啟動，實現與Master 的預同步，同時按發送時隙發送帶同步字的數據，Master 按Tfixcnt接收，完成預同步的正式建立。正式建立后，Master 和Slaver 在規定的時隙內收發，在接收時按Tfixcnt時間作為數據的起始時間進行數據接收和處理。

1.3 自適應策略

在同步建立以后，可以實現Master 和Slaver 按正常的收發時隙進行有序通信。Slaver 與參考時鐘的Master 進行同步。Master 和Slaver 使用獨立的時鐘系統，由于溫度、調制解碼、數據處理等因素的影響，導致Master 和Slaver 在建立完同步一段時間后產生一定的偏差，從而導致收發數據時隙不對齊而產生失步。為保持長期穩定同步，需要建立一套有效的自適應時隙補償策略，以保障時隙有效調整而保持穩定同步。

晶振的波動是引起失步的主要因素。按同步原理可知，失步后會直接引起在同步時約定的Tfixcnt位置接收不到正確的數據，而會導致通信中斷。為實現自適應同步補償，設定一個窗口時間Twindow，假設空口發送一位數據的時間為Tbit，則一個補償窗口中能容忍的最大數位數Ntolerate與Twindow的關系為：

為了補償計算的方便，Ntolerate取大于1 的奇數。

同步建立后，Master 和Slaver 正常取到數據的起始時間為Tfix0，但由于Master 和Slaver 受晶振頻飄等影響，Master 和Slaver 接收數據的起始時間Tfix出現左右偏移，需要進行時間調整。自適應時隙調整原理如圖3 所示。

圖3 自適應同步模型

自適應時間調整以Tbit為最小單位，設最大偏差為Nmd，則有：

設Slaver 接收時間偏差為Toffset，則有：

自適應時隙調整的策略如下：

（1）當Toffset=0 時，表示未產生偏差，不需要進行時隙補償。

（2）當|Toffset|＜(Tmd×Tbit)時，Slaver 的 偏差還在調整窗口以內，不需要進行時隙補償。

（3）當|Toffset|=(Tmd×Tbit) 且Toffset＜0 時，Slaver的偏移到達了調整窗口左側邊界，需要進行調整，定時器的定時時間調整為：

（4）當|Toffset|=(Tmd×Tbit) 且Toffset＞0 時，Slaver的偏移到達了調整窗口右側邊界，需要進行調整，定時器的定時時間調整為：

2 時隙同步策略實現

針對本文提出的基于相關度自適應時隙同步策略，基于ADI 公司的ADF7030 芯片設計了一套適用于工業現場控制的無線傳輸系統，用于驗證同步策略的可行性。

2.1 硬件系統設計

同步策略硬件射頻部分采用2GFSK 調制，數據采用RS 前向糾錯碼和信息加擾技術，空口數據通過ADF7030 的CLK 和DATA 接入到LPC1754 中進行數據的編解碼處理。LPC1754 通過SPI 接口對ADF7030 進行配置，包括調制方式、空口速率、端口映射、發送功率、IF 和LNA 等射頻參數。硬件原理框圖如圖4 所示。

圖4 基于ADF7030 的硬件原理

Master 和Slaver 帶有獨立的時鐘系統，支持數據發送和接收，空口的發送和接收通過一個電子開關進行切換，電子開關由LPC1754 的I/O 根據時隙同步要求進行控制。

2.2 時隙狀態機設計

時隙同步系統有預同步PSYNC、同步SYNC、連接CONC 三種狀態，構成同步系統的狀態機，狀態機的切換邏輯如圖5 所示。

圖5 時隙同步狀態機

PSYNC 為同步系統的初始狀態，在接收到同步字后，從PSYNC 狀態切換到SYNC 狀態，SYNC 握手成功則可以切換到CONC 狀態。CONC 狀態為連接成功的最終狀態，若失步或同步握手失敗，會切換到PSYNC 狀態。CONC 狀態下不能切換到SYNC 狀態。

設置時隙為60 ms，Master 在完成初始化后，按正常時隙進行數據的接收與發送。Master 采用定時器中斷對收發標識進行置位，約定0 表示發送數據，1 表示接收數據。每產生一次定時中斷，標識改變一次。時隙分配邏輯如圖6 所示。

圖6 時隙分配邏輯

Slaver 在初始狀態時，定時器處于禁用狀態，接收數據并計算相關度，根據相關度閾值，達到閾值后啟動Slaver 定時器，按時隙發起預同步確認并進入同步狀態。此時Master 和Slaver 都按時隙進行收發。Slaver 在啟動定時器后，通過定時器中斷產生時隙標識，約定當標識為1 時表示發送數據，標識為0 時表示接收數據。在SYNC 階段進行4 個時隙的同步確定后進入連接狀態CONC，CONC 時Slaver 和Master 都通過定時器中斷按約定的時隙進行數據收發。從而解決了Master 和Slaver 因時隙不同步問題而導致通信沖突。在進入SYNC 和CONC時隙后，Slaver 啟動與Master 的自適應同步補償調整，避免失步問題出現。

2.3 編碼與幀設計

同步系統的幀分為控制幀和數據幀兩類，由1位幀標識進行區分。在PSYNC 狀態和SYNC 狀態下傳輸的是控制幀（用1 標識），在CONC 狀態下傳輸的是數據幀（用0 標識）。

本系統設計的原始數據長度為65 位，包括56位數據、8 位校驗和1 位幀標識。如圖7 所示，在PSYNC 和SYNC 階段，56 位數據中包含了32 位的同步字、16 位的系統ID 和8 位的序列種子。

圖7 時隙同步幀設計

在PSYNC 階段，65 位的原始數據進行前向糾錯編碼，采用RS(31,13)碼，通過編碼后的數據從65 位增加到155 位，由于程序按字節處理數據，需要將155 位補齊到160 位，即20 字節的編碼數據。空口發送時，為了能快速時鐘恢復，按ADF7030 芯片手冊，增加24 位01 交替的前導碼。為此，一個時隙需要發送或者接收的數據長度為184 位，即23 個字節。

在預同步完成進入SYNC 和CONC 狀態后，為保證數據安全，增加了擾碼。擾碼采用偽隨機序列，Slaver 根據存儲器中的ID 與運行計算器相加取低8位作為種子，在PSYNC 階段的預同步確認時發送給Master，并同步生成長度為160 位的偽隨機序列。Master 在收到種子以后也同步生成偽隨機序列。為此在進入SYNC 和CONC 階段，RS 編碼補齊后的數據采用偽隨機序列進行加擾后再發送，對端則采用相同的偽隨機序列進行解擾和解碼，得到原始數據。加解擾設計原理如圖8 所示。

2.4 自適應同步設計

Master 和Slaver 都依賴于定時器中斷產生時隙，在工程實現時，需要將接收起始時間Tfixcnt換算成接收數據起始位置fixrevcnt。同步時Master 作為參考時鐘，Slaver 根據接收到的同步字的相關度進行預同步定位，并根據同步定位的位置設置Slaver 的定時器值，實現與Master 的同步。在完成預同步以后，Master 和Slaver 已建立了同步的時隙，可以按時隙正常收發數據，避免了通信沖突。Slaver 根據接收位置的偏差自適應調整定時器值，以維持正常的同步時隙。

本文設計將最大的調節窗口Ntolerate設置為5，就是當偏差為2 個位時，即當Nmd=2 時，進行一次時隙調整。本文使用的LPC1754 外設頻率為fpclk=24 000 000 Hz，Master 端定時器時間為：

設置ADF7030 的空口發送速度為Vradio=4 100 bit/s，則每發送1 位對應的定時器值為：

根據發送空口速率與時隙可以計算得到一個時隙最多可以發送的數據為246 位。

通過對收發系統的調試，測得初始同步時接收位置fixrevcnt0=29。

Slaver 在接收到fixrevcnt0后，啟動定時器，設Slaver 端第一次啟動定時器的計數值為T0MR0st0，則有：

通過對Slaver 初始定時器值的調整，使Slaver與Master 建立同步關系。

隨著通信時間的推移，由于Master 和Slaver 時鐘系統的偏差，導致接收起始位置fixrevcnt與fixrevcnt0產生一個偏差。設Slaver端的位置偏差為Noffset，則有：

根據上節自適應原理可知，當且僅當|Noffset|=2時需要進行時隙補償，即調整Slaver定時器計算器值。

（1）當Noffset＞0 時，Slaver 時隙相對Master 時隙超前了Nmd，即2 bit。此時Slaver 定時器修正為：

（2）當Noffset＜0 時，Slaver 時隙相對Master 時隙滯后了Nmd，即2 bit。此時Slaver 定時器修正為：

3 驗證評估

3.1 驗證環境

使用ADF7030 芯片搭建同步系統測試環境對基于相關度的自適應時隙同步策略進行測試驗證，評估相關度與同步建立速度和自適應同步的有效性，測試環境的基本參數如表1 所示。

表1 環境參數配置

3.2 相關度與同步建立速度評估

同步建立速度及失步率是時隙同步系統評估的一個重要指標。基于ADF7030 的實物硬件環境，對CA-STS 同步策略的同步時間及失步率進行評估。Master 端采用LPC1754 定時器統計Master 從發送第一幀到獲取預同步確認所需要的時間，定義該時間為同步建立時間，即建立同步所需要的時間。在建立同步后，若1 分鐘內快速斷開，則為同步失敗，測試過程中失敗次數與同步測試次數的比值稱為失步率。根據同步建立時相關度的取值測試同步時間和失步率。每個相關度測試50 個點，指定相關度下同步時間為50 個測試點的平均值。通過串口打印記錄數據，借助Python 的Matplotlib 庫統計分析，得到圖9 所示的曲線。

圖9 相關度與同步建立時間及失步率評估

從曲線分析可知，建立同步時同步字的相關度越高，同步時間越短，失步率越低。從測試可知，當相關度大于0.95 時，同步可以在0.3 s 內建立，失步率接近0。結合工程實際應用經驗，推薦在建立同步時同步字相關度取值大于或等于95%。

3.3 自適應同步評估

DMTS 提出了一種基于本地時鐘的較為簡單的同步方法，本文在DMTS 的基礎上提出了一種基于相關度的自適應同步的策略CA-STS，以解決DMTS 不能長期維持同步問題，為此CA-STS 自適應同步的性能直接關系到策略的優劣。本文先根據DMTS 的原理在基于ADF7030 的同步系統中實現了DMTS 算法并建立了同步。使用串口將起始位置fixrevcnt記錄下來，通過Python 的Matplotlib 庫進行了分析。

然后基于ADF7030 同步系統實現了CA-STS 策略，在建立同步后，測試了Ntolerate=5 時的自適應同步性能，并通過串口記錄Master 和Slaver 各自取數的起始位置。通過Matplotlib 進行分析，結果如圖10 所示。

圖10 自適應同步曲線

測試表明，DMTS 算法能建立有效的時隙同步，并在建立初期保持一段時間的同步，但隨著時間的推移，Master 和Slaver 收數起始位置fixrevcnt離同步時的位置偏差越來越大，持續約500 個時隙后出現失步，Master 和Slaver 的通信受到影響而斷開。CA-STS 同步策略由于引入了基于位的時隙補償自適應同步機制，從測試結果可以看出，建立同步以后，Master 和Slaver 隨時間推移發生了偏差，當fixrevcnt偏差為2 時，Slaver 進行了時隙補償，Master和Slaver 的采數位置自動恢復到初始定位狀態，保持了較好的同步。從測試的2 100 個時隙來看，CA-STS 同步策略可以自適應地修正時鐘偏差，保持有效的同步。

為測試CA-STS 同步的持續性，修改狀態機，在進入CONC 狀態后，若出現失步斷開，進入IDEL 狀態并通過串口打印出該狀態，此時Master和Slaver 不再進入PSYNC 狀態。連續測試72 h，未見Master 和Slaver 進入IDEL 狀態，串口無異常打印。

4 結語

在工業現場及工程裝備的點對點無線控制中，TDMA 可以很好地解決無線信道接入沖突問題，但必須建立時隙同步。本文在研究分析了基于無線傳感網的網絡同步算法后，提出了一種基于相關度的自適應時隙同步策略CA-STS，并通過ADF7030芯片實現了該同步算法。工程實地測試表明，該CA-STS 時隙同步策略算法簡單，有較快的同步建立速度（相關度大于95%時，同步建立時間小于0.3 s）。通過自適應時隙同步算法，在修正時間窗口可以有效地修正時隙偏移而保持穩定的時隙同步（工程測試72 h，無失步），控制指令響應時間小于100 ms。測試表明，CS-STS 同步策略適用于點對點工業控制場景，有較大的應用價值。