低功耗WirelessHART网络时钟同步

黄 涛，黄世震

(福州大学福建省微电子集成电路重点实验室，福州350002)

低功耗WirelessHART网络时钟同步

黄 涛，黄世震*

(福州大学福建省微电子集成电路重点实验室，福州350002)

提出一种基于TPSN(Timing-Sync Protocol for Sensor Networks)的WirelessHART网络时钟同步协议改进措施。通过在原有TPSN协议上添加线性回归法估计通信节点间的时钟偏差以延长时钟同步周期并针对工厂存在强干扰，协议添加异常情况处理机制以减少坏点出现概率。经过WirelessHART通信节点平台测试，改进时钟同步协议的时钟同步周期相对TPSN协议延长百分之十，因此，该改进协议达到有效降低节点功耗的目的。

电子技术;WirelessHART;时钟同步;TPSN

WirelessHART传感器网络是由大量的具备计算，通信和传感的无线节点连接组成。无线传感器网络中的关键技术之一是时钟同步协议，因为时钟同步协议在低功耗监听，数据融合，TDMA(Time Division Multiple Access)，同步跳频系统等发挥了重要作用。如今，时钟同步协议面临着如能耗，成本，计算速度，分布密度等一些新的挑战［1］。

在实际环境中，阻碍WirelessHART网络发挥最高效率的主要因素是节点间时钟不确定性。目前，网络时钟同步协议主要采用GPS(Global Positioning System)和NTP(Network Time Protocol)两类协议。GPS是一种卫星广播系统［2］，该系统由GPS接收机接收高精度时间信息，从而获得较高精度的时钟同步，但是GPS接收机价格较为昂贵［3］。另外一种方法是采用现在广泛流行于互联网的NTP网络时钟同步协议，然而对于由电池供电的节点，功耗和节点尺寸，成本都将严重限制这些时钟同步协议的应用［4］。此外，分布式WirelessHART网络节点通常处于恶劣的工作环境，因此，NTP和GPS协议不再适用该网络。

1 时钟同步协议介绍

2003年11月，Ganeriwal等人提出了传感器网络时钟同步协议TPSN。目的是提供全网范围内节点时钟同步，属于类客户服务器模式。TPSN协议规定全网中每个节点都具有唯一的身份编号ID，各节点间的通信链路是半双工的，通过双向的消息交换以达到全局时钟同步。TPSN采用层次型网络结构，首先将网络中的节点按照层次结构进行分级，然后每个节点与上一级的其中一个节点进行时钟同步，最终所有节点都与根节点保持时钟同步。TPSN分为2个阶段:

(1)层次结构建立阶段

在部署完WirelessHART网络之后，根节点广播层次发现分组，启动层次结构建立阶段。层次分组包含发现节点编号ID和层次号。根节点属于最高级(0级)节点，在根节点广播域内的节点收到根节点发送的层次发现分组报文后，将自身层次级别在分组报文级别上降低一级，即1级节点，然后将自己的级别和ID作为新的层次发现分组广播出去。当某个节点收到第n级节点发送的层次发现分组报文后，记录发送这个层次分组的节点ID，设置自生层次级别为n+1，直到全网中的所有节点都具有属于自己的级别为止。如果节点已经建立的自己的层次级别，就忽略其他的层次分组发现报文。

(2)时钟同步建立阶段

层次结构建立完成后，根节点就会广播时钟同步报文，开启时钟同步阶段。当第1级节点接收到该报文后，立刻向根节点发送时钟同步请求报文进行时钟同步阶段，同时第2级节点开启时钟同步报文监听信道以接收来自第1级的时钟同步开始报文，当节点2接收到节点1的时钟同步报文后启动节点时钟同步。最终时钟同步将扩散到全网。

TPSN协议相邻两节点进行时钟同步原理如图1所示。图中n代表层次等级为n的节点。首先n级节点向n+1节点发送时钟同步开启报文，节点n+1接收到该报文后向n节点发送时钟同步请求报文，并记录发送时间T1。节点n收到节点n+1的时间请求报文后用本地时间记录下接收时刻T2，之后，节点n构造时钟同步应答报文并将T2和发送报文T3时刻填入该报文内。节点n+1收到该报文后记录接收时刻T4。用d表示消息传播时延，用Δ表示时间偏移。根据时间T1～T4可得到:

全局时钟为

图1 TPSN协议时钟同步原理

2 协议改进措施

无线传感器的时钟同步是通过节点间传递时间消息包来完成的，在消息传递的各个阶段都会有时间延迟，这些时延有可能大大超出WirelessHART协议能接受的精度。因此，需要对TPSN协议各个阶段的时延进行深入分析和补偿。按照消息传输过程，可以把消息传输时延分为下面几个部分［5］:

(1)发送时间:发送方用于构造并将报文转交给MAC(Media Access Control)层所需的时间。包括内核协议处理、中断处理时间和缓冲时间等，具有高度的不确定性。它取决于操作系统调用的时间开销和处理器当前负载。

(2)访问时间:发送方从MAC层获得报文后等待传输信道空闲到成功发送所需的时间，即从等待信道空闲到消息发送开始的延迟。

(3)传输时间:发送方发送报文时间，该时间因为报文在无线链路的物理层按位发送，因此传输时间比较确定。传输时间取决于报文长度和发射速率。

(4)传播时间:报文以电磁波的形式从发送方至接收方的传播时间，该时间仅取决于节点间的距离和传播媒介，因此具有确定性。

(5)接收时间:接收方按位接收报文并传递给MAC层的时间。与传输时间完全相同。

(6)接收处理时间:接收方处理报文传递给上层应用所需的时间。

根据上述分析可知，发送时间、访问时间和接收处理时间的不确定性较大，而TPSN的延时计算是建立在双方时延相等的基础上，因此本文将填充发送报文时间戳放与记录接收报文时间戳的工作都放在MAC层进行，从而有效降低发送时间与接收处理时间的不确定性。对于访问时间，本文采用TDMA时分复用协议，只有在属于自己发送时隙阶段才允许进行时钟同步，有线降低了访问时间因出现信道竞争而导致时间不确定现象。进一步提高时钟同步精度。

WirelessHART时钟同步协议属于低功耗协议，因此，提高每次时钟同步的精度远远不够。由于硬件的差异，节点间的时间偏移最大可达40μs/s，而WirelessHART协议规定两通信节点间最大时钟漂移不得超过200μs/s，为了确保时钟同步，节点必须频繁地进行时钟同步。考虑到网络的规模的节点能耗，这样频繁通信是不可取的。因此，本论文引入了时钟偏移估计法，在待同步节点引入一个时间表(ti，Δi)，使用本地时间t和时钟漂移Δ来估计时钟偏移，对由时钟偏移造成的误差进行补偿。

WirelessHART网络节点通常依靠晶振计时，在标准时间为t的节点本地时间可用下式表示［6］:

其中，f0为节点晶振的标准频率，fi(t)为节点晶振的实际频率，t0为起始计时标准时间，Ci(t0)为节点在t0时刻的本地时间。晶振的频率在短时间内变化非常小，因此可以假设节点的晶振频率唯一常数。故节点的时钟可表示为:

由于WirelessHART节点一般处于工厂这样恶劣环境中。温度，供电电压等外界因素干扰导致晶振频率呈现不稳定性，再加上晶振的制造工艺限制，其标称频率和实际频率略有差异，存在如下关系:

ρ称为绝对频率上界，一般在1×10-6～1× 10-4(每秒偏移1μs～100μs)左右［7］。式(5)可以简化表示为:

由式6可知，全局时钟和本地时钟在一定的时间范围内呈现线性关系，故可采用线性回归法对时钟偏移进行估计，具体实现公式如下:

由于WirelessHART适配器一般处于环境恶劣的工厂或人迹罕至的户外，因此极容易受到周围环境的干扰而导致节点接收到错误的时钟同步数据。然而使用线性回归算法的前提条件是数据点的变化在一段时期内是线性的，这样可以比较准确地估计参数值，从而得出线性回归方程，因此采用线性回归法对异常数据十分敏感，一个异常数据点可能导致时钟偏移估计出现较大的偏差。如图2所示，图中的直线由未使用异常数据过滤的线性回归法拟合出的。从图中可以看出，异常数据对拟合线会造成严重的错误，甚至造成节点同步失败。

图2 未采取数据过滤的线性回归法

本文根据WirelessHART网络具体应用情况对TPSN同步协议加以改进，引入了预测区间来限定进入时间表的数据。对于一个给定的x可以以一定的置信度预测对应的y的取值范围，可以利用该预测区特点，对新得到的全局时间T和时间表中的数据求出t的预测区间。

设t0是在节点接收到的全局时间T=T0时对本地时间t的观察结果，则依据式(3)、式(6)有，t0的预测值符合:

可以证明t0和^t0相互独立［8］，由式(8)、式(9)可得:

其中Qε称作残差平方和是σ2的无偏估计，因为残差平方和服从分布～χ2(n-2)，由式(10)可以得到

且t0相互独立，故有

对于给定的置信度1-α，有

由此可以得到置信区间为

称t0的置信度为1-α的预测区间。如果时间表中的数据点数较多，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的置信区间为1-α的预测区间近似等于

当置信度为0.997时，zα/2=2.97，可以近似得到t的预测区间:

在一次时钟同步过程中，可得一个节点时间对(t，Δ)。根据其中的t和先前估计的线性回归方程，计算t的预测区间，然后判断t是否在预测区间内，如果t在预测区间内，说明这个数据点是可以采用的。如果t不在预测区间内，这个数据点就是异常的，无需更新时间表。

3 WirelessHART时钟同步协议测试

实验平台采用本实验室开发的WirelessHART通信模块。该平台集成MSP430F4794微处理器，nRF24L01无线发射模块，AD5700HART调制解调器，AD421电流环模块和一个串口输出。最大瞬时工作电流20 mA，内部采用32 768 HZ晶振最为时钟源，本次测试时长为8 h。测试内容为TPSN和改进时钟同步协议在同步精度为100μs情况下每小时同步次数对比。

图3 每小时同步次数对比

4 总结

以上测试结果是在温度变化范围较大的情况下取得的数值，然而对于外界温度变化范围较小，干扰较少的场合中，该WirelessHART时钟同步协议相对于TPSN协议的优势将更加明显。不可否认该协议也存在一些缺点，例如该协议是通过增加MCU计算量换取减少节点同步次数。对于WirelessHART场合来说，MCU的计算负担并不繁重，且在实际应用中，WirelessHART在大部分时间无需通信而处于睡眠状态，此外，对于WirelessHART设备来说，功耗最高的并不是MCU(平均工作电流为400μA)，而是无线收发模块(平均工作电流为12 mA)，因此，通过增加MCU计算量换取减少同步次数显得十分必要。

［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，叶甜春，马成炎.用于CMOS低中频GPS接收机的模数转换器的设计考虑与实现［J］.电子器件，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］盛骤，谢式千.概率论与数理统计［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 文献标识码:A 文章编号:1005-9490(2014)01-0085-04

2013-04-20修改日期:2013-05-14

EEACC:6150P

黄 涛(1988-)，男，汉族，福建省厦门市人，福州大学硕士研究生，现从事嵌入式系统设计、应用方面研究，184345829@ qq.com;

黄世震(1968-)，男，高级工程师，博士，福州大学硕士生导师。主要从事微电子，纳米材料、集成电路方面研究。