基于TDMA的工業(yè)無線網(wǎng)時間同步算法改進與實現(xiàn)

林雄民，楊劍鋒，郭成城，何澤瑞

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430072)

基于TDMA的工業(yè)無線網(wǎng)時間同步算法改進與實現(xiàn)

林雄民，楊劍鋒，郭成城，何澤瑞

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430072)

摘要:基于TDMA機制的MAC層接入?yún)f(xié)議在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的實時性保證方面具有極大的優(yōu)勢。然而要保證該機制微秒級的時隙調(diào)度，網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點必須保持時間同步的高精度。針對現(xiàn)有的一些同步算法并不能完全滿足這種高精度時間同步要求的問題，在傳統(tǒng)的時間同步算法基礎(chǔ)上，添加時鐘漂移預(yù)測與補償機制，改進得到一種具有同步精度高、能量消耗低等優(yōu)點的同步算法——ITR(Improved Wireless Sensor Networks Time Synchronization Algorithm Based On TPSN and RBS)，并在RouterBOARD493G路由節(jié)點上進行實驗測試。實驗結(jié)果表明ITR同步算法的平均同步誤差比傳統(tǒng)同步算法降低了約52%。

關(guān)鍵詞:TDMA；時間同步算法；時鐘漂移；ITR；ath9k

IEEE802.11協(xié)議標準是由IEEE(國際電氣和電子工程協(xié)會)制定于1997年的無線局域網(wǎng)絡(luò)標準，因其高速靈活的特點而成為工業(yè)無線控制網(wǎng)的首選技術(shù)[1]。然而該協(xié)議標準在數(shù)據(jù)鏈路層采用載波偵聽多路訪問/沖突退避(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance，CSMA/CA)通信機制。雖然CSMA機制具有高靈活性和高能量效率等特點，但其采用信道檢測沖突退避的機制難以保證通信時延。TDMA機制的無競爭信道接入方式可以有效地提高信道利用率，避免碰撞沖突，保障嚴格的時延要求[2]。在TDMA機制能夠進一步地應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的過程中，時間同步算法起到了重要作用。

時間同步算法一般有3類：參考廣播時間同步算法(如RBS算法等)、雙向時間同步算法(如TPSN算法等)和單向時間同步算法(如FTSP算法、DMTS算法等)[3]。這3種同步算法適用的場景不同，各方面也有所差異。

在RBS(ReferenceBroadcastSynchronization)算法的過程中，同步并不是在發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點之間進行，而是在被動接收的節(jié)點之間進行，發(fā)送同步消息報文的節(jié)點并不是全網(wǎng)的標準同步源，接收節(jié)點收到消息包后立即記錄本地時鐘值，然后根據(jù)該時間值來判斷計算待同步節(jié)點間的時間偏差，兩個進行同步的節(jié)點中的一個根據(jù)時間偏差值來調(diào)整本地時鐘來實現(xiàn)同步[4]。

然而RBS算法具有同步精度不高、在大規(guī)模多跳網(wǎng)絡(luò)中擴展性不好等缺點，而且由于在實際應(yīng)用中發(fā)送節(jié)點也需要進行同步，必須尋找網(wǎng)絡(luò)中另一節(jié)點作為發(fā)送節(jié)點，造成了同步的復(fù)雜度和能耗提高。

TPSN(Timing-syncProtocolforSensorNetworks)算法的核心思想是，為網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點分配具有唯一性的ID號，節(jié)點間的時間同步通過雙向交換帶時間值的消息來進行[5]。在網(wǎng)絡(luò)中，以一個根節(jié)點的時鐘作為全網(wǎng)的基準時鐘，所有子節(jié)點的時間都和根節(jié)點的時間保持同步。TPSN算法的同步過程可以分為層次發(fā)現(xiàn)階段與時間同步階段。TPSN算法采用在同步消息即將要發(fā)往無線信道的時候才在MAC層添加時間戳的方式，來消除由訪問時間帶來的時間同步延遲，實現(xiàn)更高的同步精度。此外，TPSN算法還消除或降低了傳播時間延遲和接收時間延遲，進一步提高了同步精度。

但是TPSN算法最大缺陷就是，如果根節(jié)點失效，網(wǎng)絡(luò)的時間同步將無法進行。此外，當有新的節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時，需要對整個網(wǎng)絡(luò)重新進行分層，在能耗極大增加的同時，算法穩(wěn)定性也降低了[6]。

因此，本文在RBS算法和TPSN算法的基礎(chǔ)上，添加了時鐘漂移預(yù)測和在非同步周期進行補償?shù)臋C制，并在能量消耗、同步精度及穩(wěn)定性方面做出一些優(yōu)化，改進得到了適用于多跳網(wǎng)絡(luò)的時間同步算法——ITR(ImprovedWirelessSensorNetworksTimeSynchronizationAlgorithmBasedOnTPSNandRBS)。通過在硬件平臺RB494G上進行實驗測試，驗證了ITR算法的高同步精度和高能耗效率。

1改進的時間同步算法ITR

ITR算法通過加入時鐘漂移預(yù)測與補償機制，適當增大了同步周期，在提高算法同步精度的同時，也降低了節(jié)點能耗。該算法的實現(xiàn)過程分兩個階段：網(wǎng)絡(luò)分層階段和時間同步階段。

1.1網(wǎng)絡(luò)分層階段

該階段的主要目的是使網(wǎng)絡(luò)形成一個多層次的拓撲結(jié)構(gòu)，為每個節(jié)點分配一個層次號。首先，選取某一個節(jié)點作為根節(jié)點，并為該節(jié)點分配一個層次號0。然后該節(jié)點廣播分層消息報文，報文中包含該節(jié)點的ID和層次號。當根節(jié)點廣播范圍之內(nèi)的其他子節(jié)點收到消息報文時，提取出其中的層次號，并檢查本節(jié)點是否已經(jīng)擁有層次號。如果沒有，就將提取得到的層次號加上1作為本節(jié)點的層次號；如果有，并且本節(jié)點的層次號比提取得到的層次號小1，則將發(fā)送消息的節(jié)點的ID添加到子節(jié)點表中；如果有，并且層次號比提取得到的層次號大或者相等，那么就不做處理。重復(fù)以上過程，最后整個網(wǎng)絡(luò)形成了一個樹型的多層次拓撲結(jié)構(gòu)，且每個非葉子節(jié)點都有自己廣播范圍內(nèi)的下層子節(jié)點的ID號，如圖1所示。

圖1　層次生成樹

當新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時，ITR算法不需要對網(wǎng)絡(luò)重新進行分層。新節(jié)點向樹型拓撲網(wǎng)廣播包含本節(jié)點ID的層次號請求消息，鄰居節(jié)點接收到該請求包后，將回復(fù)一個響應(yīng)消息，該消息中含有本節(jié)點的ID和層次號。新節(jié)點收到響應(yīng)消息以后，提取其中的層次號，并將層次號最小的節(jié)點作為父節(jié)點，從而完成新節(jié)點加入到原本穩(wěn)定的拓撲網(wǎng)絡(luò)中。

1.2時間同步階段

本階段采用發(fā)送端—接收端雙向交換時間值的方式來計算時間偏差，然后根節(jié)點通過單向參考廣播的方式向下層的子節(jié)點廣播時間偏差值，子節(jié)點根據(jù)偏差值進行相應(yīng)修改。同步逐層進行，直至全網(wǎng)節(jié)點都完成與根節(jié)點的同步。首先，根節(jié)點選擇與一個最近的子節(jié)點來進行雙向同步(例如圖1中的根節(jié)點A選擇與子節(jié)點C進行同步)，以減小節(jié)點間的物理距離引起的傳輸延遲，提升同步精度。根節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)廣播同步分組報文，該報文的信息包含有根節(jié)點的ID、層次號、指定應(yīng)答的子節(jié)點ID和根節(jié)點的發(fā)送時間值T1。在根節(jié)點廣播范圍里所有的一跳子節(jié)點收到了該消息后，記錄接收到該消息時的本地時間值T2'。但是只有消息中指定ID的子節(jié)點進行應(yīng)答，應(yīng)答消息中包含該子節(jié)點ID、層次號、時間值T1、時間值T2(該應(yīng)答子節(jié)點收到廣播同步消息報文時的本地時鐘值)以及發(fā)送應(yīng)答消息時的本地時間值T3。根節(jié)點收到應(yīng)答消息后，記錄下本地時間值T4。于是根節(jié)點就得到4個時間值：T1，T2，T3和T4。

根節(jié)點計算節(jié)點時間偏差值Offset與傳播延遲Delay的過程如圖2所示，其中用D表示傳播時延，用F表示時間偏差。

圖2　雙向時鐘同步算法原理

由關(guān)系式T1+D+F=T2與T3+D-F=T4可得到

(1)

(2)

接著，根節(jié)點再向網(wǎng)絡(luò)廣播一個同步消息包，該消息中含有該節(jié)點的ID、時間值T2和式(2)所計算得到的時間偏差F。一跳范圍內(nèi)的子節(jié)點根據(jù)該消息包中的時間偏差值F來調(diào)整本地時鐘。每個子節(jié)點將消息中提取得到的T2值與之前記錄下的T2′值進行比較，得到一個參考性的時間差值F′=T2′-T2，F(xiàn)′表示本節(jié)點與同層次中被指定應(yīng)答的節(jié)點的時鐘偏差，最后一跳范圍內(nèi)所有的子節(jié)點修改本地時鐘值為T-F-F′，T為修改前的本地時鐘值。使用同樣的方法，最后網(wǎng)絡(luò)中的所有子節(jié)點都與根節(jié)點完成了同步。

1.3時鐘漂移估計與補償

一般的時間同步算法(如TPSN、RBS算法)僅能保證在同步時刻的精度，卻沒有考慮非同步周期內(nèi)時鐘漂移的影響[7]。為保證節(jié)點同步間隙內(nèi)的時間同步的準確性，本文的ITR算法加入了時鐘漂移的估計與補償技術(shù)。同步節(jié)點根據(jù)之前接收到的時鐘偏差值F來動態(tài)地估算下一次同步操作時刻的時鐘偏移量，并且在非同步周期內(nèi)根據(jù)該估算值進行補償，從而有效地控制時間誤差在兩次同步之間的自由增長，進一步提高精度。此外，這一技術(shù)使節(jié)點的時間同步不需要完全按照同步周期進行，在不影響正常通信的前提下，可適當增大同步周期，以減少節(jié)點的同步信息發(fā)送量，降低能耗，延長節(jié)點的壽命。

本文采用加權(quán)平均的方式來估算時鐘偏移量，即距離當前時刻越遠的時間偏差的權(quán)重越小，而距離當前時刻越近的時間偏差權(quán)重越大。同步節(jié)點根據(jù)估算得到的下次同步操作時的時鐘偏差量，再根據(jù)本地的時間值和同步周期來做補償[8]。

(3)

式中：x表示權(quán)值，其大小關(guān)系滿足xN>xN-1>…>x3>x2>x1且xN+xN-1+…+x3+x2+x1=1。

通過上式估算出的時鐘漂移值，在非同步周期完成時鐘補償。補償?shù)姆椒ㄊ?/p>

(4)

2ITR時間同步算法的實現(xiàn)

2.1ITR時間同步算法的程序流程

2.1.1根節(jié)點

根節(jié)點開機啟動后進行系統(tǒng)初始化，然后完成網(wǎng)絡(luò)分層和時間同步。具體流程如圖3所示。

圖3　根節(jié)點同步流程

2.1.2子節(jié)點

子節(jié)點先判斷是否加入了網(wǎng)絡(luò)中，即檢查是否擁有一個層次號。如果沒有，就向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送一個層次號請求包，進行加入網(wǎng)絡(luò)的過程。接著進行同步過程，具體流程如圖4所示。

圖4　子節(jié)點同步流程

2.2修改ath9k網(wǎng)卡驅(qū)動實現(xiàn)ITR時間同步算法

ITR時間同步算法的實現(xiàn)采用的是硬件時間戳法。Atheros無線網(wǎng)卡芯片自帶TSF定時器，它是一個64bit的定時器，工作頻率1MHz，每計一次數(shù)的時間是1μs。為了達到時間同步的要求，發(fā)送端應(yīng)能夠在其物理層信標幀上的24～31byte打上時間戳，即TSF定時器的計數(shù)值。而接收端則提取出信標幀內(nèi)包含的TSF值的低32位并記錄下來。在實現(xiàn)雙向時間同步算法時，通過帶有TSF值的beacon幀來完成時間戳值的交換，然后計算時間偏差值，所以需要對beacon幀的結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)的修改。

對于根節(jié)點，需要在發(fā)送時間同步信息時附需帶本節(jié)點的時間值，即在廣播beacon幀時，需要在幀結(jié)構(gòu)的可添加字段上添加TSF計數(shù)值。這可以通過修改OpenWrt路由操作系統(tǒng)ath9k驅(qū)動中beacon.c文件下的ath9k_beacon_generate函數(shù)及ath9k_beacon_tasklet函數(shù)來實現(xiàn)。先增加一個structath_hw*ah函數(shù)參數(shù)，再在函數(shù)中添加提取得到的TSF值到timestamp時戳中：

mgmt_hdr->u.beacon.timestamp=cpu_to_le64(ath9k_hw_gettsf64(ah))

這其中的ath9k_hw_gettsf64函數(shù)用于獲取本地的TSF定時器計數(shù)值[9]。

對于參與同步的子節(jié)點，在收到根節(jié)點廣播的beacon同步信息幀時，首先通過if(ID_num== 0x01)檢查該幀是否來自根節(jié)點。這里通過ID號來過濾識別，只對目標根節(jié)點的beacon幀進行處理。之后提取出beacon幀中的數(shù)據(jù)以及時間偏差值：

u64q_tsf0 = 0;

structieee80211_mgmt*mgmt= (void*)skb->data;

q_tsf0=le64_to_cpu(mgmt->u.beacon.timestamp);

最后重置本地的TSF定時器計數(shù)值：

ath9k_hw_settsf64(ah，q_tsf0);

其中ath9k_hw_settsf64函數(shù)的功能是通過對硬件寄存器寫入來完成重置TSF計數(shù)值。

上文中提出的時鐘漂移估計與補償機制，也是在底層驅(qū)動ath9k中實現(xiàn)的。下面的Clock_Drift_Prediction和Clock_Modify偽代碼分別實現(xiàn)時鐘漂移估計和時鐘漂移補償。

u64Clock_Drift_Prediction(u64F[]，intn)

處理之前得到的n個時鐘偏差值

{

intF_sum= 0；

for(inti=0；i

{

F_sum=F_sum+F[i] *pow(1/2，n+1-i)；

}

u64F_Pre=F_sum/n；

returnF_Pre；

}

Clock_Drift_Prediction中的時鐘漂移預(yù)測權(quán)值的基準為1/2，最近的權(quán)值(即最大權(quán)值)為1/2，下一個為1/2的平方，再下一個為1/2的三次方，依次按1/2的n次方對權(quán)值進行指數(shù)遞減設(shè)置。

voidClock_Modify(structath_hw*ah，u64F_Pre，u64Tb，u64Tb0，u64T)

{

u64F_Mod；

F_Mod=F_Pre*(Tb-Tb0)/T；

ath9k_hw_settsf64(ah，F(xiàn)_Mod)；

}

Modify_Time函數(shù)參數(shù)中的preF參數(shù)是時鐘漂移預(yù)測值，Tb為當前節(jié)點的本地時鐘值，Tb0為上一次同步操作時刻的本地時鐘值，T則為時間同步的周期。

3實驗過程及結(jié)果分析

實驗場景如圖5所示，3個與便攜式計算機相連并運行OpenWrt系統(tǒng)的RB493G路由器作為節(jié)點，節(jié)點A為根節(jié)點，節(jié)點B和節(jié)點C為同步子節(jié)點，其中節(jié)點C被指定為應(yīng)答的子節(jié)點。

圖5　實驗場景圖

實驗過程中，根節(jié)點A每隔200ms向網(wǎng)絡(luò)廣播同步beacon幀，beacon幀中附帶本節(jié)點的發(fā)送時間值T1，子節(jié)點B和子節(jié)點C收到該beacon幀后，分別讀取本地的TSF計數(shù)值并記錄下來，若此時子節(jié)點B和子節(jié)點C的TSF值分別為T2′和T2，之后子節(jié)點C回復(fù)根節(jié)點A一個消息包，且該消息中帶有子節(jié)點C發(fā)送回復(fù)消息時的時間值T3，當根節(jié)點A收到來自子節(jié)點C的應(yīng)答消息包時記錄下本地時間值T4，這樣根節(jié)點A與子節(jié)點C間的同步操作就完成了。此時在根節(jié)點A處會有4組時間值，即T1，T2，T3和T4，然后根據(jù)上文的計算式得到根節(jié)點A與子節(jié)點C之間的時間偏差

(5)

之后根節(jié)點A再向網(wǎng)絡(luò)廣播一個包含時間值T2與時間偏差值F的同步廣播消息，子節(jié)點B接收到該消息后，先提取出T2值，計算出子節(jié)點B與子節(jié)點C的時鐘偏差值F′=T2′-T2，再根據(jù)子節(jié)點C與根節(jié)點A的時間偏移值F做出相應(yīng)的調(diào)整，修改本地時間為：T=t-F-F′，其中t表示子節(jié)點B調(diào)整之前的本地時間值，T表示子節(jié)點B調(diào)整之后的時間值。到此，一跳范圍內(nèi)的所有節(jié)點的時間同步操作就完成了。

進行50次時間同步測試，并記錄得到的時間偏差值，處理后得到的同步算法精度圖如圖6所示。由圖可以看出，根節(jié)點A與子節(jié)點C每次同步后的時間差的范圍在6μs到10μs，計算得到50次同步的平均精度約為8μs。

圖6　ITR同步算法的精度

由于ITR算法采用交換雙向同步消息報文的方法來計算時間偏差F，降低了傳播延遲對同步精度帶來的影響。此外，在對時間戳值進行的標記和提取的時刻上也作出相應(yīng)改進，發(fā)送消息時間值的添加不是在應(yīng)用層進行，而是在消息即將發(fā)往無線信道中的時候才在MAC層打上時間戳，以消除發(fā)送時間延遲的影響；同樣，當消息到達MAC層時立刻提取時間值，以消除接收處理時間延遲的影響。另外，本算法也采用了廣播參考同步消息報文的方式來同步應(yīng)答節(jié)點之外的其他節(jié)點，有效地降低了發(fā)送延遲和訪問延遲帶來的誤差影響。同時，還添加了時鐘漂移與補償?shù)臋C制來進一步提高精度。因此，ITR算法的同步精度比傳統(tǒng)的TPSN算法大為提高。

對于能耗問題，ITR同步算法結(jié)合了雙向同步信息交換的機制與單向廣播參考同步消息的機制，在提高時間同步精度的同時，也大大減少了節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送次數(shù)，而節(jié)點數(shù)據(jù)接收時產(chǎn)生的能耗遠小于數(shù)據(jù)發(fā)送時產(chǎn)生的能耗[10]。節(jié)點的能耗表示如下

E=ECommunicate+EProcess

(6)

式中：ECommunicate是發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的能耗，EProcess是處理數(shù)據(jù)的能耗。

RBS算法中兩個待同步的節(jié)點之間需要傳遞3次信息，如果多個節(jié)點需要進行同步，那么進行同步信息傳遞的次數(shù)將成倍增長。TPSN算法同步中兩個節(jié)點需要傳遞2次信息。因此，TPSN算法的ECommunicate能耗比RBS算法的能耗小[11]。

假設(shè)在網(wǎng)絡(luò)中，待同步節(jié)點的個數(shù)為N，那么ITR算法和TPSN算法發(fā)送數(shù)據(jù)的次數(shù)和接收數(shù)據(jù)的次數(shù)如表3所示。由此可見ITR算法的ECommunicate能耗更小。

表3ITR算法和TPSN算法同步消息交換次數(shù)

算法類別發(fā)送數(shù)據(jù)次數(shù)接收數(shù)據(jù)次數(shù)TPSN算法2N2NITR算法22N+1

對于EProcess，傳統(tǒng)雙向同步算法中，各個同步子節(jié)點都要進行時鐘偏差值的計算，而ITR算法的時鐘偏差值的計算是在根節(jié)點完成，然后廣播發(fā)送給子節(jié)點。在如圖5所示的實驗場景中，對于TPSN算法，子節(jié)點B和C都要完成一次時鐘偏差值的計算處理；但是對于ITR算法，則只需要在根節(jié)點A完成一次時鐘偏差值的計算處理。隨著一跳范圍內(nèi)同步節(jié)點數(shù)目的增加，TPSN算法的計算量會不斷增大，而ITR算法的計算量則保持不變。因此ITR同步算法在能量效率方面更高。

3種同步算法的能耗和精度對比結(jié)果如表4所示。

表43種時間同步算法對比

算法實驗平臺同步方式復(fù)雜度同步誤差/μs能耗RBSMICA接收—接收較高29.13高TPSNMICA發(fā)送—接收一般16.90中ITR自建發(fā)送—接收一般8.00低

4結(jié)束語

本文在RBS算法和TPSN算法的基礎(chǔ)上，改進得到ITR時間同步算法。ITR同步算法相比于傳統(tǒng)時間同步算法在同步精度上有大幅提高，平均同步誤差控制在8μs左右，并且能耗大為降低。目前，基于TDMA機制的工業(yè)無線控制網(wǎng)絡(luò)的時隙調(diào)度長度一般都在10μs[12]以上，并且相鄰兩個調(diào)度的時隙之間都會有一定的保護間隔來避免同步誤差帶來的影響，而這種保護間隔的長度一般都在幾十微秒以上。因此，ITR算法的8μs左右的同步誤差完全能夠達到基于TDMA機制的時隙調(diào)度的誤差要求，滿足工業(yè)無線控制網(wǎng)絡(luò)高實時性、高可靠性的要求。

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ImprovementandimplementationofindustrywirelessnetworksynchronizationalgorithmbasedonTDMAmechanism

LINXiongmin,YANGJianfeng,GUOChengcheng,HEZerui

(Electronic Information School， Wuhan University, Wuhan 430072, China)

Abstract:The MAC layer access protocol based on TDMA mechanism has great advantage to guarantee timeliness in industry control network. But in order to guarantee slot time scheduling in microsecond level, all the nodes in the network must keep high precision in time synchronization. Aiming at the problem that some current synchronization algorithms could not meet the requirement of high precision, on the base of traditional synchronization algorithms, adding the mechanism of clock drift forecasting and compensation, get an improved synchronization algorithm with high precision and low power consumption——ITR (Improved Wireless Sensor Networks Time Synchronization Algorithm Based on TPSN and RBS), and then do test on route node RouterBOARD493G. The result demonstrates that synchronization algorithm ITR’s average synchronization error decreases about 52% than traditional synchronization algorithm.

Key words:TDMA; time synchronization algorithm; clock drift; ITR; ath9k

中圖分類號:TP393

文獻標志碼:A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.03.012

基金項目：國家“863”計劃項目(2012AA010904)；四川省科技計劃項目(2013GZ0016)；成都大學(xué)項目(20804)

作者簡介：

林雄民(1990— )，碩士，主要研究方向為無線網(wǎng)絡(luò)與嵌入式系統(tǒng)；

楊劍鋒(1976— )，副教授，主要研究方向為無線網(wǎng)絡(luò)與嵌入式系統(tǒng)。

責(zé)任編輯：許盈

收稿日期：2015-11-08

文獻引用格式：林雄民，楊劍鋒，郭成城，等. 基于TDMA的工業(yè)無線網(wǎng)時間同步算法改進與實現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2016，40(3)：54-59.

LINXM，YANGJF，GUOCC，etal.ImprovementandimplementationofindustrywirelessnetworksynchronizationalgorithmbasedonTDMAmechanism[J].Videoengineering，2016，40(3)：54-59.