一種基于超幀機制的Zigbee時間同步算法研究與實現

高 廣 恩， 劉 全 利， 賈 靈 利， 王 偉

（大連理工大學 控制科學與工程學院，遼寧 大連 116024）

0 引 言

無線傳感器網絡（wireless sensor network，WSN）是近幾年一個新興的研究熱點，可廣泛應用于軍事、環境監測、工業控制等領域.在無線傳感器網絡中，無論數據融合、節點定位還是傳感節點的協同都要求網絡同步.因此，時間同步技術已成為無線傳感器網絡的關鍵技術之一[1].無線傳感器網絡有著自組織、多跳、資源受限、低能耗、低帶寬的特點，這使其對時間同步算法提出特殊的要求.在某些特定網絡環境或應用場合，現有的時間同步算法有著較好的同步精度和較短的收斂時間.但針對Zigbee協議的時間同步算法較少，不能和協議很好兼容.針對無線個域網Zigbee聯盟提出了Zigbee[2]標準，它為用戶提供了一種成本低、功耗小、速率低、可靠性高、靈活性好的解決方案.Zigbee技術被廣泛應用于智能家居、監控監測、智能交通、過程控制等領域，完成數據采集和處理，并對采集對象進行控制等功能.已有的Zigbee網絡時間同步算法，考慮的多為星形網絡中的同步問題，而對多跳網絡研究較少.基于此，借鑒已有的時間同步算法思想并結合Zigbee網絡的特點，本文提出一種適用于Zigbee網絡的時間同步算法Zigbee－Sync.Zigbee－Sync充分利用超幀機制，具有低開銷、高精度、高可靠性的特點.最終通過搭建測試平臺驗證算法的性能.

1 無線傳感器網絡時間同步

目前國內外已有多篇文獻對無線傳感器網絡的時間同步問題進行了研究，提出了不同的時間同步算法.下面將幾種具有代表性的時間同步算法進行介紹和分析.

RBS算法[3]利用無線信道的廣播特性，節點發送參考信標到鄰居節點，鄰居節點交換它們收到參考信標的時間信息，根據此信息接收節點調節本地時間，達到和其他鄰居節點同步的目的.RBS算法消除了發送時間和訪問時間的影響，提高了鄰居節點間的同步精度.TPSN算法[4]是一種基于層次結構的時間同步算法，整個同步過程分為兩個階段：一是層次發現階段，二是時間同步階段.TPSN算法可實現全網同步，其同步收斂時間的長短和網絡規模有關，若需要長時間保持同步，則需要周期性地執行同步過程.LTS算法[5]是一種輕量級的同步算法.當節點i需要同步時，就發送同步請求到其鄰居節點.若鄰居節點此時處于同步狀態，則發送同步時間信息到節點i，完成節點i的時間同步；否則鄰居節點繼續沿著朝向時鐘源節點的方向發送同步請求，直到完成同步.LTS算法降低了同步所需的信息開銷，其同步收斂時間和節點所處的深度有關系.

每一種同步算法都有其優勢和不足，所以針對不同的應用網絡，要充分考慮其網絡特點來設計合適的算法，Zigbee－Sync便是針對Zigbee網絡設計的同步算法.

2 Zigbee－Sync算法

Zigbee是 Zigbee聯盟在IEEE 802.15.4[6]定義的物理層和媒體訪問控制層的基礎之上，又定義了網絡層和應用層，因此它包含IEEE 802.15.4的所有功能和特點.

2.1 軟時鐘構造

在實際的無線節點上，處理器所使用的時鐘周期和無線網絡時間同步所需要的同步參數有著較大的差別，因此需要在程序設計中構建時間同步所需的軟時鐘.此軟時鐘不僅要精度高、可靠性高，更要符合網絡需求和便于實現.在Zigbee協議中，超幀是網絡設備訪問信道的基本周期，協調器維護超幀，為網絡內設備分配訪問時隙，圖1為Zigbee協議的超幀結構，其中BO（beacon order）、SO（superframe order）分別為信標階數和超幀階數，SDb表示基本超幀周期.

圖1 超幀結構Fig.1 Structure of superframe

在Zigbee網絡中，時間同步指的是兩個設備間的相對同步，而非和國際標準時間的絕對同步.Zigbee標準中，維護超幀所需的最小時間單位為符號（symbol）周期，其實際時間長度為16μs，因此選取符號周期為基本的時間單位.符號周期為軟時鐘的基本時鐘節拍（tick），超幀周期用節拍的數目表示.這利于超幀維護，同時便于退避周期、時隙等時間參數的計算.DLUTWIA－PA平臺上MCU的主時鐘頻率為11.059 2MHz，本文通過定時器分頻得到時間長度為16.004 7μs的基本時鐘節拍，其與16μs的誤差很小，可以滿足網絡要求.在信標開始時對節拍從零進行計數，在本次超幀結束，下一信標幀到來前記錄此計數值，表示超幀周期的大小，通過設定此計數值的大小可達到維護超幀的目的.軟時鐘的同步精度為一個節拍，為16μs.網絡內的兩個設備可調節本地的計數值達到同步的目的，其最大時間偏差應為兩個節拍，即32μs，可達到較高的同步精度.

2.2 時間戳標記

時間戳為發送設備在發送數據幀時所獲取的本地節拍計數值，其準確性對網絡同步精度有很大影響.因此在中斷中獲取此計數值，盡量減少程序處理帶來的誤差.在Zigbee－Sync算法中，發送設備將時間戳信息添加在信標幀負載中，以廣播的方式告知網絡內其他節點.從節點捕獲信標幀并解析負載中的時間戳信息，根據此信息調節本地時鐘，以達到和發送設備同步的目的.

Zigbee協議規定在發送數據幀時首先傳輸同步頭和定界符（SFD）.射頻芯片可在發送數據幀時產生SFD中斷，發送設備在SFD中斷中獲取本地時間信息，并將其作為時間戳放在信標幀負載中.接收設備在數據接收完成中斷中可解析信標幀負載中的時間戳信息，并根據信標幀的長度估算出數據接收時間.發送設備和接收設備處理時間戳的時刻如圖2所示.

Mica2等一些平臺可以通過處理器直接控制發送數據流，從而可以很容易地標記和讀取時間戳[7].而 在 DLUTWIA－PA 平 臺 上 處 理 器 通 過SPI接口和射頻芯片相連，數據的發送與接收都需通過SPI接口進行.所以在時間同步算法中要考慮數據在SPI接口上傳輸所需要的時間.

SPI接口數據傳輸速率為5Mbps，射頻收發器的數據傳輸速率為250kbps.并且射頻收發器支持先執行“發送”命令，然后再寫入數據到射頻收發器內部的緩存，只要保證數據發送過程中緩存中有數據可用.在IEEE 802.15.4物理層標準中，定義了5個字節的同步頭，發送完畢需要160 μs，且射頻收發器從空閑狀態切換到發送狀態需要192μs，在這352μs時間內處理器可將數據寫入射頻收發器的內部緩存.并且射頻收發器的數據傳輸速率小于SPI接口的速率，不會產生內部緩存被讀空的情況.時間戳信息共32位，通過SPI接口其傳輸需要6.4μs，所需時間很短.圖3為攜帶時間戳負載的信標幀.

圖2 時間戳標記Fig.2 Mark of timestamp

圖3 信標幀Fig.3 Beacon frame

如圖3所示，信標幀中Beacon payload部分為時間戳信息，表示發送方信標幀發送時刻的本地時間.由于每次發送信標幀之前都要對本地計數器清零，在超幀周期一定的情況下，其時間戳大小不會有太大變化.在時間戳信息中，前4個字節0x00000012為SFD觸發時的本地時間，即第18個符號周期.最后一個字節0x04為本地修正時間，表示讀取本地時鐘以及時間戳處理的時間，主要通過理論計算的方式，根據具體的軟硬件環境進行設定.

2.3 算法描述

在單跳的星形網絡中，協調器周期性廣播信標幀，網絡內其他節點只需跟蹤捕獲信標幀，根據時間戳信息調節本地時鐘便可達到和協調器同步.為了進一步降低網絡能耗，網絡內設備并不轉發信標幀，這樣節點可在無數據傳輸時處于睡眠狀態，延長網絡生存時間.樹形網絡是一種多跳拓撲的網絡.假如兩個相鄰設備同時發送信標幀，則會產生信標幀沖突，造成子設備無法正常接收來自父設備的同步信息，進而影響網絡同步.如何避免信標幀沖突便成為一個重要問題[8].

可以通過分時復用的方式將各設備發送信標幀的時刻錯開以避免沖突.在設備入網時根據設備在拓撲中的位置為其分配網絡內短地址.根據此地址信息計算出父子設備間發送信標幀的時間偏移量（Δt），通過在父設備發送信標幀的起始時刻添加偏移量，子設備發送信標幀的時刻便與父設備錯開.各子設備間的偏移量有所不同，所以多個子設備發送信標幀的時刻也不會相同.在Zigbee網絡中，一個發送信標幀設備的典型信標時序如圖4所示.

圖4 信標設備典型信標時序Fig.4 Classic beacon timing of beacon device

在Zigbee中，信標間隔BI＝SDb×2BO，活動周期CAP＝SDb×2SO，其中時間長度為960個符號.在活動周期，網絡內設備進行數據傳輸，而在非活動周期則處于空閑，子設備可利用非活動周期發送信標幀.一個超幀周期可包含BI/CAP＝2（BO－SO）個CAP.非 活 動 周 期 內 還 可 以 容 納2（BO－SO）－1個CAP，這些周期均可合理調度用來發送信標幀.以一個BO＝6，SO＝2的網絡為例，選取父子設備的時間偏移Δt＝2＊CAP，經過信標調度后的協調器和兩個子設備間的信標發送時序如圖5所示.

經過這樣的信標調度之后，不會產生鄰居節點間信標沖突的情況，每個節點只需偵聽其父設備的信標幀，根據信標幀負載中的時間戳信息完成與其父設備的同步，達到間接和協調器同步的效果.這種機制簡化了整個網絡的同步機制，減少了節點間的信息交換，同時在網絡規模不是很大的情況下可保證一定的時間同步精度.

圖5 父子設備信標時序關系Fig.5 Beacon timing relationship between child and father device

3 算法實驗驗證

本時間同步算法在TinyOS[9]軟件平臺中實現，硬件平臺為自主研發的DLUTWIA－PA平臺.DLUTWIA－PA平臺選用LPC2136作為微處理器，提供了豐富的外圍接口，射頻芯片為TI公司的CC2520，該芯片兼容Zigbee協議.

3.1 實驗方案

在實驗室環境下，將同步算法在DLUTWIAPA上加以實現，并對算法的性能進行了實驗驗證.網絡分為星形網絡和樹形網絡2種.在星形網絡中包括Zigbee網絡協調器，協調器上電后完成本地參數初始化并周期性廣播信標幀.5個Zigbee終端設備掃描網絡，并嘗試加入網絡.終端設備入網成功后執行本地的時間同步算法，解析時間戳信息，完成與協調器的時間同步.在超幀的起始時刻處理器觸發一個IO的翻轉操作，可通過示波器捕獲波形，來觀察設備間的同步誤差.樹形網絡包括1個Zigbee協調器、3個路由設備和5個終端設備.協調器和路由設備均發送信標幀，終端設備捕獲信標幀，最終達到全網同步.為了更真實地模擬現場工作環境，整個網絡在發送信標幀的同時，還在CAP時段和GTS時段傳輸數據.在實驗過程中，網絡連續運行12h，不斷統計此期間各設備間的時間偏差.具體實現流程如圖6所示.

3.2 算法驗證

在星形網絡中，每隔5min采樣一次主從節點和從從節點間的同步偏差，每次采樣20個超幀周期.進行多組實驗，發現各組間時間偏差并不大，同步算法有著較好的穩定性.在此給出一組時間同步精度的統計結果，如圖7所示，n表示第n個超幀周期，Δt表示時間偏差.

圖6 算法實現流程Fig.6 Process of algorithm realization

圖7 星形拓撲時間同步精度Fig.7 Time synchronization precision for star topology

由圖7可見，主從節點間的同步精度隨時間變化波動較大，這主要是受信標幀長度變化的影響.在網絡工作過程中，信標幀除了需傳遞時間戳信息，還需傳遞GTS分配等信息.而不同的GTS分配情況會帶來信標幀負載長度的變化.接收方只能在接收完整個信標幀后才能對時間偏差進行處理和調整，而信標幀負載長度的變化會對此處理時間產生影響，進而影響到同步精度.用Ta表示從節點所需調整的本地時間偏差，那么Ta＝Ts＋t，其中Ts表示時間戳信息，t為根據信標幀長度估算出的一個補償變量.從從節點間的時間偏差波動較小.因為各從節點的時間戳信息均來自同一信標幀，由于超幀長度變化對各從節點造成的影響相同，所計算出的時間偏差相差不大.

按照相同的實驗方法，統計了多跳樹形網絡中父子路由設備之間以及各終端節點間的時間同步偏差情況，統計結果如圖8所示.

將實驗中獲取的時間偏差統計結果和加州大學伯克利分校在MICA平臺上實現的RBS和TPSN算法[4]進行比較，結果如表1所示.本文算法取得的平均時間偏差要小于其他兩種算法.

圖9給出了不同大小的時間偏差在所有偏差中所占百分比p.

圖8 樹形網絡時間同步精度Fig.8 Time synchronization precision for tree network

表1 時間同步偏差Tab.1 Error of time synchronization

圖9 節點間時間偏差Fig.9 Time deviation between nodes

功耗對Zigbee網絡設備來說是一個非常重要的指標，根據實際的實驗環境通過仿真軟件NS2仿真得出網絡節點的能耗曲線圖，如圖10所示.具體的仿真參數設置見表2.通過仿真結果可以看出，同異步網絡相比，引入同步算法的Zigbee網絡，其網絡設備能耗大大降低，延長了網絡生存時間.

圖10 節點能耗曲線圖Fig.10 Energy－consuming graph for nodes

表2 仿真參數Tab.2 Parameters of simulation

Zigbee－Sync算法借鑒了RBS算法的思想，借助第三方廣播傳遞時間戳信息，并達到了較好的同步精度.針對RBS算法不適于多跳網絡的缺陷，本文通過引入信標幀調度機制，成功將Zigbee－Sync算法在多跳網絡中實現.TPSN算法將時間戳信息標記在MAC層，可達到16.9μs的同 步 精 度[4]，Zigbee－Sync 算 法 將 時 間 戳 放 在MAC層的信標幀負載中，其同步精度和TPSN算法不相上下，但卻有效降低了同步過程中信息交換的次數，使節點由于傳輸同步信息所消耗的能量大大降低.網絡內設備還可以進行按需同步，在無任務處理之時，轉入休眠狀態；當有中斷喚醒新任務時，可按照已獲取的網絡信息重新捕獲信標幀，這可進一步降低能耗.對于輕量級的LTS算法而言，其所取得的同步精度要低于Zigbee－Sync算法.

本算法基于節點較少的無線網絡對同步算法的性能進行了驗證.要想更好地在多節點、大規模網絡中實現此同步算法，則需要考慮引入信標幀調度機制，保證路由節點間的信標傳輸不會發生沖突，以可靠地傳輸同步信息.一個中間路由設備在接收到其父設備的信標幀后，根據自身與父設備之間的時間偏移量以及信標幀中的時間戳信息來校正本地時鐘，從而確定出自身的信標時序.因為路由設備和父設備間的時間偏移量是一個預先分配的固定值，此值對本算法的同步精度不會造成負面影響，多跳網絡中的路由設備及其父設備之間依然能夠保證較好的同步精度.可見在引入信標幀調度機制的情況下，本同步算法在多節點、大規模的無線網絡中依然是可行的、有效的.

4 結 語

本文提出了一種基于超幀機制的適合于Zigbee網絡的時間同步算法，該算法有效降低了同步過程中的信息交換次數，降低了網絡內節點能耗，并且具有良好的穩定性.將Zigbee－Sync算法在實際平臺DLUTWIA－PA上進行了實驗驗證，通過實驗結果可知其可達到較高的同步精度，且運行穩定.本文設計的通過軟件來標記時間戳的方式，可廣泛用于其他無法通過處理器直接發送數據的硬件平臺.

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