Ad Hoc無(wú)線體域網(wǎng)的時(shí)間同步協(xié)議研究與仿真

李 劍 潘海軍

(1.深圳中興微電子技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518000；2.湖南科技學(xué)院 電子工程系，湖南 永州 425100)

Ad Hoc無(wú)線體域網(wǎng)的時(shí)間同步協(xié)議研究與仿真

李 劍1潘海軍2

(1.深圳中興微電子技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518000；2.湖南科技學(xué)院 電子工程系，湖南 永州 425100)

無(wú)線體域網(wǎng)是最新出現(xiàn)的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其主要針對(duì)人體內(nèi)，體外以及近人體的傳感器和終端之間的信息傳輸。最新的IEEE 802.15.6協(xié)議便是針對(duì)此類網(wǎng)絡(luò)專門提出的指南和規(guī)則。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)雖然不是主流的無(wú)線體域網(wǎng)組網(wǎng)方式，但是因?yàn)槠涞谋憷砸约罢麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)的有效不依賴于中心節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)，拓寬了無(wú)線體域網(wǎng)的使用領(lǐng)域。時(shí)間同步是Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)順利工作的重要前提，針對(duì)Ad Hoc無(wú)線體域網(wǎng)，本文提出了一個(gè)時(shí)間同步協(xié)議，并在實(shí)時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)驗(yàn)證工具UPPAAL平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了該協(xié)議的仿真，最后的結(jié)果證明該同步協(xié)議設(shè)計(jì)過(guò)程合理，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果有效。

Ad hoc；無(wú)線體域網(wǎng)；時(shí)間同步；WBAN

0 引 言

受惠于摩爾定律和微電子產(chǎn)業(yè)和傳感技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的醫(yī)療檢測(cè)系統(tǒng)被小型化，可穿戴化。為了解決這些微型醫(yī)療元器件之間的通信問(wèn)題，一種新的通信網(wǎng)絡(luò)：無(wú)線體域網(wǎng)（Wireless Body Area Network，簡(jiǎn)稱WBAN）應(yīng)運(yùn)而生。WBAN是以人體為中心，由和人體相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)元素，包括個(gè)人終端，植入、佩戴和附著在身體、衣物的傳感器和檢測(cè)設(shè)備，以及分布在人體超近距離內(nèi)的其他組網(wǎng)設(shè)備等組成的通信網(wǎng)絡(luò)。依賴WBAN，人的生命體征等信息在被傳感器采集后通過(guò)WBAN中心的網(wǎng)絡(luò)中心（hub）處理并利用無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（Wireless Personal Area Network，簡(jiǎn)稱WPAN）或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等與醫(yī)療中心或醫(yī)生建立聯(lián)系。這使得WBAN在醫(yī)療、娛樂(lè)和軍事方面有著廣泛的應(yīng)用前景。

2007年11 月，IEEE 802.15成立討論組TG6，并從2008年1月開(kāi)始在臺(tái)北首次討論WBAN的標(biāo)準(zhǔn)制定問(wèn)題。經(jīng)過(guò)四年多的討論和修改，WBAN的標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.6在2012年2月正式發(fā)布。在新發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)中定義了兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌盒切尉W(wǎng)絡(luò)和擴(kuò)展型星形網(wǎng)絡(luò)。為了增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性，避免星形網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)不能失效的弊端， 采用Ad Hoc技術(shù)的WBAN網(wǎng)絡(luò)被作為一個(gè)分支進(jìn)行研究[1]。

時(shí)鐘同步是WBAN的一項(xiàng)重要支撐技術(shù)，同樣，對(duì)Ad Hoc WBAN來(lái)說(shuō)，時(shí)鐘同步是一個(gè)非常關(guān)鍵的組成部分。由于網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)均采用本地晶振，且因?yàn)閼?yīng)用條件限制，無(wú)法采用外基準(zhǔn)同步技術(shù)。此時(shí)，因?yàn)闀r(shí)鐘間存在偏移，所以網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的觀察時(shí)間和時(shí)間的持續(xù)間隔存在差別。時(shí)間同步的目的就是對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘提供一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)尺[2]，從而保證在使用時(shí)，相互通信的節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘保持一致。但過(guò)分復(fù)雜的同步協(xié)議會(huì)導(dǎo)致過(guò)多的等待時(shí)間，降低時(shí)間效率，同時(shí)減少休眠狀態(tài)的比例，從而增加了功耗。因此同步協(xié)議有仔細(xì)研究和驗(yàn)證的必要。

1 時(shí)間同步技術(shù)的相關(guān)因素

在所有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)同步方案中，報(bào)文傳送過(guò)程中產(chǎn)生的延時(shí)都可以分成四個(gè)部分：發(fā)送時(shí)間，數(shù)據(jù)處理時(shí)間，傳輸時(shí)間和接收時(shí)間[3]。因此，在設(shè)計(jì)和評(píng)估同步協(xié)議時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮上述各個(gè)因素。

1.1 發(fā)送時(shí)間和接收時(shí)間

發(fā)送時(shí)間是指報(bào)文在發(fā)送器中從第一位開(kāi)始傳輸?shù)阶詈笠晃粋鬏斖戤吽牡臅r(shí)間，與之類似，接收時(shí)間是指接收器在接受報(bào)文時(shí)，從第一位開(kāi)始接受到所有報(bào)文全部接受完畢所消耗的時(shí)間。這兩部分時(shí)間會(huì)受信號(hào)強(qiáng)度、處理速度的影響。

1.2 數(shù)據(jù)處理時(shí)間

收端的數(shù)據(jù)處理時(shí)間指在接收器在報(bào)文接收完畢后，內(nèi)部開(kāi)始處理、獲取自己所需信息并作出下一步操作指令的時(shí)間。類似的是在發(fā)端，發(fā)送器根據(jù)上一個(gè)周期得到的指令，讀取相關(guān)數(shù)據(jù)并經(jīng)過(guò)一系列處理之后到開(kāi)始傳送出報(bào)文第一位的時(shí)間。數(shù)據(jù)處理時(shí)間強(qiáng)烈依賴于處理指令和報(bào)文類別，以及硬件的處理速度。

1.3 傳輸時(shí)間

傳輸時(shí)間是指報(bào)文全部發(fā)送之后到報(bào)文的首位被接收器接收為止所消耗的時(shí)間，可以直觀的看成是報(bào)文在信道中傳輸?shù)臅r(shí)間。可見(jiàn)傳輸時(shí)間由信道特性決定，但因?yàn)闊o(wú)線信道環(huán)境復(fù)雜，尤其是對(duì)于WBAN來(lái)說(shuō)，通信環(huán)境局限于人體和人體附近，隨著人體運(yùn)動(dòng)和姿勢(shì)變化產(chǎn)生的信道特性變化劇烈。另外，對(duì)于WBAN定義的人體信道，因?yàn)樾畔鞑ソ橘|(zhì)是因人而異的人體組織，所以信道參數(shù)變化尤其劇烈。

1.4 射頻狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間

除上述因報(bào)文傳送過(guò)程中延時(shí)的四項(xiàng)基本成分而引起的時(shí)間同步挑戰(zhàn)之外，射頻狀態(tài)的轉(zhuǎn)換也必須要加以考慮。WBAN中，節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)可以是：發(fā)送模式，接收模式，空閑模式。從一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變需要消耗數(shù)百毫秒時(shí)間。為了確保所有情況下網(wǎng)絡(luò)都會(huì)保持同步，因此這部分時(shí)間必須考慮在內(nèi)，否則一旦出現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)間超過(guò)保護(hù)時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)就會(huì)從同步變成不同步，從而使網(wǎng)絡(luò)異常。

2 時(shí)間同步協(xié)議設(shè)計(jì)

基于以上分析，本文針對(duì)WBAN共享信道的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了時(shí)間同步協(xié)議。本協(xié)議采用時(shí)分多址（Time Division Multiple Access, 簡(jiǎn)稱TDMA），并將時(shí)間軸劃分成固定長(zhǎng)度幀，將幀劃分成等長(zhǎng)的時(shí)間片。如第1節(jié)所述，時(shí)間片有空閑和活動(dòng)狀態(tài)。

2.1 保護(hù)時(shí)間

對(duì)于共享信道的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，同步協(xié)議的基礎(chǔ)是一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳送同步幀時(shí)，其他節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)處于空閑狀態(tài)，否則會(huì)發(fā)生碰撞，導(dǎo)致同步不成功。但實(shí)際上，因?yàn)楦鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)本地時(shí)鐘的漂移以及其他如第1節(jié)所提到的因素，兩個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)時(shí)間可能會(huì)發(fā)生覆蓋，即出現(xiàn)上述的碰撞問(wèn)題。問(wèn)題模型如圖1所示。該模型中定義了被研究節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)1）和其鄰節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)2）。對(duì)于節(jié)點(diǎn)2，因?yàn)闀r(shí)鐘漂移，其時(shí)間軸出現(xiàn)了偏移：前移或后移，分別如圖所示。圖1（a）中，時(shí)鐘偏移之后節(jié)點(diǎn)2的繁忙時(shí)間段與節(jié)點(diǎn)1出現(xiàn)重合，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)1發(fā)送的同步幀根本無(wú)法被節(jié)點(diǎn)2接收。為了避免此種問(wèn)題，常規(guī)辦法是在原報(bào)文的前后分別增加一個(gè)保護(hù)時(shí)間，如圖（b）所示，注意圖（b）與圖(a)并不嚴(yán)格成比例。此時(shí)，即便再出現(xiàn)圖(a)所示的時(shí)間漂移，節(jié)點(diǎn)2的繁忙時(shí)段也只是與節(jié)點(diǎn)1的保護(hù)時(shí)間出現(xiàn)重疊，并不會(huì)引起節(jié)點(diǎn)1的發(fā)送失敗，即不會(huì)與節(jié)點(diǎn)1出現(xiàn)重疊。

圖1 保護(hù)時(shí)間示例

2.2 同步算法設(shè)計(jì)

為了同步，定義了一種在節(jié)點(diǎn)和其鄰節(jié)點(diǎn)之間交換信息的同步幀，來(lái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行同步：接收器利用報(bào)文的接收時(shí)間和預(yù)計(jì)接收時(shí)間的時(shí)間差來(lái)進(jìn)行同步。因此傳輸過(guò)程中并不需要傳輸發(fā)送端的具體時(shí)間值。并且此同步過(guò)程在每次幀傳送結(jié)束后均會(huì)進(jìn)行一次，以保證下一個(gè)階段網(wǎng)絡(luò)仍然處于同步狀態(tài)。

該算法的具體過(guò)程是：

1）在發(fā)送時(shí)隙，節(jié)點(diǎn)將包含發(fā)送時(shí)時(shí)間片編號(hào)的報(bào)文——同步幀廣播至鄰節(jié)點(diǎn)

2）鄰節(jié)點(diǎn)一旦接收到同步幀即開(kāi)始進(jìn)行計(jì)算時(shí)間差（phase error）并儲(chǔ)存

3）在每個(gè)常規(guī)報(bào)文傳送結(jié)束之后，節(jié)點(diǎn)均需要依據(jù)已探測(cè)到的時(shí)間差來(lái)重新計(jì)算時(shí)鐘偏移量（offset），計(jì)算過(guò)程的偽代碼如圖2所示。注意偽代碼中g(shù)ain是自定義的偏移量調(diào)整系數(shù)，目的是避免時(shí)鐘調(diào)整導(dǎo)致震蕩。此處暫定為0.5.

圖2 同步算法中時(shí)鐘偏移量的計(jì)算算法偽代碼

4）在休眠周期中，依據(jù)上述計(jì)算所得的時(shí)鐘偏移量對(duì)本地時(shí)鐘進(jìn)行修正。

3 UPPAAL模型構(gòu)建及仿真

3.1 UPPAAL模型

UPPAAL是一款高效實(shí)用的實(shí)時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)驗(yàn)證工具，主要對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)模擬、仿真和驗(yàn)證，已成功用于實(shí)時(shí)控制和通信協(xié)議的驗(yàn)證[4]。利用其系統(tǒng)編輯器（System Editor），可以很方便的創(chuàng)建和編輯要分析的系統(tǒng)，構(gòu)建相應(yīng)模型，并使用模擬器（Simulator）進(jìn)行仿真以觀察系統(tǒng)的反應(yīng)。

利用UPPAAL，我們構(gòu)建了一個(gè)固定、有限的無(wú)線網(wǎng)，其中節(jié)點(diǎn)數(shù)目Nodes = {0,1,…,N-1}。每個(gè)節(jié)點(diǎn)id∈Nodes均用5個(gè)時(shí)間自動(dòng)機(jī)（Timed Automata, TA）時(shí)鐘Clock(id)，接收器Receiver(id)，發(fā)送器Sender(id)，同步器Synchronizer(id)和控制器 Controller(id)。其功能分別是，時(shí)鐘 Clock(id)用來(lái)描述該節(jié)點(diǎn)的硬件時(shí)鐘；接收器Receiver(id)用以模擬射頻模塊中的接收部分，與之類似，發(fā)送器Sender(id)用以表達(dá)射頻模塊中的發(fā)送功能；而同步器Synchronizer(id)則是進(jìn)行時(shí)鐘同步的部分，控制器Controller(id)則是整個(gè)框圖中的控制模塊，協(xié)調(diào)發(fā)送，接收和同步。他們之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 模型框圖

因?yàn)闀r(shí)間自動(dòng)機(jī)所描述的系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖均已帶有時(shí)間因素，即時(shí)鐘 Clock(id)已作為隱藏模塊嵌入在圖 3所示的模型框圖中，因此無(wú)需再另外表示。以時(shí)鐘 Clock(id)為例，模型的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖 4所示。系統(tǒng)初始化時(shí)，記錄當(dāng)前時(shí)間片編號(hào)的變量csn[id]被置為C-1，即睡眠模式的最后一個(gè)時(shí)間片。整數(shù)變量clk[id]記錄當(dāng)前真實(shí)時(shí)鐘。而時(shí)鐘漂移則用兩個(gè)變量進(jìn)行模擬：時(shí)鐘周期波動(dòng)下限min[id]和時(shí)鐘周期波動(dòng)上限max[id]。

圖4 時(shí)間自動(dòng)機(jī)示例——時(shí)鐘Clock(id)

所定制的UPPAAL模型中所用的參數(shù)如表1所示，并在仿真中采用C=10， k0 = 29。

表1 所用參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果

在工作站上，我們利用UPPAAL對(duì)上述模型進(jìn)行了仿真，其部分結(jié)果如表2所示。

表2 部分仿真結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果，可以很明顯看出網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，尤其是時(shí)間周期波動(dòng)的上下限對(duì)驗(yàn)證結(jié)果影響很大。結(jié)果中存在的兩次min/max不為1的情況都導(dǎo)致原本同步的網(wǎng)絡(luò)趨于不同步。同樣可以看出，一旦r≥g，系統(tǒng)就會(huì)變成不同步，這與之前的分析是一致的，即射頻功能轉(zhuǎn)換所消耗的時(shí)間已經(jīng)超過(guò)了保護(hù)時(shí)間，導(dǎo)致存在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)繁忙的情況，致使網(wǎng)絡(luò)同步失敗。另外，還可以看出一個(gè)趨勢(shì)：保持min/max=1，但改變g/r的比例，即減少保護(hù)時(shí)間相對(duì)于時(shí)鐘偏移的裕度，原本可以同步的網(wǎng)路依然可能導(dǎo)致無(wú)法同步，原理上這也是可以理解的。

4 結(jié) 論

針對(duì)Ad Hoc型WBAN網(wǎng)絡(luò)，本文提出了一種時(shí)鐘同步算法，并給出了設(shè)計(jì)算法的考慮以及算法的偽代碼。為了能真實(shí)評(píng)價(jià)算法的有效性以及Ad Hoc型WBAN網(wǎng)絡(luò)同步過(guò)程中可能出現(xiàn)的疑難問(wèn)題，本文還基于UPPAAL開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的算法模型。最后的觀察仿真結(jié)果印證了之前的顧慮和證明提出的算法有效。

[1] Beno?t Latré , Bart Braem , Ingrid Moerman , Chris Blondia , Piet Demeester, A survey on wireless body area networks, Wireless Networks, v.17 n.1, p.1-18, January 2011.

[2] Mills D L. RFC1305: Network Time Protocol (Version 3) Specification, Implementation and Analysis, March 1992.

[3]Lasassmeh, S.M.; Conrad, J.M. IEEE SoutheastCon 2010 (SoutheastCon), Proceedings of the Digital Object Identifier:10.1109/SECON.2010.5453878 Publication Year: 2010 , Page(s): 242 – 245.

[4]Rodriguez-Navas, G.; Proenza, J.; Hansson, H. Emerging Technologies and Factory Automation, 2005. ETFA 2005. 10th IEEE Conference on Volume: 2.

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1673-2219（2012）08-0039-04

2012－04－26

2008年湖南科技學(xué)院校級(jí)青年項(xiàng)目《基于射頻識(shí)別技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室門禁系統(tǒng)研究》資助

李劍（1976－），福建永泰人，工程師，碩士，主要研究方向?yàn)锳d Hoc網(wǎng)絡(luò)，芯片設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編校：何俊華）