基于物聯(lián)網(wǎng)的海洋傳感器網(wǎng)絡(luò)終端時鐘同步關(guān)鍵技術(shù)研究

引 言

近年來，隨著人們對海洋資源的開發(fā)利用與對海洋環(huán)境保護和海上防御的日益重視，基于海洋傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究開始受到學(xué)術(shù)、工業(yè)和軍事等方面的高度關(guān)注。海洋傳感網(wǎng)絡(luò)的時鐘同步關(guān)鍵技術(shù)也成為研究的熱點。

目前陸地上的傳感器網(wǎng)絡(luò)時鐘同步已得到深入研究與廣泛應(yīng)用，如智能核電站、電網(wǎng)等 [1-4]。而海洋中組網(wǎng)方式、所處環(huán)境、設(shè)備適用性等不同，所以無法將陸上時鐘同步技術(shù)直接運用于海洋，必須考慮海洋環(huán)境中傳播時延和節(jié)點移動性等對同步精度的影響，也要統(tǒng)籌考慮算法的能耗和計算復(fù)雜度 [5-8]。

國外眾多大學(xué)和科研機構(gòu)針對海洋水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的時鐘同步技術(shù)，多是通過與信標(biāo)節(jié)點的多次消息交互，采用線性回歸估計待同步節(jié)點本地時鐘的頻率偏斜和相位偏斜來實現(xiàn)點對點同步 [9-10]。

這些算法能夠在仿真環(huán)境下得到較好的結(jié)果，但其理論性強，應(yīng)用性和工程化能力不足。比如 THSL 算法是在假設(shè)節(jié)點位置固定且傳播延遲固定的情況下推導(dǎo)，不適用于移動水下傳感器網(wǎng)絡(luò) [11-14]。且這些研究未考慮海洋傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的復(fù)雜環(huán)境，未考慮海洋傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中海底通信情況下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點守時精度技術(shù)，無線信號屏蔽情況下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)自動糾正時間偏差和傳感器時鐘網(wǎng)絡(luò)節(jié)點小型化，低成本技術(shù)等缺乏深入研究等狀況 [15-16]。

本文首先介紹了海洋傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其時間同步技術(shù)， 其次研究了海洋傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時鐘同步網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)成，隨后對其中的關(guān)鍵支撐技術(shù)—時鐘同步算法進行了分析，最 后設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的海洋傳感器網(wǎng)絡(luò)時鐘終端。

1 海洋傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其時鐘同步網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)成

海洋傳感網(wǎng)絡(luò)是依賴水聲、無線和光纖通信建立起來的自治網(wǎng)絡(luò)，其組成結(jié)構(gòu)一般包括部署在海底或海中的各類傳感器節(jié)點、海面浮標(biāo)以及自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicles，AUV）等設(shè)備。

通常相對密集的傳感器節(jié)點通過通信建立一種可靠的連接并被分散部署在特定海域采集海洋觀測數(shù)據(jù)，節(jié)點通過信道相互通信傳遞數(shù)據(jù) ；海面浮標(biāo)將收集的水下傳感數(shù)據(jù)匯聚融合，再將融合數(shù)據(jù)經(jīng)衛(wèi)星通信或船只攜帶，最終交付到陸地遠(yuǎn)程控制中心。由此建立了一種雙工網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境。

在海洋傳感網(wǎng)絡(luò)中，遠(yuǎn)程控制中心能夠?qū)崟r通過網(wǎng)絡(luò)存取、分析各節(jié)點數(shù)據(jù)，又可以把控制信息傳遞給水下傳感器節(jié)點。

時鐘同步技術(shù)是海洋傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵支撐技術(shù)，時鐘同步為協(xié)調(diào)跨多節(jié)點的傳感與驅(qū)動提供統(tǒng)一的參考時鐘，使各節(jié)點能夠協(xié)調(diào)一致地完成數(shù)據(jù)采集、融合處理和節(jié)點通信等任務(wù)。通過統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的本地時鐘，節(jié)點才能協(xié)同完成各項任務(wù)。

海洋傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時鐘同步網(wǎng)絡(luò)示意如圖 1 所示。海洋傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的時鐘同步基本機制如下 ：

（1）時間參考源節(jié)點通過傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸時間 ；

（2）傳感網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點接收到參考源時間后，按算法進行時間比對，計算出時間偏差 ；

（3）按照時間偏差修正自身時間，以達(dá)到與時間參考源節(jié)點同步的目的。

海洋傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的時鐘同步是保障傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、信息交換、信息處理及結(jié)果判斷等任務(wù)正常執(zhí)行的基礎(chǔ)。

基于物聯(lián)網(wǎng)的海洋傳感器網(wǎng)絡(luò)終端時鐘體系結(jié)構(gòu)主要包括如下部分。

（1）高精度時鐘基準(zhǔn)源。包括 GPS/BD或海上時鐘源控制中心，為整個系統(tǒng)提供高質(zhì)量的時鐘基準(zhǔn)。

（2）系統(tǒng)時鐘源。接收高精度時鐘基準(zhǔn)源的時間，并通過物聯(lián)網(wǎng)通信將時間準(zhǔn)確下發(fā)到下級時鐘服務(wù)站，系統(tǒng)時鐘源之間可以通信，以進一步提高系統(tǒng)同步精度。

（3）二級時鐘信號源。主要功能是接收系統(tǒng)時鐘源的時間，并下發(fā)給海洋傳感器網(wǎng)絡(luò)終端。

（4）海洋傳感器網(wǎng)絡(luò)終端。接收二級時鐘信號源下發(fā)的時間，并上報自身時間，以減小同步誤差。

2 海洋傳感器網(wǎng)絡(luò)終端時鐘同步關(guān)鍵技術(shù)

（1）海底環(huán)境中使用聲波通信情況下授時的精度問題

 誤差是海洋傳感網(wǎng)絡(luò)時鐘同步的重要指標(biāo)，海洋傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點類型不同，應(yīng)用不同，需要的時鐘同步誤差要求不同。由于海底環(huán)境的復(fù)雜性，海洋傳感網(wǎng)絡(luò)中時間參考源節(jié)點通常使用水聲通信來克服距離限制等不利因素，提高系統(tǒng)配置的靈活性。大量事實表明，聲速測量誤差最小為 0.3 m/s。但在相同的海洋環(huán)境中，不同聲速算法的測量精度不同。單一算法也不能夠在所有環(huán)境中都保證 0.3 m/s 的最小測量誤差。因此，我們必須在已有水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)時鐘同步算法研究的基礎(chǔ)上，吸取在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時鐘算法方面取得的研究成果來描述節(jié)點運動狀態(tài)，選擇合適的聲速計算公式，建立聲速誤差校準(zhǔn)模型，降低節(jié)點運動和聲速測量誤差等因素對水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)時鐘同步精度的影響?？衫贸暡ㄍㄐ艜r間參考源節(jié)點的授時精度，以及用新的誤差處理方法來滿足海洋傳感網(wǎng)絡(luò)時鐘同步的要求。

（2）無線信號屏蔽情況下糾正時間偏差并保證守時的問題

躲避臺風(fēng)等惡劣天氣或為了安全，海洋傳感網(wǎng)絡(luò)時間參考源通常只能周期性地接收 BD 衛(wèi)星定位和授時信號，在某些惡劣的天氣下甚至長時間接收不到定位授時信號。同時因為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)成本等問題，節(jié)點本身無法大量配置銣鐘等高精度時鐘源。當(dāng)北斗時鐘源出現(xiàn)故障時，智能守時單元經(jīng)北斗馴服后產(chǎn)生準(zhǔn)確的脈沖信號，取代時間源信號，向其他單元發(fā)送時間信號。當(dāng)北斗時鐘源恢復(fù)正常時，則無時鐘損失地跟蹤并鎖定到北斗時鐘。

（3）時鐘同步節(jié)點適用化

海洋傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量多，通常工作在無人監(jiān)控或者環(huán)境惡劣的環(huán)境下。這種環(huán)境對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點帶來的影響較大 ：節(jié)點的更換以及電源更換成為突出問題，加之海水環(huán)境因素對通信的影響，需要對網(wǎng)絡(luò)中時鐘同步子節(jié)點能量的消耗進行優(yōu)化，提高節(jié)點壽命 ；為了確保工程應(yīng)用，必須開發(fā)和研制小型化、低成本的時鐘同步子節(jié)點模塊。根據(jù)海洋環(huán)境的特點，考慮到工程的大規(guī)模應(yīng)用，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點應(yīng)選擇和使用低能耗元器件。因此，時鐘子節(jié)點應(yīng)采用低能耗、長壽命的材料以及先進的超大規(guī)模集成電路技術(shù)，從而實現(xiàn)小型化、低成本并適用于不同海洋環(huán)境的產(chǎn)品。圖 2 所示為時鐘子節(jié)點模塊示意圖。

3 結(jié) 語

在水下傳感器網(wǎng)絡(luò)、新一輪深海大洋觀測計劃和無人潛航器及其水下服務(wù)站等計劃中，海洋本身所具有的惡劣氣候使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的工作環(huán)境更為苛刻。

針對大規(guī)模分布式海洋傳感網(wǎng)絡(luò)，研究高精度高適用的時鐘同步技術(shù)對海洋裝備、海洋監(jiān)測、海洋軍事等具有廣闊應(yīng)用價值，對新軍事變革具有重大作用。

本文研究的海洋傳感器網(wǎng)絡(luò)時鐘同步關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計的海洋傳感器物聯(lián)網(wǎng)時鐘終端能夠滿足國家對海洋資源開發(fā)利用、海洋環(huán)境保護和海上防御的需要，并能推廣到海上核電、海工裝備等領(lǐng)域，為各類自動化、智能化設(shè)備提供精確可靠的時間服務(wù)，為國家命脈領(lǐng)域的信息安全和經(jīng)濟安全提供時間服務(wù)。