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

引 言

近年來(lái)，隨著人們對(duì)海洋資源的開發(fā)利用與對(duì)海洋環(huán)境保護(hù)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(shí)鐘同步關(guān)鍵技術(shù)也成為研究的熱點(diǎn)。

目前陸地上的傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(wú)法將陸上時(shí)鐘同步技術(shù)直接運(yùn)用于海洋，必須考慮海洋環(huán)境中傳播時(shí)延和節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性等對(duì)同步精度的影響，也要統(tǒng)籌考慮算法的能耗和計(jì)算復(fù)雜度 [5-8]。

國(guó)外眾多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)針對(duì)海洋水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步技術(shù)，多是通過(guò)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的多次消息交互，采用線性回歸估計(jì)待同步節(jié)點(diǎn)本地時(shí)鐘的頻率偏斜和相位偏斜來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(qiáng)，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(diǎn)位置固定且傳播延遲固定的情況下推導(dǎo)，不適用于移動(dòng)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(diǎn)守時(shí)精度技術(shù)，無(wú)線信號(hào)屏蔽情況下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)自動(dòng)糾正時(shí)間偏差和傳感器時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(shí)間同步技術(shù)， 其次研究了海洋傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)成，隨后對(duì)其中的關(guān)鍵支撐技術(shù)—時(shí)鐘同步算法進(jìn)行了分析，最 后設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的海洋傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘終端。

1 海洋傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其時(shí)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(wú)線和光纖通信建立起來(lái)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(diǎn)、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(duì)密集的傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)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(cè)數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)通過(guò)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(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)存取、分析各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，又可以把控制信息傳遞給水下傳感器節(jié)點(diǎn)。

時(shí)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(shí)鐘同步為協(xié)調(diào)跨多節(jié)點(diǎn)的傳感與驅(qū)動(dòng)提供統(tǒng)一的參考時(shí)鐘，使各節(jié)點(diǎn)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(diǎn)通信等任務(wù)。通過(guò)統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘，節(jié)點(diǎn)才能協(xié)同完成各項(xiàng)任務(wù)。

海洋傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)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(diǎn)的時(shí)鐘同步基本機(jī)制如下 ：

（1）時(shí)間參考源節(jié)點(diǎn)通過(guò)傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)間 ；

（2）傳感網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)接收到參考源時(shí)間后，按算法進(jìn)行時(shí)間比對(duì)，計(jì)算出時(shí)間偏差 ；

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

海洋傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)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(shí)鐘體系結(jié)構(gòu)主要包括如下部分。

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

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

（3）二級(jí)時(shí)鐘信號(hào)源。主要功能是接收系統(tǒng)時(shí)鐘源的時(shí)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(jí)時(shí)鐘信號(hào)源下發(fā)的時(shí)間，并上報(bào)自身時(shí)間，以減小同步誤差。

2 海洋傳感器網(wǎng)絡(luò)終端時(shí)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(shí)的精度問(wèn)題

 誤差是海洋傳感網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步的重要指標(biāo)，海洋傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型不同，應(yīng)用不同，需要的時(shí)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(shí)間參考源節(jié)點(diǎn)通常使用水聲通信來(lái)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(shí)表明，聲速測(cè)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(cè)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(cè)量誤差。因此，我們必須在已有水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步算法研究的基礎(chǔ)上，吸取在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘算法方面取得的研究成果來(lái)描述節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，選擇合適的聲速計(jì)算公式，建立聲速誤差校準(zhǔn)模型，降低節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)和聲速測(cè)量誤差等因素對(duì)水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步精度的影響。可利用超聲波通信時(shí)間參考源節(jié)點(diǎn)的授時(shí)精度，以及用新的誤差處理方法來(lái)滿足海洋傳感網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步的要求。

（2）無(wú)線信號(hào)屏蔽情況下糾正時(shí)間偏差并保證守時(shí)的問(wèn)題

躲避臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣或?yàn)榱税踩?，海洋傳感網(wǎng)絡(luò)時(shí)間參考源通常只能周期性地接收 BD 衛(wèi)星定位和授時(shí)信號(hào)，在某些惡劣的天氣下甚至長(zhǎng)時(shí)間接收不到定位授時(shí)信號(hào)。同時(shí)因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)成本等問(wèn)題，節(jié)點(diǎn)本身無(wú)法大量配置銣鐘等高精度時(shí)鐘源。當(dāng)北斗時(shí)鐘源出現(xiàn)故障時(shí)，智能守時(shí)單元經(jīng)北斗馴服后產(chǎn)生準(zhǔn)確的脈沖信號(hào)，取代時(shí)間源信號(hào)，向其他單元發(fā)送時(shí)間信號(hào)。當(dāng)北斗時(shí)鐘源恢復(fù)正常時(shí)，則無(wú)時(shí)鐘損失地跟蹤并鎖定到北斗時(shí)鐘。

（3）時(shí)鐘同步節(jié)點(diǎn)適用化

海洋傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，通常工作在無(wú)人監(jiān)控或者環(huán)境惡劣的環(huán)境下。這種環(huán)境對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)帶來(lái)的影響較大 ：節(jié)點(diǎn)的更換以及電源更換成為突出問(wèn)題，加之海水環(huán)境因素對(duì)通信的影響，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)中時(shí)鐘同步子節(jié)點(diǎn)能量的消耗進(jìn)行優(yōu)化，提高節(jié)點(diǎn)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(shí)鐘同步子節(jié)點(diǎn)模塊。根據(jù)海洋環(huán)境的特點(diǎn)，考慮到工程的大規(guī)模應(yīng)用，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)應(yīng)選擇和使用低能耗元器件。因此，時(shí)鐘子節(jié)點(diǎn)應(yīng)采用低能耗、長(zhǎng)壽命的材料以及先進(jìn)的超大規(guī)模集成電路技術(shù)，從而實(shí)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(shí)鐘子節(jié)點(diǎn)模塊示意圖。

3 結(jié) 語(yǔ)

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

針對(duì)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(shí)鐘同步技術(shù)對(duì)海洋裝備、海洋監(jiān)測(cè)、海洋軍事等具有廣闊應(yīng)用價(jià)值，對(duì)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(shí)鐘同步關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計(jì)的海洋傳感器物聯(lián)網(wǎng)時(shí)鐘終端能夠滿足國(guó)家對(duì)海洋資源開發(fā)利用、海洋環(huán)境保護(hù)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(dòng)化、智能化設(shè)備提供精確可靠的時(shí)間服務(wù)，為國(guó)家命脈領(lǐng)域的信息安全和經(jīng)濟(jì)安全提供時(shí)間服務(wù)。