基于物联网的海洋传感器网络终端时钟同步关键技术研究

引 言

近年来，随着人们对海洋资源的开发利用与对海洋环境保护和海上防御的日益重视，基于海洋传感器网络的研究开始受到学术、工业和军事等方面的高度关注。海洋传感网络的时钟同步关键技术也成为研究的热点。

目前陆地上的传感器网络时钟同步已得到深入研究与广泛应用，如智能核电站、电网等 [1-4]。而海洋中组网方式、所处环境、设备适用性等不同，所以无法将陆上时钟同步技术直接运用于海洋，必须考虑海洋环境中传播时延和节点移动性等对同步精度的影响，也要统筹考虑算法的能耗和计算复杂度 [5-8]。

国外众多大学和科研机构针对海洋水下传感器网络的时钟同步技术，多是通过与信标节点的多次消息交互，采用线性回归估计待同步节点本地时钟的频率偏斜和相位偏斜来实现点对点同步 [9-10]。

这些算法能够在仿真环境下得到较好的结果，但其理论性强，应用性和工程化能力不足。比如 THSL 算法是在假设节点位置固定且传播延迟固定的情况下推导，不适用于移动水下传感器网络 [11-14]。且这些研究未考虑海洋传感器网络应用的复杂环境，未考虑海洋传感器网络应用中海底通信情况下网络节点守时精度技术，无线信号屏蔽情况下网络系统自动纠正时间偏差和传感器时钟网络节点小型化，低成本技术等缺乏深入研究等状况 [15-16]。

本文首先介绍了海洋传感网络系统及其时间同步技术， 其次研究了海洋传感网络节点的时钟同步网络体系构成，随后对其中的关键支撑技术—时钟同步算法进行了分析，最 后设计了一种基于物联网的海洋传感器网络时钟终端。

1 海洋传感网络系统及其时钟同步网络体系构成

海洋传感网络是依赖水声、无线和光纤通信建立起来的自治网络，其组成结构一般包括部署在海底或海中的各类传感器节点、海面浮标以及自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicles，AUV）等设备。

通常相对密集的传感器节点通过通信建立一种可靠的连接并被分散部署在特定海域采集海洋观测数据，节点通过信道相互通信传递数据 ；海面浮标将收集的水下传感数据汇聚融合，再将融合数据经卫星通信或船只携带，最终交付到陆地远程控制中心。由此建立了一种双工网络通信环境。

在海洋传感网络中，远程控制中心能够实时通过网络存取、分析各节点数据，又可以把控制信息传递给水下传感器节点。

时钟同步技术是海洋传感器网络的关键支撑技术，时钟同步为协调跨多节点的传感与驱动提供统一的参考时钟，使各节点能够协调一致地完成数据采集、融合处理和节点通信等任务。通过统一网络中各节点的本地时钟，节点才能协同完成各项任务。

海洋传感网络节点的时钟同步网络示意如图 1 所示。海洋传感网络节点的时钟同步基本机制如下 ：

（1）时间参考源节点通过传感网络传输时间 ；

（2）传感网络中的其他节点接收到参考源时间后，按算法进行时间比对，计算出时间偏差 ；

（3）按照时间偏差修正自身时间，以达到与时间参考源节点同步的目的。

海洋传感网络节点间的时钟同步是保障传感网数据采集、信息交换、信息处理及结果判断等任务正常执行的基础。

基于物联网的海洋传感器网络终端时钟体系结构主要包括如下部分。

（1）高精度时钟基准源。包括 GPS/BD或海上时钟源控制中心，为整个系统提供高质量的时钟基准。

（2）系统时钟源。接收高精度时钟基准源的时间，并通过物联网通信将时间准确下发到下级时钟服务站，系统时钟源之间可以通信，以进一步提高系统同步精度。

（3）二级时钟信号源。主要功能是接收系统时钟源的时间，并下发给海洋传感器网络终端。

（4）海洋传感器网络终端。接收二级时钟信号源下发的时间，并上报自身时间，以减小同步误差。

2 海洋传感器网络终端时钟同步关键技术

（1）海底环境中使用声波通信情况下授时的精度问题

 误差是海洋传感网络时钟同步的重要指标，海洋传感网络节点类型不同，应用不同，需要的时钟同步误差要求不同。由于海底环境的复杂性，海洋传感网络中时间参考源节点通常使用水声通信来克服距离限制等不利因素，提高系统配置的灵活性。大量事实表明，声速测量误差最小为 0.3 m/s。但在相同的海洋环境中，不同声速算法的测量精度不同。单一算法也不能够在所有环境中都保证 0.3 m/s 的最小测量误差。因此，我们必须在已有水声传感器网络时钟同步算法研究的基础上，吸取在无线传感器网络时钟算法方面取得的研究成果来描述节点运动状态，选择合适的声速计算公式，建立声速误差校准模型，降低节点运动和声速测量误差等因素对水声传感器网络时钟同步精度的影响。可利用超声波通信时间参考源节点的授时精度，以及用新的误差处理方法来满足海洋传感网络时钟同步的要求。

（2）无线信号屏蔽情况下纠正时间偏差并保证守时的问题

躲避台风等恶劣天气或为了安全，海洋传感网络时间参考源通常只能周期性地接收 BD 卫星定位和授时信号，在某些恶劣的天气下甚至长时间接收不到定位授时信号。同时因为网络架构成本等问题，节点本身无法大量配置铷钟等高精度时钟源。当北斗时钟源出现故障时，智能守时单元经北斗驯服后产生准确的脉冲信号，取代时间源信号，向其他单元发送时间信号。当北斗时钟源恢复正常时，则无时钟损失地跟踪并锁定到北斗时钟。

（3）时钟同步节点适用化

海洋传感网络节点数量多，通常工作在无人监控或者环境恶劣的环境下。这种环境对网络节点带来的影响较大 ：节点的更换以及电源更换成为突出问题，加之海水环境因素对通信的影响，需要对网络中时钟同步子节点能量的消耗进行优化，提高节点寿命 ；为了确保工程应用，必须开发和研制小型化、低成本的时钟同步子节点模块。根据海洋环境的特点，考虑到工程的大规模应用，传感器网络节点应选择和使用低能耗元器件。因此，时钟子节点应采用低能耗、长寿命的材料以及先进的超大规模集成电路技术，从而实现小型化、低成本并适用于不同海洋环境的产品。图 2 所示为时钟子节点模块示意图。

3 结 语

在水下传感器网络、新一轮深海大洋观测计划和无人潜航器及其水下服务站等计划中，海洋本身所具有的恶劣气候使网络节点的工作环境更为苛刻。

针对大规模分布式海洋传感网络，研究高精度高适用的时钟同步技术对海洋装备、海洋监测、海洋军事等具有广阔应用价值，对新军事变革具有重大作用。

本文研究的海洋传感器网络时钟同步关键技术和设计的海洋传感器物联网时钟终端能够满足国家对海洋资源开发利用、海洋环境保护和海上防御的需要，并能推广到海上核电、海工装备等领域，为各类自动化、智能化设备提供精确可靠的时间服务，为国家命脉领域的信息安全和经济安全提供时间服务。