32、广域应用的时钟同步：基于电力线电磁辐射的创新方案

广域应用的时钟同步：基于电力线电磁辐射的创新方案

1. 背景与挑战

在网络应用中，物理层和链路层的特性给精确的网络数据包时间戳记录和时钟同步带来了挑战。现有的同步方法难以在同步精度和对硬件异构性的适应性之间取得良好平衡。例如，网络时间协议（NTP）无需对无线电进行底层硬件访问，能适应多种硬件平台，但同步精度仅为亚秒级；而精确时间协议（PTP）和泛洪时间同步协议（FTSP）虽能实现毫秒甚至微秒级的同步精度，却需要对无线电进行底层硬件访问，在具有多样化硬件平台的物联网中缺乏通用性。

2. 自然时间戳与时钟同步方法

为应对上述挑战，提出了一种基于室内环境中普遍存在的周期性信号——电力线电磁辐射的自然时间戳记录方法和时钟同步方法。研究发现，电力线电磁辐射频率的微小波动包含全球时间信息，因此可以将电力线电磁辐射轨迹记录下来作为自然时间戳。通过将该周期性信号融入NTP原理，避免了对无线电的底层访问，实现了由电网频率提供的同步。此外，还利用人体与电力线产生的电场之间的耦合，将该方法应用于可穿戴物联网设备。大量实验表明，无线物联网设备的自然时间戳记录方法可实现亚秒级精度，可穿戴物联网设备的时钟同步方法可实现毫秒级精度。

3. 系统模型与问题阐述

3.1 无线物联网设备的自然时间戳记录

对于协作式物联网系统，节点间拥有共同的时间概念（CNoT）是一项基本且关键的要求。能够抵御硬件故障和网络中断等故障的弹性CNoT，对各种无线传感器网络（WSN）和物联网系统至关重要。自然时间戳记录是一种低成本且新颖的弹性CNoT实现方法。一般来说，自然时间戳是从环境中采样的有限长度信号，在任何给定的采样时间内呈现出独特的形式，即信号形式“编码”了采样时间。