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计算机技术 工业物联网时间同步技术开展现状与瞻望

2019-05-10 16:03:40来源:组稿人论文网作者:婷婷

  摘 要:研讨了工业物联网环境下的时间同步,以为其关于化工、石油、冶金等工业消费过程的状态监控具有重要意义,并提出了面向工业应用的时间同步性能请求。基于工业物联网架构以及影响时间同步性能的干扰要素,剖析了现有无线传感器网络时间同步技术不能直接应用到工业中的缘由,以及存在的问题和应战,并指出将来的开展方向和研讨热点。

  关键词:工业物联网; 时间同步; 无线传感器网络;

  美国总统科技参谋委员会在《面向21世纪应战的联邦能源研讨与开展规划》中指出“低本钱的工业无线技术将使工业消费效率进步10%,并使排放和污染降低25%”。经过交融传感器、网络通讯、平安、大数据剖析处置等技术,工业物联网(IIoT)以低本钱、低投资及高度适用性等优势,完成对工业消费流程的“泛在感知”,以便利、高效的方式获取传统工业消费线上难以获取的重要过程参数,优化了消费管理,进步了消费效率,并逐步惹起产业界的普遍关注。2016年1月,波士顿的数据剖析公司Lux Research预测:截至2020年,全球工业物联网产值将到达1 510亿美圆。

  无线传感器网络(WSNs)作为工业物联网感知层的重要支撑,由大量具有计算、存储以及通讯功用的传感器节点组成,是一种低本钱、低功耗、自组织获取工业消费监查控制数据的技术。目前,在工业无线传感器网络应用研讨范畴,主要的国际规范包括中国科学院沈阳自动化研讨所牵头制定的面向工业过程自动化的工业无线网络规范(WIA-PA)[1]、国际自动化协会(ISA)发布的ISA100.11a规范[2]以及HART基金会发布的WirelessHART规范[3]等。与传统的WSNs不同,数字油田、智能电网广域互联[4]、设备的毛病追溯、工业机器人协同操作等新型工业应用对工业物联网提出了高实时、高牢靠等性能请求。

  时间同步[5]作为WSNs中的一项关键支撑技术,关于保证WSNs完成一系列根底性操作至关重要,例如:数据交融、传输调度、节点定位等。但是,由于网络环境的诸多不利要素(例如:温度和湿度变化、电磁干扰、晶体老化等)以及计时晶振的内在属性差别,网络中各个节点的时间总是处于不同步的状态。因而,需求设计相应的同步技术对传感器节点的时钟停止校正,完成网络的时间同步。

  自2002年8月被ELSON J和ROMER K在HOTNETW I初次提出至今[6],大量的WSNs时间同步技术已被研讨者提出[7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18];但由于面向工业的WSNs本身的局限性,使得众多时间同步技术的工业应用遭到很大限制,例如:集中式的时间同步技术不合适大范围的传感器网络,散布式时间同步技术由于收敛时间慢招致的能量耗费过大的问题,时间同步存在的平安隐患形成其在遭到攻击时同步失效等。文中我们将对工业物联网的架构以及其对时间同步的请求停止剖析,同时剖析现有WSNs时间同步技术存在的问题,并指出将来的开展方向和研讨热点。

  1 工业物联网架构和时间同步请求

  随着信息网络技术的开展,工业自动化打破了局域网的限制,将企业信息化系统延伸到互联网,完成了基于互联网的工业自动化,即工业物联网。如图1所示,工业物联网由本地子网、无线Mesh回程网以及Internet主干网组成。其中,基于工业无线传感器网络技术的本地子网完成了远程感知和控制应用,扩展了工业测控系统的应用范围。而低本钱、高平安、高实时的工业回程网,则完成了远程传感器网络与原有工业控制主干网络的集成,构建了广域掩盖的测控网络。Internet主干网则提供工业测控系统的远程网络接入。在工业物联网中,常常需求对多个测控信息停止协同处置以到达准确控制的目的,因而需求工业物联网提供时间同步功用。

  图1 工业物联网构造

  鉴于工业现场控制的实时性、稳定性以及牢靠性的请求,以及无线网络固有的链路不稳定、易受外界电磁环境影响等问题,工业物联网时间同步技术在具有普通WSNs所需的高精度、低能耗等特性外,还需有本身的特性:

  (1)高精度[7]。同步精度作为时间同步效果的最直观表现,在工业无线传感器网络中同样重要。通常,相同条件下同步精度越高效果越好。WirelessHART协议请求节点间同步精度在100 μs以内,而有些对实时性请求较高的控制系统则请求节点间的同步精度在10 μs以内。

  (2)快速收敛。工业应用关于设备上线时间有一定请求,能够准确到秒级,同时关于节点失效的检测和恢复时间请求越快越好。这就请求网络的时间同步技术可以快速收敛、失效检测和恢复。

  (3)平安牢靠性。平安关于工业消费流程的检测和控制至关重要。传感器节点会遭到外部攻击而招致失效,而且无线链路的通讯质量也可能遭到外部攻击,因而请求时间同步算法具有良好的平安牢靠性。

  (4)低能耗。为了延长WSNs的寿命,必需尽量减少和平衡能量耗费,这也请求时间同步算法可以合理依据网络节点的能量散布,并借助于不同角色节点的功用,平均运用网络内一切节点的能量来到达能量的高效适用。

  2 时间同步技术开展现状

  本节首先剖析影响WSNs时间同步性能的主要来源。在此根底之上,从集中式时间同步、散布式时间同步和平安的时间同步这3个方面对现有的时间同步技术停止剖析。

  在网络中,节点经过计算晶振的输出脉冲次数来计算时间。同时,报文交流是完成网络时间同步的根底。此外,时间同步会因网络攻击而失效。因而,影响工业物联网时间同步性能的主要要素包括基于晶振的时钟计时噪声、报文交流过程中所产生的不肯定通讯时延以及网络的平安性。因而,当前的时间同步技术主要针对以上问题展开研讨。

  2.1 集中式时间同步

  集中式时间同步技术曾经有相当多的研讨且开展比拟成熟,普通分为2 个步骤:层树立阶段和同步阶段。在层树立阶段,一个基于源节点的多跳树型网络构造被创立;在同步阶段,子节点与父节点之间采取一定措施完成同步,并逐步扩展到全网同步,完成各级节点与源节点的时间同步。因而,集中式时间同步技术具有收敛速度快、算法简单和同步精度高等优点。

  经典的集中式时间同步技术包括参考播送同步(RBS)[8]、传感器网络时间同步(TPSN)[9]、泛洪时间同步协议(FTSP)[10]等,然后续研讨则都是在其根底之上停止扩展。其中,RBS算法应用无线通讯的播送特性来停止时间同步,它完成的是接纳方之间的时间同步,而不是接纳方与发送方之间的时间同步。TPSN算法与FTSP算法相似,都是经过构建树型的网络构造,完成层次化的同步;但不同之处在于:FTSP是单向同步,从节点采用主节点的发送时间和抵达本地时的接纳时间构成的信息对,停止线性回归,估量从节点和主节点之间的时钟调理参数停止同步;而TPSN算规律是双向同步,从节点经过和主节点停止时间戳交流估量链路时延,并计算本地时钟偏移。

  此外,由于通讯时延的干扰,研讨者逐步开端关注不同通讯时延模型下的时间同步问题。经过假定节点间传输时延的概率密度散布(例如:高斯散布、指数散布等),然后应用极大似然估量、贝叶斯估量等办法来完成时钟参数的估量。基于Kalman filter的时间同步办法则经过对晶振和链路时延的干扰停止过滤,来估量时钟参数,如基于IEEE 1588协议树立主从时钟之间的时钟偏移以及时钟偏移率的状态空间模型,然后基于此状态空间模型应用卡尔曼滤波办法对从节点的时间停止估量[11]。

  2.2 散布式时间同步技术

  相比于集中式时间同步技术,散布式时间同步技术主要应用部分的时间信息到达网络内同步,进步了邻居节点间的同步精度。散布式时间同步技术不需求依赖于既定的拓扑构造,且对时钟斜率和时钟偏向能同时停止补偿,因而具有鲁棒性好、可扩展性强等特性,遭到了学术界和工业界的普遍关注。

  在经典的散布式时间同步技术中,梯度时间同步(GTSP)[12]中节点收到一切邻居节点的信息时才停止时钟补偿。均匀分歧性时间同步(ATS)[13]则基于异步均匀分歧性理论,其中心思想是:网络中的节点依据各自的硬件时钟周期性的播送本人的时钟信息;在收到其它节点的信息时,节点应用时钟的线性性质来估量本人时钟和邻居节点时钟的相对时钟速率,并把二者的时钟速率和时钟偏向的均匀值作为参考时钟来补偿本地时钟斜率和偏向。与ATS不同,最大分歧性时间同步(MTS)[14]采用最大分歧性理论,可以同时补偿时钟斜率和时钟偏移,且完成了线性收敛;但是二者整个过程均未思索链路通讯时延。显然,通讯时延的存在同样干扰着散布式时间同步技术的性能,特别是收敛性。

  2.3 平安时间同步技术

  WSNs的时间同步平安问题与其他平安问题相比存在着诸多问题和应战[15],主要包括:

  (1)资源受限,平安的时间同步技术不但需求时间同步算法,还需求平安的防御措施,所以就对网络的计算、存储和通讯提出了更高的请求。

  (2)攻击的多样性,例如:回绝效劳攻击会影响同步算法的收敛性以至招致时间同步无法完成,信息重放攻击则会影响同步算法的收敛精度,而信息操控攻击将直接毁坏时间同步。

  (3)同步算法自身存在的脆弱性,例如:集中式时间同步技术存在的单点毛病问题。

  目前的平安时间同步技术主要是应用信息加密和认证技术来防御信息在传输过程中被攻击者窜改或插入不平安的信息,以及应用设定阀值的技术来检测和限制攻击者的攻击强度。传统的平安时间同步技术主要针对集中式网络构造停止,但由于散布式同步技术的兴起,相应的针对散布式网络构造的平安时间同步技术也相继被研讨,例如:完整散布式的Attack-resilient时间同步算法(ATSP)[16],应用阀值技术来发现和限制攻击,但是该算法未对时钟斜率停止补偿。而平安的均匀分歧性时间同步算法(SATS)[17]和平安的最大分歧性时间同步算法(SMTS)[18]分别树立在ATS和MTS的根底上,主要针对信息支配攻击问题停止研讨。经过设置门限值,对歹意节点的信息停止屏蔽,同时设计逻辑时钟平安防御措施,针对时钟斜率和时钟偏移同时停止补偿。

  3存在的问题

  经过以上剖析可知,目前的时间同步技术的研讨仍存在以下问题:

  (1)集中式时间同步技术。为了顺应无线网络的动态特性,所设计的同步协议复杂度较高,而且同步精度会随着从节点与主节点之间跳数的增加而降低,特别是邻居节点间的同步精度。由于环境温度对晶振稳定性影响较大,且外界电磁环境干扰链路的稳定性,Kalman fliter中的时钟模型在实践系统中会发作变化,使得同步精度降低。单向同步技术下的通讯时延形成的同步发散问题并没有得到很好地处理。

  (2)散布式时间同步技术。现有散布式时间同步技术固然研讨了不同通讯时延存在状况下的同步收敛问题,但对如何进步通讯时延存在状况下的同步收敛性尚缺乏研讨。需求网络中一切的节点周期性发送同步报文,在资源受限的IIoT中会惹起大量的通讯资源、存储资源以及能量的耗费。

  (3)平安时间同步技术。只能完成一些特定的、简单的散布式时间同步平安算法,在面对一些较为智能的攻击或攻击者能够互相勾搭的攻击的平安同步研讨缺乏,如Sybil攻击。多针对散布式的时间同步技术,而集中式时间同步技术作为事实上曾经应用的同步技术,同样面临着平安问题。

  综上所述,目前的时间同步技术研讨仍面临着各种问题和应战,鉴于时间同步关于IIoT的重要性,并分离IIoT的特性,本文提收工业物联网时间同步的开展趋向。

  4 将来开展趋向

  依据前文所述,当前的时间同步机制都是WSNs同步,且多基于IEEE 802.15.4规范。而基于IEEE 802.11的无线Mesh回程网络所提供的时间同步函数(TSF)是在应用层完成同步,精度很低。固然驱动层的同步机制曾经完成,但其精度也只到达微秒级。同时,由于回程网络只需维护边境节点(接入)与主时钟的高精度时间同步,中间节点作为转发节点不需求维护同步。因而,由于通讯技术的差别,且缺乏统一的根底设备、信息交流端口及机制、同步信息格式,IIoT的同步精度、牢靠性常常更低。故将来的工业物联网时间同步技术研讨可在以下方面停止增强:

  (1)异构网络同步。当前成熟的有线以太网时间同步协议为IEEE 1588协议[19],单跳环境下该协议的精度为 50 ns。同时,IEEE 1588 协议是基于在传输控制/网际协议(UDP/IP)的,故基于IEEE 1588 协议的IIoT时间同步能够是将来的一个处理思绪。

  (2)单向同步。相比于双向同步技术,单向的时间同步技术在同步过程中不需求被同步节点的报文响应,俭省了报文开支,有效降低了节点能耗,故而得到了普遍的应用。因而,研讨低能耗的单向时间同步机制也是将来的趋向之一。

  (3)协同攻击。目前关于时间同步平安防御的研讨主要针对反复攻击、延时攻击和错误信息注入攻击等信息支配攻击。而在IIoT中,攻击节点能够经过监查听取信道获取其他节点的ID,进而假装成其他的节点并采用信息操控攻击形式毁坏时间同步,这也是将来研讨需求思索的问题。

  (4)有源高精度同步。目前,工业控制网络多采用集中式管理办法,而且设备的远程控制请求网络节点可以与Internet同步,即工业无线传感器网络要可以与特定时间源同步。但当节点间隔时间源的跳数增长时,采用集中式时间同步技术会形成邻居节点间的时间同步误差累积,故我们需求研讨IIoT环境下的有源高精度时间同步。

  5 完毕语

  目前,工业物联网关于降低工厂能源耗费,进步消费效率等具有重要意义,惹起了产业界的普遍关注,并且开展疾速。时间同步是完成工业物联网环境下消费流程过程监查控制的重要支撑。本文中,我们从工业物联网的应用需求,并分离分层的网络构造特性,提出了工业物联网时间同步的请求。同时,在现有技术的根底上,剖析了时间同步面临的问题和应战。此外,对将来的异构网络同步、单向同步、同步平安、有源同步等研讨方向做了论述。

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