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工业物联网时间同步技术发展现状与展望

作者2019-03-25 10:42未知

ocess, such as chemical, petroleum, metallurgy, and so on. Then, the special performance requirements for industrial applications of time synchronization have been proposed. What’s more, based on the IIoT architecture and the adverse factors that affect time synchronization, the reason has been analyzed that time synchronization methods in Wireless Sensor Networks (WSNs) cannot be directly applied to industry. In addition, the existing problems and challenges have been pointed out. At last, the develop trends and hot research topics of time synchronization in IIoT have been put forward.

  Keyword: Industrial Internet of Things; time synchronization; Wireless Sensor Networks;

  美国总统科技顾问委员会在《面向21世纪挑战的联邦能源研究与发展规划》中指出“低成本的工业无线技术将使工业生产效率提高10%,并使排放和污染降低25%”。通过融合传感器、网络通信、安全、大数据分析处理等技术,工业物联网(IIoT)以低成本、低投资及高度适用性等优势,实现对工业生产流程的“泛在感知”,以便捷、高效的方式获取传统工业生产线上难以获取的重要过程参数,优化了生产管理,提高了生产效率,并逐渐引起产业界的广泛关注。2016年1月,波士顿的数据分析公司Lux Research预测:截至2020年,全球工业物联网产值将达到1 510亿美元。

  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、存储以及通信功能的传感器节点组成,是一种低成本、低功耗、自组织获取工业生产监查控制数据的技术。目前,在工业无线传感器网络应用研究领域,主要的国际标准包括中国科学院沈阳自动化研究所牵头制定的面向工业过程自动化的工业无线网络标准(WIA-PA)[1]、国际自动化协会(ISA)发布的ISA100.11a标准[2]以及HART基金会公布的WirelessHART标准[3]等。与传统的WSNs不同,数字油田、智能电网广域互联[4]、设备的故障追溯、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、高可靠等性能要求。

  时间同步[5]作为WSNs中的一项关键支撑技术,对于保证WSNs完成一系列基础性操作至关重要,例如:数据融合、传输调度、节点定位等。然而,由于网络环境的诸多不利因素(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异,网络中各个节点的时间总是处于不同步的状态。因此,需要设计相应的同步技术对传感器节点的时钟进行校正,实现网络的时间同步。

  自2002年8月被ELSON J和ROMER K在HOTNETW I首次提出至今[6],大量的WSNs时间同步技术已被研究者提出[7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18];但由于面向工业的WSNs自身的局限性,使得众多时间同步技术的工业应用受到很大限制,例如:集中式的时间同步技术不适合大规模的传感器网络,分布式时间同步技术由于收敛时间慢导致的能量消耗过大的问题,时间同步存在的安全隐患造成其在受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要求进行分析,同时分析现有WSNs时间同步技术存在的问题,并指出未来的发展方向和研究热点。

工业物联网时间同步技术发展现状与展望

  1 工业物联网架构和时间同步要求

  随着信息网络技术的发展,工业自动化突破了局域网的限制,将企业信息化系统延伸到互联网,实现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骨干网组成。其中,基于工业无线传感器网络技术的本地子网实现了远程感知和控制应用,扩展了工业测控系统的应用范围。而低成本、高安全、高实时的工业回程网,则实现了远程传感器网络与原有工业控制骨干网络的集成,构建了广域覆盖的测控网络。Internet骨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,往往需要对多个测控信息进行协同处理以达到精确控制的目的,因此需要工业物联网提供时间同步功能。

  图1 工业物联网结构
图1 工业物联网结构

  鉴于工业现场控制的实时性、稳定性以及可靠性的要求,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一般WSNs所需的高精度、低能耗等特点外,还需有自身的特点:

  (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协议要求节点间同步精度在100 μs以内,而有些对实时性要求较高的控制系统则要求节点间的同步精度在10 μs以内。

  (2)快速收敛。工业应用对于设备上线时间有一定要求,可以精确到秒级,同时对于节点失效的检测和恢复时间要求越快越好。这就要求网络的时间同步技术能够快速收敛、失效检测和恢复。

  (3)安全可靠性。安全对于工业生产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导致失效,而且无线链路的通信质量也可能受到外部攻击,因此要求时间同步算法具有良好的安全可靠性。

  (4)低能耗。为了延长WSNs的寿命,必须尽量减少和均衡能量消耗,这也要求时间同步算法能够合理根据网络节点的能量分布,并借助于不同角色节点的功能,均匀使用网络内所有节点的能量来达到能量的高效实用。

  2 时间同步技术发展现状

  本节首先分析影响WSNs时间同步性能的主要来源。在此基础之上,从集中式时间同步、分布式时间同步和安全的时间同步这3个方面对现有的时间同步技术进行分析。

  在网络中,节点通过计算晶振的输出脉冲次数来计算时间。同时,报文交换是实现网络时间同步的基础。此外,时间同步会因网络攻击而失效。因此,影响工业物联网时间同步性能的主要因素包括基于晶振的时钟计时噪声、报文交换过程中所产生的不确定通信时延以及网络的安全性。因此,当前的时间同步技术主要针对以上问题展开研究。

  2.1 集中式时间同步

  集中式时间同步技术已经有相当多的研究且发展比较成熟,一般分为2 个步骤:层建立阶段和同步阶段。在层建立阶段,一个基于源节点的多跳树型网络结构被创建;在同步阶段,子节点与父节点之间采取一定措施实现同步,并逐渐扩展到全网同步,实现各级节点与源节点的时间同步。因此,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广播同步(RBS)[8]、传感器网络时间同步(TPSN)[9]、泛洪时间同步协议(FTSP)[10]等,而后续研究则都是在其基础之上进行扩展。其中,RBS算法利用无线通信的广播特性来进行时间同步,它实现的是接收方之间的时间同步,而不是接收方与发送方之间的时间同步。TPSN算法与FTSP算法类似,都是通过构建树型的网络结构,实现层次化的同步;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到达本地时的接收时间构成的信息对,进行线性回归,估计从节点和主节点之间的时钟调节参数进行同步;而TPSN算法则是双向同步,从节点通过和主节点进行时间戳交换估计链路时延,并计算本地时钟偏移。

  此外,由于通信时延的干扰,研究者逐渐开始关注不同通信时延模型下的时间同步问题。通过假设节点间传输时延的概率密度分布(例如:高斯分布、指数分布等),然后利用极大似然估计、贝叶斯估计等方法来实现时钟参数的估计。基于Kalman filter的时间同步方法则通过对晶振和链路时延的干扰进行过滤,来估计时钟参数,如基于IEEE 1588协议建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利用卡尔曼滤波方法对从节点的时间进行估计[11]。

  2.2 分布式时间同步技术

  相比于集中式时间同步技术,分布式时间同步技术主要利用局部的时间信息达到网络内同步,提高了邻居节点间的同步精度。分布式时间同步技术不需要依赖于既定的拓扑结构,且对时钟斜率和时钟偏差能同时进行补偿,因此具有鲁棒性好、可扩展性强等特点,受到了学术界和工业界的广泛关注。

  在经典的分布式时间同步技术中,梯度时间同步(GTSP)[12]中节点收到所有邻居节点的信息时才进行时钟补偿。平均一致性时间同步(ATS)[13]则基于异步平均一致性理论,其核心思想是:网络中的节点根据各自的硬件时钟周期性的广播自己的时钟信息;在收到其它节点的信息时,节点利用时钟的线性性质来估计自己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差的平均值作为参考时钟来补偿本地时钟斜率和偏差。与ATS不同,最大一致性时间同步(MTS)[14]采用最大一致性理论,能够同时补偿时钟斜率和时钟偏移,且实现了线性收敛;但是二者整个过程均未考虑链路通信时延。显然,通信时延的存在同样干扰着分布式时间同步技术的性能,尤其是收敛性。

  2.3 安全时间同步技术

  WSNs的时间同步安全问题与其他安全问题相比存在着诸多问题和挑战[15],主要包括:

  (1)资源受限,安全的时间同步技术不但需要时间同步算法,还需要安全的防御措施,所以就对网络的计算、存储和通信提出了更高的要求。

  (2)攻击的多样性,例如:拒绝服务攻击会影响同步算法的收敛性甚至导致时间同步无法实现,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破坏时间同步。

  (3)同步算法本身存在的脆弱性,例如:集中式时间同步技术存在的单点故障问题。

  目前的安全时间同步技术主要是利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篡改或插入不安全的信息,以及利用设定阀值的技术来检测和限制攻击者的攻击强度。传统的安全时间同步技术主要针对集中式网络结构进行,但由于分布式同步技术的兴起,相应的针对分布式网络结构的安全时间同步技术也相继被研究,例如:完全分布式的Attack-resilient时间同步算法(ATSP)[16],利用阀值技术来发现和限制攻击,但是该算法未对时钟斜率进行补偿。而安全的平均一致性时间同步算法(SATS)[17]和安全的最大一致性时间同步算法(SMTS)[18]分别建立在ATS和MTS的基础上,主要针对信息操纵攻击问题进行研究。通过设置门限值,对恶意节点的信息进行屏蔽,同时设计逻辑时钟安全防御措施,针对时钟斜率和时钟偏移同时进行补偿。

  3存在的问题

  通过以上分析可知,目前的时间同步技术的研究仍存在以下问题:

  (1)集中式时间同步技术。为了适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,尤其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中的时钟模型在实际系统中会发生变化,使得同步精度降低。单向同步技术下的通信时延造成的同步发散问题并没有得到很好地解决。

  (2)分布式时间同步技术。现有分布式时间同步技术虽然研究了不同通信时延存在情况下的同步收敛问题,但对如何提高通信时延存在情况下的同步收敛性尚缺乏研究。需要网络中所有的节点周期性发送同步报文,在资源受限的IIoT中会引起大量的通信资源、存储资源以及能量的消耗。

  (3)安全时间同步技术。只能实现一些特定的、简单的分布式时间同步安全算法,在面对一些较为智能的攻击或攻击者可以相互勾结的攻击的安全同步研究不足,如Sybil攻击。多针对分布式的时间同步技术,而集中式时间同步技术作为事实上已经应用的同步技术,同样面临着安全问题。

  综上所述,目前的时间同步技术研究仍面临着各种问题和挑战,鉴于时间同步对于IIoT的重要性,并结合IIoT的特点,本文提出工业物联网时间同步的发展趋势。

  4 未来发展趋势

  根据前文所述,当前的时间同步机制都是WSNs同步,且多基于IEEE 802.15.4标准。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)是在应用层实现同步,精度很低。虽然驱动层的同步机制已经实现,但其精度也只达到微秒级。同时,由于回程网络只需维护边界节点(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要维护同步。因此,由于通信技术的差异,且缺乏统一的基础设施、信息交换端口及机制、同步信息格式,IIoT的同步精度、可靠性往往更低。故未来的工业物联网时间同步技术研究可在以下方面进行加强:

  (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时间同步可以是未来的一个解决思路。

  (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要被同步节点的报文响应,节省了报文开销,有效降低了节点能耗,故而得到了广泛的应用。因此,研究低能耗的单向时间同步机制也是未来的趋势之一。

  (3)协同攻击。目前关于时间同步安全防御的研究主要针对重复攻击、延时攻击和错误信息注入攻击等信息操纵攻击。而在IIoT中,攻击节点可以通过监查听取信道获取其他节点的ID,进而伪装成其他的节点并采用信息操控攻击模式破坏时间同步,这也是未来研究需要考虑的问题。

  (4)有源高精度同步。目前,工业控制网络多采用集中式管理方法,而且设备的远程控制要求网络节点能够与Internet同步,即工业无线传感器网络要能够与特定时间源同步。但当节点距离时间源的跳数增长时,采用集中式时间同步技术会造成邻居节点间的时间同步误差累积,故我们需要研究IIoT环境下的有源高精度时间同步。

  5 结束语

  目前,工业物联网对于降低工厂能源消耗,提高生产效率等具有重要意义,引起了产业界的广泛关注,并且发展迅速。时间同步是实现工业物联网环境下生产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,并结合分层的网络结构特点,提出了工业物联网时间同步的要求。同时,在现有技术的基础上,分析了时间同步面临的问题和挑战。此外,对未来的异构网络同步、单向同步、同步安全、有源同步等研究方向做了阐述。

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