请记住准确性和精度之间的差异：设置到错误时间的高质量手表可能非常精确，但不准确
【深度科普】什么是精准授时？ - u-blox的文章 - 知乎
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时间同步技术在所有网络应用中都是至关重要的，从互联网到工业，金融和科学应用，莫不如是，因此催生了包括NTP(网络时间协议)与1588v2 PTP(精确时间协议)等用于互联设备授时协议、以及通过GNSS接收机进行时间同步的方法。如今，随着物联网技术的不断发展，授时技术正在互联网、卫星定位、高频交易和移动电信网络中发挥着中央赋能的作用，进一步拓展物联网生态系统，为大量新兴商业提供发展机会。本文将从授时技术类型、授时精度、限制条件等方面综合阐述，以帮助您选择最佳授时技术方案。
△图1：授时类型
授时类型
客户经常告诉我们，他们的IoT应用需要一个高度精确的授时解决方案，而当我们进一步了解时，他们的答案通常是：“高度精确的世界时”。当然，若您的应用场景在室外且不受任何遮挡，那么基于GNSS的授时模块可以提供精确的世界时。而对于室内或地下的应用场景，我们就需要其他授时技术支持。
△图2：确定具体所需的时间类型(共四类)有助于缩小授时解决方案的范围选择
象限A：定时器
许多授时应用只需准确测量单个设备上发生事件之间的时间间隔，而无需同步多个设备的时间，包括煮蛋定时器、秒表和心率监测器。这些应用需要准确的“时标”，需要准确测量孤立事件之间的时间间隔，是否与绝对时间同步并不重要。
象限B：天文参考时钟
诸如伦敦格林威治的全球参考时钟之类的应用，要求在单个设备上提供绝对时间，也包括钟楼、闹钟和手表，绝对时间可以是协调世界时(UTC)或给定时区的本地时间。
象限C：信号同步
需要共享时间间隔概念的应用属于象限 C。此类应用包括记录和共享多组信号的分布式传感器组，包括智能电网中的相量测量单元以及广播和辅助服务中的无线媒体设备(包括麦克风)。这些分布式应用需要能够同步它们的“时标”并确定一个约定的初始时间t0，将时间调整到绝对时间的要求通常不那么严格。
象限D：金融交易网络
此类应用属于最苛刻的分布式应用，需要将所有设备都高度同步到绝对时间。金融交易网络是一个众所周知的应用，该网络需要能够以纳秒级的精度确定交易股票的顺序。此类应用需要保持高精度的时间间隔并使其测量刻度与绝对时间同步，例如利用与GNSS卫星上搭载的原子钟同步的GNSS授时模块进行同步。
授时精准度
在我们厘清了应用所需的授时类型后，现在需要讨论准确性需求了。但首先，请记住准确性和精度之间的差异：设置到错误时间的高质量手表可能非常精确，但不准确。
△图3：设置到错误时间的高质量手表可能非常精确，但不准确
采取谨慎做法并为所有应用提供高度准确的绝对授时似乎是一个明智的策略。毕竟，在了解时间达到相同准确性的情况下，让煮蛋定时器在3分钟+/-5纳秒后关闭并无坏处，但如果在授时准确性方面设置不必要的严格要求，可能导致您错过高性价比且最适合您的应用的授时技术。因此，对各类授时技术进行权衡是不可避免的，仔细评估准确性要求将为您提供最佳的技术选择范围，并最终帮您提高设备的尺寸、成本和性能。
以汽车测速器为例，测速器是通过相距一公里的两个摄像头来追踪车辆的通过情况。摄像头之间的相对授时准确性应保持在较低水平，因为0.1秒的不确定度就会造成0.2km/h的测速不确定度。但对于报告事件的绝对时间的准确性要求要宽松的多，1秒钟就足够了。
△图4：基于摄像头的测速器沿道路安装不同工作流程需要不同的授时准确性
智能电网包含分布在广阔区域的设备，此类设备用于测量采样值和记录事件，也具有一系列的时间准确性要求，IEC 61850对其进行了规定。
△ 表1：IEC 61850中规定的时间准确性要求
如何选择授时技术
明确了解您的应用限制条件对于选择最佳的授时技术至关重要，尤其是在覆盖范围、移动性、功耗和成本方面。
信号覆盖范围
您的设备将在何处运行？无线授时设备通常利用某种形式的电磁信号来追踪时间。某些信号能够比其他信号更易于穿透到建筑物或地下设施中，因此设备接收的信号的质量、可靠性和连续性可以缩小技术选项的范围。举例来说，对于建筑物来说，GNSS信号的穿透能力极差，而LTE Cat1、LTE-M和NB-IoT等低功耗广域蜂窝通信信号具有更强的穿透能力。
移动性
您的设备是静止不动还是需要移动？当使用蜂窝通信4G LTE信号来确定时间时，该问题尤为重要。当移动设备接近或远离信号基站时，“多普勒效应”会影响每个“时标”的长度，进而影响参考时间同步的准确性。
空间分布
您的应用是如何分布的？IoT应用通常涉及分布在一个区域内的多个设备，而区域的大小会影响每个候选技术实现的授时精度。虽然无线传输服务(例如在无线电控制时钟中使用的服务)可以在较小的区域内精确地同步设备，但是当设备分开时，同步会变得不那么精确。
在较大范围内，依赖于蜂窝通信4G LTE信号追踪时间的设备可能通过网络分配到不同或变化的服务小区，因此它们可能并非全部连接到相同的基准站并接收其信号。由于并非所有基准站都同步到相同的参考时间，因此需要仔细考虑此类用例。
对于广域应用，GNSS 使用多个卫星的信号来确定接收机的位置和时间，因此最适用于提供精确的同步。
稳健性
您的应用对于干扰的敏感度如何？蜂窝通信网络可能会发生故障，GNSS信号可能会受干扰，内部时钟可能会发生漂移。关键应用需要在最具挑战性的环境中也能够可靠地运行，提高关键应用稳健性的一种方法是利用多个授时信息源。
能耗
您希望达到什么级别的电池使用寿命？更新频率和数据传输是以电池使用寿命为代价的，同时，您的设计中选择的技术也会显著影响电池的使用寿命。
成本
您的预算是多少？从授时“主控设备” 到终端设备的时间分配是一项复杂而花费较高的任务。新的解决方案以更简单、更具成本效益的方式在不同系统中分配准确的授时。
即使在最简单的解决方案中，也有必要从整体上考虑不同技术带来的好处(而不仅仅是准确性)。回到简单的煮蛋定时器示例，该示例没有进一步的通信要求，因此，标准的32 kHz时钟可能就是一种出色且具有成本效益的解决方案。但是，如果您正在开发一款通过蜂窝通信模块连接到云的联网洗衣机，那么使用基于LTE的授时解决方案的边际成本可能会非常低，如果事实证明它是最易于实施和维护的方法，那就更是如此。
授时技术选项
因此，在清楚了解我们所需的时间类型、希望达到的准确性以及我们的应用中存在的限制条件之后，现在该着手研究可用的技术选项了。
IoT应用可以利用一系列授时源，但它们各自都存在限制条件。下面列出了无线IoT应用的一些最常见且可能是最适合的授时技术。
△图5：IoT应用的授时源对比
本地定时器
本地时钟易于实施，并且只要有足够的电量就可以随时使用。也就是说，其精度和准确性有一定的限制，具体取决于工作频率、晶振的品质因数、功耗、电源以及重要的环境变化，尤其是温度。此类时钟还需要初始化以设置时间。
常见的32 kHz时钟等低频时钟非常适合保持近似的时间观，用户可以使用高频、高质量、温度补偿型晶振为设备提供高精度的时基，同时最大程度地降低授时抖动。
无线广播发射器
长期以来，无线发射器一直被用来为广域设备提供授时信号，尤其是Rugby时钟，后来被迁移并在英国更名为MSF，在美国更名为WWVB，在德国更名为DCF77。除了不受发射机和接收机之间的传播延迟影响的频率参考外，它们还广播多种调制信号以指示秒数和绝对授时。
当用于同步多个设备时，可能需要考虑从发射机到设备的传播时间之差(Δt = (dA－dB)/C，其中c是光速)。对于物联网设备分布在较小区域(比如相隔100米)或不需要高精度(比如＜1毫秒)的应用，可以安全地忽略此误差影响。
LTE信号
蜂窝通信无线信号(包括来自LTE基准站的信号)甚至在室内都可以广泛使用，并且随着低功耗广域网络的部署，该信号可能还会越来越多地应用于地下设施等以前不可用的位置。对于蜂窝通信调制解调器来说，将此类无线信号用于授时应用以及通信显然是很方便的。
蜂窝通信信号可提供出色的短期稳定性以及良好的长期稳定性，并可为连接到同一基准站的静态分布式物联网传感器网络提供相对精确的授时。视蜂窝通信系统设计而定，蜂窝通信信号可能会更准确地或不太准确地链接到绝对时间。举例来说，CDMA和TDMA系统通常使用GNSS准确地与绝对时间同步，而GSM网络的控制则不那么严格，而LTE基准站的绝对授时取决于网络配置。
与广播无线信号相同，蜂窝通信基准站可以发送指示传输绝对时间的消息，每个设备在收到该消息时会给出一个绝对时间(取决于信号从基准站传播的距离)。
网络授时
建立互联网连接后，授时服务和协议(例如NTP)可用于为调制解调器设备提供授时服务。此外，在某些为GNSS接收机提供加速定位的服务中，也可能附带提供授时。作为u-blox蜂窝通信调制解调器的CellLocate功能的一部分，绝对授时信息可通过蜂窝通信网络提供。
GNSS信号
GNSS信号可为IoT应用提供原子钟级别的授时精度。GNSS信号的授时单元可根据来自搭载原子钟的GNSS卫星的信号确定其 x、y 和 z 坐标以及绝对时间，因此已成为同步移动通信网络基础设施的首选解决方案，并且非常适合广域应用。
结论
上面有关在IoT应用中使用授时解决方案的概述中可以看出，授时有两个关键方面：“时标”或测量时间间隔的能力，以及与某个时间基准同步的能力”。根据应用的需求，上述两个方面将提供信息来测量单个设备中以及不同设备组之间的物联网事件的授时，以及与绝对UTC时间的对照。
总体来说，多种信息源(来自本地时钟和无线信号–蜂窝通信和GNSS)可提高授时性能，为物联网设备和应用提供具有良好覆盖范围、准确性和可靠性的授时。
发布于 2021-10-08 17:23
