Sincronizador de tempo cósmico (CTS) para sincronização de tempo precisa e sem fio usando chuveiros de ar estendidos

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 7078 (2022) Cite este artigo

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A sincronização precisa do tempo é uma técnica essencial necessária para sistemas de transações financeiras, automação industrial e sistemas de controle, bem como redes de observação terrestre e oceânica. No entanto, os sinais de sincronização de tempo baseados no sistema de posicionamento global (GPS), ou sistema de navegação global por satélite, às vezes estão indisponíveis ou apenas parcialmente disponíveis em ambientes internos, subterrâneos e subaquáticos. Neste trabalho, as naturezas simultânea e penetrativa do componente múon do chuveiro de ar estendido (EAS) foram usadas como sinais para sincronização de tempo em ambientes com pouca ou nenhuma cobertura GPS. O CTS foi modelado combinando os resultados de experimentos EAS anteriores com medições de precisão remanescentes de OCXO. Os resultados mostraram a capacidade do CTS de atingir níveis de sincronização de tempo local perpétuos menores que 100 ns com uma cobertura de área do detector hipotético maior que 2 × 10−4. Prevemos que esse nível de cobertura de área seja alcançável e econômico para uso em redes de smartphones de consumo e redes densas de sensores subaquáticos.

Sistemas de rede de acesso por rádio (RAN)1 móvel/celular de quinta geração (5G), automação industrial e sistemas de controle2, bem como redes de observação terrestre3 e oceânica4, todos exigem conectividade em tempo real com sincronização de tempo precisa para fornecer informações de tempo de referência robustas aos dispositivos localizados nessas redes em uma base de tempo comum com um nível de jitter abaixo de 1 microssegundo1. Tais requisitos são normalmente atendidos por meio de tecnologias com fio, como Time-sensitive Networking (TSN)5. O TSN fornece entrega de dados em tempo real baseada em IEEE-802.1 garantida com sincronização de tempo precisa. Além disso, avanços recentes foram feitos em técnicas de tempo e frequência de fibra óptica que permitem compensação quase perfeita de atraso de tempo ou flutuações de fase quando operados bidirecionalmente nas mesmas fibras ópticas para permitir a sincronização de tempo com precisão variando de 10 ps a menos de 1 ns, dependendo do comprimento do link e a tecnologia utilizada6,7,8,9,10. Embora as tecnologias sem fio ofereçam vários benefícios para a comunicação em rede11,12, a precisão é uma das preocupações mais importantes. Por exemplo, como as observações sismológicas e vulcanológicas com um conjunto de sismômetros exigem que a taxa de amostragem de onda sísmica seja superior a 1 kHz, nesse caso, seria necessária uma precisão de sincronização de tempo sem fio inferior a 10 microssegundos3. Os dispositivos sem fio podem alcançar o alinhamento de tempo perfeito com o tempo universal coordenado (UTC) usando receptores de sistema de posicionamento global (GPS)/sistema de satélite de navegação global (GNSS). Atualmente, um nível de precisão de 2 ns pode ser alcançado com os links de transferência de tempo baseados em GPS13 e até mesmo um nível de precisão de 1 ns pode ser alcançado com um novo método de última geração para calibração de receptores14. Além disso, os links de transferência de tempo e frequência via satélite bidirecional (TWSTFT) com satélites geoestacionários podem melhorar essa precisão até níveis de subnanossegundos15. No entanto, esta solução não funciona quando os sinais de GPS não estão disponíveis ou quando os sinais de GPS estão apenas parcialmente disponíveis (por exemplo, áreas polares, internas, montanhosas, ambientes subterrâneos ou subaquáticos) ou quando os nós da rede GPS funcionam mal (por exemplo, recebendo sinais de diferentes Satélites GPS ou deslocamento temporal de satélites GPS). Além disso, se equiparmos receptores GPS a todos os nós da rede, o consumo total de energia aumenta e, como consequência, a bateria descarrega mais rapidamente. O desempenho confiável da bateria, particularmente mantendo durações mais longas de desempenho entre as sessões de carregamento da bateria, é uma questão crítica para medições de campo em particular.

Os requisitos para sincronicidade sem fio eficaz para uso industrial foram resumidos por vários pesquisadores16,17. Possíveis abordagens foram categorizadas em três classes. Classe (I): controle remoto e monitoramento, Classe (II): robótica móvel e controle de processo, e Classe (III): controle de movimento em malha fechada. Para as Classes (I), (II) e (III), é necessária sincronicidade com precisões inferiores a 1 s, 1 ms, 1 µs, respectivamente. Para responder a esses requisitos, tem havido várias abordagens de pesquisa baseadas em WLAN abordando técnicas de sincronização de tempo sem fio, incluindo o método de protocolo de sincronização de infraestrutura de transmissão de referência, que obteve uma precisão de 200 ns–3 µs18, a sincronização adaptativa em tempo multi-hop - método de redes de salto de canal com fenda (TSCH), que obteve uma precisão de 76 µs19, o método de sincronização de relógio assistido por temperatura, que obteve uma precisão de 15 µs20 e um método de sincronização de tempo baseado no algoritmo de consenso linear de segunda ordem, que realizou uma precisão de 1 µs21. Outras técnicas incluem o método de sincronização de tempo estocástico dinâmico, que obteve uma precisão de aproximadamente 8 µs com um estimador de filtro de Kalman (KF)22, e a sincronização de tempo de rede granulada de 6,29 µs com um estimador de regressão linear (LR)23. Existem prós e contras para todas essas técnicas. Uma vez que todas essas técnicas mencionadas acima utilizam ondas eletromagnéticas para comunicações, dispositivos de tamanho relativamente pequeno podem ser facilitados. No entanto, para evitar falhas de comunicação devido a ruídos e colisões, geralmente o mecanismo de solicitação automática de repetição (ARQ) e a latência de comunicação devem ser incluídos nessas técnicas; degradando assim a qualidade da sincronização. Por outro lado, uma vez que a técnica atualmente proposta utiliza múltiplas partículas naturais que chegam ao mundo ao mesmo tempo, tais falhas de comunicação e colisões de mensagens não ocorrem. No entanto, um tamanho de dispositivo maior, em comparação aos usados ​​em técnicas de WLAN, provavelmente seria necessário devido ao fluxo limitado de raios cósmicos.