확장된 에어 샤워를 사용하여 무선 및 정확한 시간 동기화를 위한 우주 시간 동기화 장치(CTS)

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 7078(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

정밀한 시간 동기화는 금융거래 시스템, 산업 자동화 및 제어 시스템, 육상 및 해양 관측 네트워크에 필요한 필수 기술입니다. 그러나 지구 위치 확인 시스템(GPS) 또는 지구 항법 위성 시스템을 기반으로 하는 시간 동기화 신호는 실내, 지하 및 수중 환경에서 때때로 사용할 수 없거나 부분적으로만 사용할 수 있습니다. 이 연구에서는 확장 에어 샤워(EAS)의 뮤온 구성 요소의 동시 침투 특성을 GPS 수신 범위가 거의 또는 전혀 없는 환경에서 시간 동기화를 위한 신호로 사용했습니다. CTS는 이전 EAS 실험 결과와 OCXO 잔존 정밀도 측정을 결합하여 모델링되었습니다. 결과는 2 × 10-4보다 큰 가상 검출기 영역 범위를 사용하여 100ns 미만의 영구 로컬 시간 동기화 수준에 도달하는 CTS의 기능을 보여줍니다. 우리는 이러한 수준의 영역 커버리지가 소비자 스마트폰 네트워크와 밀집된 수중 센서 네트워크에서 사용하기에 달성 가능하고 비용 효율적일 것으로 기대합니다.

5세대(5G) 모바일/셀룰러 무선 액세스 네트워크(RAN)1 시스템, 산업 자동화 및 제어 시스템2, 육상3 및 해양4 관측 네트워크는 모두 강력한 기준 시간 정보를 제공하기 위해 정확한 시간 동기화를 갖춘 실시간 연결이 필요합니다. 1마이크로초1 미만의 지터 수준으로 공통 시간 기준으로 이러한 네트워크에 있는 장치에 전달됩니다. 이러한 요구 사항은 일반적으로 TSN(Time Sensitive Networking)5과 같은 유선 기술을 통해 충족됩니다. TSN은 정확한 시간 동기화를 통해 보장된 IEEE-802.1 기반 실시간 데이터 전달을 제공합니다. 더욱이, 동일한 광섬유를 통해 양방향으로 작동할 때 시간 지연 또는 위상 변동을 거의 완벽하게 보상할 수 있는 광섬유 시간 및 주파수 기술이 최근 발전하여 상황에 따라 10ps에서 1ns 미만 범위의 정밀도로 시간 동기화를 가능하게 했습니다. 링크 길이 및 사용된 기술6,7,8,9,10. 무선 기술은 네트워크 통신11,12에 다양한 이점을 제공하지만 정확성은 가장 중요한 관심사 중 하나입니다. 예를 들어, 지진계 어레이를 사용한 지진 및 화산 관측에는 1kHz 이상의 지진파 샘플링 속도가 필요하므로 이 경우 10마이크로초 미만의 무선 시간 동기화 정확도가 필요합니다3. 무선 장치는 GPS(Global Positioning System)/GNSS(Global Navigation Satellite System) 수신기를 사용하여 협정 세계시(UTC)에 대한 완벽한 시간 정렬을 달성할 수 있습니다. 현재 GPS 기반 시간 전송 링크13를 사용하면 2ns 정밀도 수준을 달성할 수 있으며 수신기 교정을 위한 새로운 최첨단 방법14을 사용하면 1ns 정밀도 수준도 달성할 수 있습니다. 또한 정지 위성과의 양방향 위성 시간 및 주파수 전송(TWSTFT) 링크는 이 정확도를 나노초 미만 수준까지 향상시킬 수 있습니다15. 그러나 이 솔루션은 GPS 신호를 사용할 수 없거나 GPS 신호를 부분적으로만 사용할 수 있는 경우(예: 극지방, 실내, 산악 지역, 지하 또는 수중 환경) 또는 GPS 네트워크 노드가 오작동하는 경우(예: 다른 곳에서 신호를 수신하는 경우) 작동하지 않습니다. GPS 위성 또는 GPS 위성의 시간적 이동). 더욱이 모든 네트워크 노드에 GPS 수신기를 장착하면 총 전력 소모가 증가하고 결과적으로 배터리가 더 빨리 소모됩니다. 안정적인 배터리 성능, 특히 배터리 충전 세션 사이에 더 긴 성능 지속 시간을 유지하는 것은 특히 현장 측정에서 중요한 문제입니다.

산업용으로 효과적인 무선 동기화에 대한 요구 사항은 여러 연구자에 의해 요약되었습니다16,17. 가능한 접근 방식은 세 가지 클래스로 분류되었습니다. 클래스(I): 원격 제어 및 모니터링, 클래스(II): 모바일 로봇공학 및 프로세스 제어, 클래스(III): 폐쇄 루프 모션 제어. 클래스 (I), (II) 및 (III)의 경우 각각 1s, 1ms, 1μs 미만의 정확도를 갖는 동시성이 필요합니다. 이러한 요구 사항에 대응하기 위해 200ns~3μs18의 정확도를 구현하는 참조 방송 인프라 동기화 프로토콜 방법, 멀티 홉 시간에서의 적응형 동기화 등 무선 시간 동기화 기술을 다루는 다양한 WLAN 기반 연구 접근 방식이 있었습니다. - 76 µs19의 정확도를 구현한 TSCH(Slotted-Channel-Hopping) 네트워크 방식, 15 µs20의 정확도를 구현한 온도 보조 클럭 동기화 방식, 2차 선형 합의 알고리즘을 기반으로 한 시간 동기화 방식, 1 µs21의 정확도를 실현했습니다. 다른 기술로는 칼만 필터(KF) 추정기를 사용하여 약 8μs의 정확도를 실현한 동적 확률론적 시간 동기화 방법과 선형 회귀(LR) 추정기를 사용하여 6.29μs의 세분화된 네트워크 시간 동기화가 있습니다. 이러한 모든 기술에는 장단점이 있습니다. 앞서 언급한 모든 기술은 전자파를 통신에 활용하므로 상대적으로 작은 크기의 장치를 용이하게 할 수 있습니다. 그러나 소음과 충돌로 인한 통신 실패를 방지하려면 일반적으로 ARQ(자동 반복 요청) 메커니즘과 통신 대기 시간이 이러한 기술에 포함되어야 합니다. 따라서 동기화 품질이 저하됩니다. 반면, 현재 제안하는 기법은 지구 전역에 동시에 도달하는 자연 발생 다중 입자를 활용하기 때문에 이러한 통신 실패 및 메시지 충돌이 발생하지 않는다. 그러나 우주선의 제한된 흐름으로 인해 WLAN 기술에 사용되는 장치에 비해 더 큰 장치 크기가 필요할 수 있습니다.