重庆邮电大学王恒教授：面向工业物联网的时钟同步参数估计理论与方法

工业物联网是新一代信息技术与工业生产深度融合的产物，是智能制造和工业互联网部署和运行的网络基石。工业物联网部署在工业自动化现场，设备之间具有严格的时序约束关系，在规定时刻必须对事件准确响应，全网需要统一的时间基准。因此，精确的时钟同步是工业物联网技术的关键，是工业物联网控制、调度、定位、安全等多种功能运行的基础。

时钟同步

时钟同步技术是工业物联网系统正常运行所需的重要支撑技术。工业物联网的众多应用对数据传输的可靠性和实时性具有严苛的要求，节点间需要协同完成实时性任务。在工业物联网采用的时分多址(time division multiple access，TDMA)信道接入技术中，节点以时隙为单位进行数据收发，这将减少数据传输冲突。为了保证TDMA 接入控制的可靠性，节点间需要进行精确的时钟同步，因此，在工业物联网中有效地处理传感器节点的时钟同步问题至关重要。

从信号处理角度出发，工业物联网时钟同步的主要目标是设计合理的时钟参数估计方法获取网络节点相对于网络主时钟的同步参数，进而将网络节点与网络主时钟之间的时间偏差维持在足够小的范围。然而，由于工业物联网的网络场景复杂以及网络工作环境的诸多不利因素(如温度和湿度变化、电磁干扰、晶体老化等)，网络节点间的精确时钟同步也面临着诸多挑战。如何在能量受限且恶劣的工作条件和复杂的拓扑环境中，为工业物联网提供满足应用需求的时钟同步参数估计已成为极具挑战性的技术问题。

针对这个问题，重庆邮电大学王恒教授多年来进行了深入的研究，并取得系列研究成果。《工业物联网时钟同步参数估计理论与方法》（王恒著. 北京：科学出版社2024. 7）一书在总结作者多年研究成果的基础上，从同步模型、理论性能到方案设计等多方面对时钟同步参数估计进行了深入浅出的讨论，旨在基于统计信号处理理论，构建支持估计与校正并行的校正式同步理论框架和低开销的免时间戳同步理论框架，并考虑时延、拓扑结构等多种不确定性因素影响，推导获得高效估计器，形成面向工业物联网的时钟同步参数估计理论与方法。

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本书系统地介绍工业物联网时钟同步参数估计理论与方法，具体而言，全书共8 章。

• 第1 章主要对工业物联网、时钟同步问题和时钟同步研究进展等进行简要介绍。

• 第2 章主要描述时钟同步的基本模型，分析时钟同步时延，介绍典型的时钟同步方法，以及讨论时钟同步性能的评价指标。

• 第3 章介绍基于周期性校正的确认帧同步和基于周期性校正的监听同步，以及非线性系统模型下的校正式同步。

• 第4 章讨论基于双向交互的校正式同步参数估计方法，主要包括通用节点和隐含节点同步参数估计。

• 第5 章分析典型指数随机时延下，通用节点和隐含节点的校正式同步参数估计方法，以及阐述多跳网络中的校正式同步参数估计方法。

• 第6 章介绍基于定时响应的免时间戳同步协议，通用节点和隐含节点的免时间戳同步参数估计方法。

• 第7 章讨论基于免时间戳同步和单向消息传播的混合同步方法。

• 第8 章考虑同步参数的时变特性，描述基于免时间戳交互的时钟同步参数跟踪方法。

本书反映了工业物联网时钟同步参数估计理论与方法的最新成果，为工业物联网时钟同步问题提供了有效的解决方案，同时可以为从事物联网、工业互联网、时钟同步、信号处理领域的研究人员提供有益参考。

本书的出版得到国家自然科学基金企业创新发展联合基金重点支持项目“融合场景感知的工业互联网无线通信技术研究”(编号：U23B2003)和国家自然科学基金“未来工业互联网基础理论与关键技术”重大研究计划“面向精密制造的工业互联网统一时空基准理论与关键技术研究”项目(编号：92267106)的资助，还得到了重庆邮电大学出版基金资助。

本文摘编自《工业物联网时钟同步参数估计理论与方法》（王恒著. 北京：科学出版社2024. 7）一书“前言”“第1 章 绪论”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-078203-8

责任编辑：孟 锐

本书首先对工业物联网中时钟同步的重要性和相关研究进展进行简要介绍；然后详细介绍时钟同步基本模型，对影响时钟同步参数估计性能的主要因素——时延进行分析，并阐述典型的时钟同步方法；基于这些分析，对面向工业物联网的基于双向交互的校正式同步参数估计方法、多跳网络中的校正式同步参数估计方法、基于定时响应的免时间戳同步参数估计和基于免时间戳交互的时钟参数跟踪方法进行研究。

本书反映工业物联网时钟同步参数估计理论与方法的最新成果，适用于从事工业物联网、时钟同步、信号处理领域相关工作的研究生和研究人员。

（本文编辑：刘四旦）

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