Sincronizzatore del tempo cosmico (CTS) per la sincronizzazione temporale precisa e senza fili tramite getti d'aria estesi

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 7078 (2022) Citare questo articolo

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La sincronizzazione temporale precisa è una tecnica essenziale richiesta per i sistemi di transazioni finanziarie, i sistemi di automazione e controllo industriale, nonché le reti di osservazione terrestre e oceanica. Tuttavia, i segnali di sincronizzazione dell'ora basati sul sistema di posizionamento globale (GPS), o sistema di navigazione satellitare globale, talvolta non sono disponibili o sono disponibili solo parzialmente in ambienti interni, sotterranei e subacquei. In questo lavoro, la natura simultanea e penetrante della componente muonica dello sciame d'aria esteso (EAS) è stata utilizzata come segnali per la sincronizzazione temporale in ambienti con scarsa o nessuna copertura GPS. Il CTS è stato modellato combinando i risultati di precedenti esperimenti EAS con misurazioni di precisione del holdover di OCXO. I risultati hanno mostrato la capacità del CTS di raggiungere livelli di sincronizzazione perpetua dell’ora locale inferiori a 100 ns con un’ipotetica copertura dell’area del rilevatore maggiore di 2 × 10−4. Prevediamo che questo livello di copertura aerea sia raggiungibile e conveniente per l’uso nelle reti di smartphone consumer e nelle fitte reti di sensori subacquei.

I sistemi di rete di accesso radio mobile/cellulare (RAN)1 di quinta generazione (5G), i sistemi di controllo e automazione industriale2, nonché le reti di osservazione terrestri3 e oceaniche4 richiedono tutti connettività in tempo reale con sincronizzazione temporale precisa per fornire informazioni affidabili sull'ora di riferimento ai dispositivi situati in queste reti su una base temporale comune con un livello di jitter inferiore a 1 microsecondo1. Tali requisiti vengono generalmente soddisfatti tramite tecnologie cablate come Time-sensitive Networking (TSN)5. TSN fornisce la consegna garantita di dati in tempo reale basata su IEEE-802.1 con sincronizzazione temporale precisa. Inoltre, recenti progressi sono stati fatti nelle tecniche di tempo e frequenza della fibra ottica che consentono una compensazione quasi perfetta del ritardo temporale o delle fluttuazioni di fase quando utilizzate in modo bidirezionale sulle stesse fibre ottiche per consentire la sincronizzazione del tempo con una precisione che va da 10 ps a meno di 1 ns a seconda della lunghezza del collegamento e tecnologia utilizzata6,7,8,9,10. Sebbene le tecnologie wireless offrano diversi vantaggi per la comunicazione di rete11,12, la precisione è una delle preoccupazioni più importanti. Ad esempio, poiché le osservazioni sismologiche e vulcanologiche con un sismometro richiedono che la frequenza di campionamento delle onde sismiche sia superiore a 1 kHz, in questo caso sarebbe necessaria una precisione di sincronizzazione temporale wireless inferiore a 10 microsecondi3. I dispositivi wireless possono ottenere un perfetto allineamento temporale al tempo universale coordinato (UTC) utilizzando ricevitori del sistema di posizionamento globale (GPS)/sistema di navigazione satellitare globale (GNSS). Attualmente, un livello di precisione di 2 ns è ottenibile con i collegamenti di trasferimento temporale basati su GPS13 e anche un livello di precisione di 1 ns può essere raggiunto con un nuovo metodo all'avanguardia per la calibrazione dei ricevitori14. Inoltre, i collegamenti bidirezionali per il trasferimento di tempo e frequenza via satellite (TWSTFT) con satelliti geostazionari potrebbero migliorare questa precisione fino a livelli inferiori al nanosecondo15. Tuttavia, questa soluzione non funziona quando i segnali GPS non sono disponibili o quando i segnali GPS sono disponibili solo parzialmente (ad esempio, aree polari, interne, montuose, ambienti sotterranei o sottomarini) o quando i nodi della rete GPS non funzionano correttamente (ad esempio, ricezione di segnali da diversi Satelliti GPS o spostamento temporale dei satelliti GPS). Inoltre, se dotiamo ricevitori GPS su tutti i nodi della rete, il consumo energetico totale aumenta e di conseguenza la batteria si scarica più velocemente. Prestazioni affidabili della batteria, in particolare mantenendo durate di prestazione più lunghe tra le sessioni di ricarica della batteria, sono un problema critico in particolare per le misurazioni sul campo.

I requisiti per un'efficace sincronicità wireless per uso industriale sono stati riassunti da diversi ricercatori16,17. I possibili approcci sono stati classificati in tre classi. Classe (I): controllo e monitoraggio remoto, Classe (II): robotica mobile e controllo di processo e Classe (III): controllo del movimento a circuito chiuso. Per le Classi (I), (II) e (III), è richiesta rispettivamente sincronicità con precisione inferiore a 1 s, 1 ms, 1 µs. Per rispondere a questi requisiti, sono stati adottati vari approcci di ricerca basati su WLAN che affrontano le tecniche di sincronizzazione temporale wireless, compreso il metodo del protocollo di sincronizzazione dell'infrastruttura di trasmissione di riferimento, che ha raggiunto una precisione di 200 ns–3 µs18, la sincronizzazione adattiva in tempi multi-hop -metodo delle reti slotted-channel-hopping (TSCH), che ha realizzato una precisione di 76 µs19, il metodo di sincronizzazione dell'orologio assistito dalla temperatura, che ha realizzato una precisione di 15 µs20, e un metodo di sincronizzazione dell'ora basato sull'algoritmo di consenso lineare del secondo ordine, che ha realizzato una precisione di 1 µs21. Altre tecniche includono il metodo di sincronizzazione temporale stocastica dinamica, che ha realizzato una precisione di circa 8 µs con uno stimatore con filtro di Kalman (KF)22, e la sincronizzazione temporale di rete a grana fine 6,29 µs con uno stimatore di regressione lineare (LR)23. Esistono pro e contro per tutte queste tecniche. Poiché tutte queste tecniche sopra menzionate utilizzano onde elettromagnetiche per le comunicazioni, possono essere facilitati dispositivi di dimensioni relativamente piccole. Tuttavia, per evitare errori di comunicazione dovuti a rumori e collisioni, generalmente il meccanismo di richiesta di ripetizione automatica (ARQ) e la latenza di comunicazione dovrebbero essere inclusi in queste tecniche; quindi degradando la qualità della sincronizzazione. D’altro canto, poiché la tecnica attualmente proposta utilizza più particelle presenti in natura che arrivano in tutto il mondo nello stesso momento, tali errori di comunicazione e collisioni di messaggi non hanno luogo. Tuttavia, a causa del flusso limitato di raggi cosmici, sarebbe probabilmente necessario un dispositivo di dimensioni maggiori rispetto a quelli utilizzati nelle tecniche WLAN.