速配物聯網多樣化應用環境　混合時序準確同步不走鐘

隨著分散式無線應用日益增加，在帶來商機的同時，也使業界面臨了新的設計挑戰，需要更縝密地思考，如何用無線的方式分散高度同步化的時序。

如果開發人員能在設計初期先進行謹慎的評估與考量，此問題是可以解決的。有鑑於時序對IoT應用的重要性，以下將介紹現行的時序技術，以及如何為IoT應用選擇適切的方案。此外，有廠商提出混合時序(Hybrid Timing)方式，適用於各種新的無線IoT應用，包括室內、戶外甚至地面下。

選擇適切時序解決方案

開發人員在為其IoT應用選擇時序方案時，總是希望符合「高度準確的世界時間」的標準。在訊號未被阻擋的情況下，基於GNSS接收器的時序模組確實可提供高度準確的世界時間。但是，若是在室內或地下室等環境時，情況就無法如此樂觀了。

不過，當仔細反思，真的需要「高度準確的世界時間」時，事實上，開發人員真正需要的是，高可靠度、強韌的時序參考，而且能適用於各種環境條件。雖然這是不一樣的考量與挑戰，但卻是較容易克服的。

要了解這兩者之間的區別，可參見圖1所顯示的可滿足大部分IoT應用的四種時序，這些不同的類型會直接影響特定應用的可用技術選擇。

類型A：計時器

許多計時應用只需要準確測量單一裝置上，事件之間的經過時間，並不需要同步多台裝置。例如，煮蛋器、碼表和心率監視器等。這些應用需要準確的「滴答聲」，換句話說，就是對單一事件之間的時間間隔進行準確測量，而在這些事件中，與絕對時間的對準並不重要。

類型B：天文參考時鐘

其他的應用，例如倫敦格林威治的全球參考時鐘，則需要在單一裝置上使用絕對時間。其他的還包括鬧鐘和手表等。絕對時間可以是協調世界時間(UTC)或特定時區中的當地時間。

類型C：同步訊號

需要共享時間間隔的應用屬於類型C。其中包括記錄和共享訊號的分散式感測器群組。例如，智慧電網中的相量測量單元(Phasor Measurement Unit)，以及廣播和輔助服務中的無線媒體設備。

這些分散式應用需能夠同步其「滴答聲」並建立協定好的初始時間t0。在這些應用中，時間與絕對時間之間的對準要求通常不太嚴格。

類型D：金融交易網路

最嚴格的分散式應用要求所有裝置都必須精確同步到絕對時間。金融交易網路便是一個典型的例子，它需要能以奈秒級的精準度確定股票交易的順序。這些應用需要保持非常精密的時間間隔，並使它們的測量與絕對時間同步，例如，利用基於GNSS的時序模組，能與GNSS衛星上的原子鐘同步。

時序方案應用特性考量 

由於有多種可選的時序技術，因此在選擇最佳方案之前，應先對應用特性有清楚了解，特別是在覆蓋範圍、移動性、功耗和成本等方面的限制。

訊號覆蓋

首先，要考慮裝置在哪裡運作？無線時序裝置通常利用某種形式的電磁訊號來追蹤時間。由於某些訊號會比其他訊號更深地滲透到建築物或地下，因此考慮裝置接收到的訊號品質、可靠性和連續性，有助於找到適切的時序方案。

移動性

裝置會保持靜止還是會四處移動？當使用蜂巢式4G LTE訊號來決定時序時，這個問題特別重要。當行動裝置接近或遠離蜂巢式基地台時，會產生類似的「都卜勒效應」，進而影響計時的長度，因而會使裝置無法與參考時間正確地對準。

裝置散布的範圍

裝置是否廣泛散布？IoT應用通常涵蓋某區域中的多台裝置，而其部署規模會影響不同時序技術可以實現的時序精準度。雖然無線傳輸服務，例如無線電時脈中使用的無線傳輸服務，可以在很小的區域內精確地同步化裝置，但若裝置分散範圍較大，會使同步變得不太精準。

針對廣域應用，GNSS最適合用來提供精準的時序同步化，它使用來自多個衛星的訊號以確定接收器的位置和時間。

強韌性

應用對於中斷的容許程度有多高？由於蜂巢式網路可能會發生故障，GNSS訊號可能會被干擾，內部時脈可能會漂移，因此在設計關鍵應用時，必須使其在最嚴苛的情況下也能可靠運作。利用多重來源的時序訊息，是提升關鍵應用強韌性的一種有效方式。

功耗大小

使用者希望裝置的電池壽命有多長？請記住，更新頻率和數據傳輸是以電池壽命為代價的，這也會對所選擇的技術有關鍵性的影響。

成本

預算是多少？為終端裝置分配時間是一項複雜而昂貴的任務。新式解決方案提供了更簡單、更實惠的方式，可在整個系統中分配準確的時序。即使是最簡單的應用，也應考慮不同技術帶來的好處。以煮蛋器為例，由於沒有聯網要求，標準的32kHz時脈便可能是一種優異且具成本效益的解決方案。但是，若在開發以蜂巢式模組連接到雲端的聯網洗衣機，那麼使用基於LTE的時序解決方案便很適合，雖然成本較高，但卻是最容易建置和維護的。

時序方案選用

在清楚瞭解需要的時間類型，考慮要求的準確度，以及應用所受的外部、設計和使用限制之後，接下來就該看看有哪些可用的技術方案了。IoT應用可利用多種的時序來源，每一種時序來源都有其特定的約束條件。以下是無線IoT應用最常見、且適合的時序技術。

本地計時器

本地時脈的建置方式非常直接，只要有足夠的電源就能隨時使用。也就是說，其精密度和準確度都受到限制，這取決於操作頻率、振盪器的品質因數、功耗、電源，以及重要的環境變異性，尤其是溫度。此外，它還需要初始化來設定時間。

無線廣播發射器

長久以來，無線發射器一直被用來為大範圍的裝置提供時序訊號，除了不受發射器和接收器之間傳播延遲影響的頻率參考外，它們還可廣播各種調變訊號以指示秒數和絕對時序。

當用於同步多個裝置時，需考慮從發射器到裝置的傳播時間差，由Δt=(dA-dB)/C，其中C是光速。對於IoT裝置分散在較小區域(例如，相距100公尺)或不需要高精準度(例如，<1毫秒)的應用，可以安全地忽略此錯誤影響。

LTE訊號

即使在室內，來自LTE基地台的蜂巢式無線訊號也很容易取得，而且隨著低功耗廣域網路的部署，可望日益普遍在諸如地下室等位置來接收訊號。對於蜂巢式數據機來說，利用此無線訊號作為時序應用和通訊是很方便的。

蜂巢式訊號可提供出色的短期和還不錯的長期穩定性，並可為連接到同一基地台的靜態、分散式IoT感測器網路提供相對的時序功能。取決於蜂巢式系統設計，蜂巢式訊號可以準確地連結到絕對時間。例如，CDMA和TDMA系統會採用GNSS準確地同步到絕對時間，而GSM網路的控制則不太嚴格。LTE基地台的絕對時序取決於網路配置。

與廣播無線訊號相同，蜂巢式基地台可以發送訊息，指示傳輸的絕對時間。每個裝置在收到訊息時會提供一個絕對時間，該絕對時間取決於訊號從基地台的傳播距離。

網路時序

當網際網路連線之後，便可使用NTP這類的時序服務和協議，為數據機裝置提供時序服務。時序也可作為某些定位服務的一部分，為GNSS接收器提供輔助。u-blox蜂巢式數據機的CellLocate便具備了透過蜂巢式網路提供絕對時序訊息的特性。

GNSS訊號

GNSS訊號可為IoT應用提供原子鐘級的時序準確度。GNSS衛星訊號本就是基於x/y/z座標和絕對時間來設計的，由於可利用衛星的原子鐘並傳送時間達奈秒級精準度，因此其時序單元已成為同步行動通訊網路基礎架構的首選解決方案，並且適用於廣域應用。但是，由於訊號電平低，目前主要用在室外應用。因此，雖然GNSS衛星具備與世界時間同步的出色效能，但為滿足下一代時序應用對於更高強韌性，以及易於整合、高可用性、適用於所有環境的要求，此技術還是有挑戰需克服的。

混合時序應用實例

由以上說明可知，每一種時序方案都有其限制性(圖2)，例如本地時鐘會漂移，LTE訊號會在離開訊號區時失去同步，而GNSS則需要訊號未受遮蔽與干擾。因此，結合GNSS訊號的寬廣覆蓋範圍與穿透性，以及LTE訊號的可靠性，可滿足眾多IoT和分散式無線應用所需的效能需求。

混合時序的優點包括：

·更好的強韌性，可在GNSS訊號可及的範圍之外提供準確的時序輸出。

·更高的可靠性，當GNSS訊號接收受限時，可提升準確度。

·更佳的可用性，當GNSS訊號被遮蔽時，可提供絕對時間。

取決於應用特性，混合時序能有效地運用不同的時序來源，為裝置提供時間間隔量測，估計眾多IoT裝置事件間的時序，並回報絕對時間。以下，將介紹利用混合時序，來滿足IoT裝置的相對與絕對時序的範例。

首先是電表(圖3)，這是最簡單的例子，在此應用中，每台裝置都是自行運作，無須與其他裝置互動。雖然準確度並不重要，但成本和嚴苛環境中的覆蓋範圍卻是考量重點。除了採用本地計時器，如果要求高精準度，電表可利用LTE訊號來提供時間間隔的計時。

而較嚴苛的IoT應用，會要求為多台室內裝置提供同步訊號，這些裝置通常距離不遠，例如工廠中的機器控制器。在此應用中，本地計時器的時間會受到LTE基地台的控管，同時基地台也提供裝置間的準確相對時序。而網路時序可用來解決LTE基地台的訊框時序不明確問題，並對事件提供時間戳記。

此外，對全球規模的5G行動網路這類要求最嚴苛時序同步化需求的應用來說，確保奈秒級的時序準確度是必要的。儘管上一代蜂巢式網路已使用GNSS時間作為同步的主要來源，但要推動5G實現，為用戶提供比4G更大的頻寬和更多元的服務，需要效能更強的時序方案。

以u-blox的ZED-F9T時序模組為例，由於具備多頻功能，可補償所有GNSS衛星星系的電離層誤差，而且無需外部GNSS校正服務，便可把晴朗的天空下的時序誤差降低到不到5奈秒。透過大幅降低蜂巢式網路同步化的主要來源誤差，可協助電信業者最大化其網路效能，提升5G基建的投資報酬，進而加速5G網路的部署與實現。

為符合IoT應用的不同時序要求，本文提出了混合時序方式，透過利用各種的資訊來源，包括本地計時器以及GNSS和蜂巢式無線訊號，可有效提升應用的效能，並提供兼顧覆蓋範圍、準確度和可靠度的優異時序。

(本文作者皆任職於u-blox，Drazen Drinic為蜂巢式產品中心產品策略總監，Chris Marshall為資深首席工程師)