多级监控相机的时间同步外文翻译资料

 2022-03-22 20:55:19

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多级监控相机的时间同步

Hyuntae Cho

摘要：在最近的几年里，为公共安全设计的监控系统通过对环境的感知已经变得越来越智能，传统的监控相机需要通过获取能源和基础网络设施来传输已录制的视频数据，由于这样会增加安装和维护监视系统所需要的成本，据此这里介绍了一种无线监视摄像系统，这个系统能够以低功耗运行并能提供网络连接，通过将系统分成主和从子系统来提高系统的电池寿命。主系统提供wifi连接和记录视频。而子系统则提供了使用物联网连接的低功耗事件的检测功能，对于分布式监控相机系统来说时间同步是最基本的问题，因此本章详细介绍了一种利用物联网无线通信来同步多个监控相机系统之间的时间的方法。

关键词：时间同步； 时钟同步 ；无线网状网 ；无线监控系统； 物联网

  1. 介绍

居民区和公共场合的犯罪的增加导致了监控系统的需求增加，例如CCTV和安全部门所提供的，最近监控摄像机的市场从CCTV转移到了基于IP的摄像头，因为基于IP的摄像头在解决方案，成本，潜在应用方面提供了优势。此外大数据，云计算和物联网服务拓展了基于IP相机的潜在应用。可是，这些相机系统有很多技术上的需求，因此在特殊的条件下使用他们是很困难的。特别是基于传统相机的监视系统需要接入电力和网络基础设施，这就导致了监视系统的高安装和维护成本。

本文介绍了一种通过无线网络平台提供IP连接的无线监控摄像系统。这个系统可以捕捉图像和视频并且通过自组织的无线网络将记录的数据传输到一个远程点。由于无线网络提供网络连接和传输视频数据需要消耗大量能量，所以这个系统配备了一个双重无线电系统来节约能源。系统由两个子系统组成：一个主子系统和一个从属子系统。主子系统记录和处理视频，然后通过WiFi网络来传输录制的视频。当没有事件需要视频捕捉和传输时，从子系统会将主系统关闭，在低功耗模式下维护整个系统。从子系统还决定了网络的拓扑结构包括时间同步，通过使用基于高效的物联网通信来控制信道。时间同步会影响整个系统和分布式监控相机网络的性能，所以这是一个基本的问题。时间同步可以通过交换时间信息来实现。由于信号抖动和延迟会导致无线网络交换时间信息不够准确，特别是使用物联网时。因此本文分析了物联网网络协议中的不确定性，并介绍了消除或者最小化误差的基本技术。

本文是按照下面方式组成的。在第二部分，我们介绍了基于无线网络的监控相机系统的常规方法。在第三部分，我们描述了所倡议的系统和相应的网络平台，然后我们介绍了在分布式无线网络监控相机系统中同步时间的基本技术。

  1. 相关方法

最近引入的低成本CMOS图像传感器使得无线视频网络的应用范围有所增加。设备可以利用这些传感器捕捉环境中的图片或视频，其中一个用例涉及到无线传感器网络，通过使用节点网络来识别和跟踪物体，从而提供监视和安全性。无线视频传感器网络也可以极大地改善环境监测领域的应用。来自环境的可视化信息对于此类应用程序非常重要，包括精准农业或产地监测。无线视频传感器网络还将支持新的娱乐形式，在那里可以从较远的地方大规模提供实时可视信息，比如数字动物园。

无线摄像机可以用来监视和跟踪现场的物体，比如建筑工地、港口、森林，校园和Firetide公司。Strix Systems是传统无线网产品的知名商业供应商。当前的产品侧重于传统问题，集中改善性能的特性，包括覆盖范围、快速移动性、可靠性、安全性和固定网络。在这样的产品中，相机只是简单地安装在一个无线网的平台上。

许多研究已经调查了与这些系统相关的问题，包括视频传输、多通道操作和网络带宽的改进。Raniwala and Chiueh提出了一种通过利用IEEE 802.11标准非重叠的无线信道有效地提高了带宽的多通道WMN架构。S. Yang开发了一个基于linux的WLAN网络系统的实现的多无线电、多级无线网状网络。我们系统的主要设计目标是充分利用链路层特性，以提高配置灵活性和网络性能。尽管目前已经有一些针对无线监控网络的研究，但这些研究只关注传统的网络问题。

  1. 公共安全无线监控摄像系统

低功率的监视系统和网络平台需要与传统系统中使用的不同的方法。本节描述了为监视摄像系统提供无线通信减少电能消耗的新方法。该系统由两个子系统组成：一个高性能的主子系统和一个低功率的从子系统，如图1所示。主子系统基于ARM Cortex A9处理器，并使用OpenWRT来管理系统。主子系统通过使用FHD摄像机、麦克风、高速应用程序处理器和Wi-Fi网络接口来记录视频和传输视频数据。The Ubiquiti Networks SR71 WLAN card和Ath9k用于提供Wi-Fi通信。为了实现负载平衡，通信无线电分为四个模块：两个上连接和两个下连接。主子系统也可以通过以太网连接到互联网，这比无线网络更可靠。此外，主处理器上的GPU帮助系统识别对象并减轻主处理器的负载。

从子系统负责整个系统的拓扑管理和低功耗维护。它包括一个VGA摄像头，一个低功耗的MCU，一个麦克风，一个RTC，内存，以及一个带有太阳能电池的电源管理电路。它还包括气体，温度，湿度，臭氧，紫外线，和烟雾检测外部环境的传感器和一个提供信道控制的物联网收发器。从属子系统使用一个ARM Cortex M4处理器（STM32F407）作为主处理器和FreeRTOS操作系统来管理任务。详细的架构如图1所示（a）整个视频传感器系统的网络协议栈和（b）系统的硬件框图。（a）整个视频传感器系统的网络协议栈和（b）系统的硬件框图。

系统堆叠概述图

框图

图1.监测系统的概念图

该系统通过Wi-Fi网络将录制的视频传输给远程用户。为了在传输过程中减少能源消耗，我们另外将通信信道与双无线信号分开，因为传统的Wi-Fi网络网络消耗了大量的能量。图2展示了无线视频传感器网络平台的概念性综述。这个系统使用ZigBee来进行频道控制和一个Wi-Fi网络通道来传输视频数据。这个系统一开始是在低功率模式下运行的，它将主子系统关闭，因为主子系统比从子系统消耗多得多的能量。网络拓扑结构和路由是通过控制通道构造的。之前已经开发了许多路由和拓扑管理协议，包括OSLR、AODV、DSR或BATMAN-advanced。“OSLR”和“蝙蝠侠”协议经常被用于Wi-Fi网络。

通过ZigBee控制通道的拓扑结构和管理图

路由和视频数据传输图

图2.低功率通信无线视频传输图

当从子系统检测到一个事件（无论是从摄像机、麦克风、其他传感器还是物联网电台），它便唤醒主子系统来记录环境并传输记录的数据。主子系统比从子系统处理更多的可视数据和提取更多的信息，因为主子系统具有更高的性能处理器和GPU，比如ARMrsquo;s Mali，具有更高的数据处理能力。被捕获的视频根据检测到的重要性或可用带宽来进行压缩。此外，系统和网络平台通过采用多通道、多无线电和多路径的方法来减少无线网网络的流量。在传输记录的数据之前，系统会唤醒邻近的节点，并且在网络中正确地组织它们的调度是非常重要的。如果使用Wi-Fi来维护拓扑结构和时间同步，系统将消耗大量的能量。因此，物联网无线电用于执行拓扑维护和同步时间，从而降低能耗。下一节描述物联网网络协议栈所引入的不确定性，以及通过这些方法可以减少这些不确定性，从而提供精确的时间同步。

  1. 物联网网络中监控摄像系统的时间同步

时间同步对于无线监控摄像系统来说是至关重要的，因为对于现代计算机网络来说，在处理较多数据时必须对传输进行管理和调度。通过在包络网络上发送和接收时间的信息和频率来实现时间同步。同步协议用于交换时间信息，如偏移量和传输延迟，以及同步所有时钟。这一节描述了用于无线监控摄像系统基于物联网的时间同步的基本原理。

    1. 时间同步的方法

全球定位系统（GPS）能够通过卫星时钟精确计时，因为计时是基于一个标准原子钟，它使用特定原子的振荡，如铯或铷，作为一个节拍器。这样的时钟提供了最稳定、最准确的时间参考。这个定时信息是由GPS接收器获得的，它需要精确的时间来计算它们与每颗卫星的距离，从而获得它们在地球上的位置。网络时间协议（NTP）被广泛用于在计算机网络上来同步时间。NTP时间被编号并在对等点之间进行交换，然后通过计算时间偏移量，并校正偏移量同步时钟来交换信息。传输延迟是通过往返时间来计算的。

IEEE 1588精密时间协议（PTP）提供了一种可以在网络中以微秒级的精度同步设备标准的方法。协议将从时钟同步到主时钟，确保所有节点的事件和时间戳都使用相同的计时器值。由于时钟偏差和信号传输延迟相结合，时钟偏差与时钟偏差的时间差是两相修正的：偏移校正和延迟修正。主节点通过使用同步消息和后续消息发起偏移校正。当主节点发送同步消息时，子节点使用其本地时钟来计时同步消息的到达时间。然后，子节点将本地时间戳与实际的同步传输时间戳和主时钟的后续消息进行比较。这两个时间戳的区别代表了对子节点的偏移量，以及消息传输延迟。第二组消息对于解释网络延迟的变化是必要的。然后，子节点在发送延迟请求消息时及时地记录时间，而主时钟时间戳记延迟请求消息的到达时间。然后，它会发送一个延迟响应消息，延迟请求到达时间戳。时间戳的不同之处是子节点到主节点的延迟。子节点平均两个方向的延迟然后在延迟的时候调整时钟来同步两个时钟。由于主和从时钟独立漂移，补偿校正和延迟修正会周期性地重复以保持时钟的同步（图3）。

在WSNs中，传感器节点根据一个参照时钟来同步它们的时间，例如，水槽节点或协调世界时（UTC），这是世界调节时钟和时间同步的时间标准。对于WSNs，时间同步要求时钟在一组传感器节点上同步，这组传感器节点通过单跳或多跳无线网络连接到另一个节点上。到目前为止，已经设计了各种各样的协议来解决这个问题。时间同步可以分为三种类型：（a）简单的单向广播，（b）接收-接收器同步，和（c）双向的双向同步，如图4所示。

图4.对WSNs的时间同步协议的分类

在单向引用广播方法中，引用节点只是向其他节点广播一个引用时钟信号，而其他节点则会校正它们的时间以匹配参考时钟。这种方法是在网络中同步时间的最古老和最简单的方法。注入式时间同步协议（FTSP）是最著名的方法。FTSP使用详细的时钟，媒体访问控制（MAC）层时间冲压来减少抖动和时钟漂移估算，以达到一个相对较高的精度。

接收器之间同步使用一个外部的信标节点，它周期性地向传感器节点发送引导信息。接收信标消息的传感器节点会交换消息的到达时间，以比较和纠正它们的时钟。参考广播同步（RBS）和自适应时钟同步（ACS）是面向接收器同步协议。RBS没有利用明确的时间戳，而是使用接收时间作为参照点来比较它们的时钟，如图4b所示。这种方法直接删除了消息传输中涉及的两个最大的非确定性来源：传输时间和网络协议栈中的访问时间。ACS扩展了RBS，集中减少用于交换到达时间信息的消息数量。为了减少消息的数量，使用了信标节点来代替传感器节点来收集和比较消息到达的时间。

第三，双向成对同步，也可以称为发送器与接收器同步，它使用消息的往返时间来纠正偏移量和传播延迟。这种方法使用一对节点之间的信号交换协议。也就是说，传感器节点与它们的根节点实现时钟同步，而不像传感器节点在同一级别上与其他传感器节点同步时钟接收器之间的同步。图4 c描述了该方法在三个连续阶段中的基本操作的一个示例。首先，节点A在T1时刻发送本地时间，而节点B在T2接收消息，并记录其本地时间。然后，时间T2=T1 d delta;，其中d是两个节点之间的传播延迟，delta;表示它们之间的时钟偏移量。接下来，节点B响应节点A，其中包含了一个包含T2和T3的命令应答消息。在接收到T4时的应答消息后，节点A将时间T4确定为T4 = T3 d–delta;。最后，节点A可以计算两个节点之间的时钟偏移量和传播延迟，如下所示：

传感器网络（TPSN）的计时同步协议、轻量级时间同步（Tsync）、微同步和迷你同步（ts/ms），以及由发送方、调整器和接收方（LESSAR）的级别同步是众所周知的WSNs双向成对同步协议，而NTP则是在Internet上使用的双向成对同步协议的一种形式。TPSN为整个网络提供同步。首先，一个节点被选为同步主节点，而在根节点上的主节点是通过注入网络来构建的。在第二阶段，通过双向同步，节点与它们在树状图上的父节点进行同步。TSync有一个集中式版本和一个去中心化的版本。这两种协议都使用专用的无线电信道来同步消息，以避免由于网络冲突而造成的不准确。ts/ms使用多个成对的往返测量和线拟合技术来获得两个节点的偏移量和偏移量，而不是直接计算偏移量。LESSAR能够在一定的限制范围内实现精度，同时还能保持低功耗、可负担的存储空间，以及由于数据包传输减少而导致的小计算复杂性。

    1. 时间同步中的不确定性

不确定性是网络协议栈中的通信插入到物理层，包括通信链路中产生的，如图5所示。网络协议栈中的时间不确定性依赖于瞬时时间的确定，而在时间同步时的这种确定被称为时间戳。时间戳点是至关重要的，因为它影响时间同步过程的准确性。时间戳点可以确定在网络层中的任意点。然而，在上层，例如应用程序层，时间戳是有缺点的，因为协议栈可能导致延迟，而这些延迟可能不是决定性的。时间戳和传输之间的延迟可以在最小值和最大值之间变化，这取决于网络和协议状态。如果发生冲突，传输就会被延迟，并且在接收到一个帧后，

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