CN105472723B - 同步装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及同步装置和方法。一种用于基于啁啾扩频信息的交换的在无线网络上的时间同步的***和方法。将时间信号从主设备(40)广播到多个从设备(101、102、103)。使用的调制包括由符号宽的频移对主设备的***时钟中的偏移的补偿,所述频移特别精确、精细并且实现简单。本发明的***和方法特别适合于同步电信小区网络。
Description
技术领域
本发明在实施例中涉及用于特别是通过使用啁啾扩频来同步在无线网络中的多个时钟的装置和方法。
发明内容
远程时钟的同步是众所周知的话题,并且具有许多应用。一个重要的应用是无线蜂窝网络,其要求在基站之间的至少500 ns的时间准确度。在许多情况下,当网络基于到达的时间差来提供定位或其他高级的服务时,要求的同步的水平可能大大好于该数字(figure)。通常要求10 ns或甚至2 ns的准确度。
当数字联网表示精确同步的最广泛使用时,许多其他应用也需要它。我们可以援引例如使用许多物理上断开的传感器的网络的地震测量、科学仪器、陆地勘测。该列表远远不是穷尽。
在无线网络中,使用来自GPS或者其他地理定位(geolocalization)卫星***的信号来获得可以将在网络中的所有时钟同步到其的精确的共同基准。然而这要求基站具有屋顶访问(roof access),并且还依赖于其可用性在所有条件下得不到保证的GPS信号。
针对有线网络,假设在网络中的延迟是稍微可预测的,则比如TopSynch/IEEE1588或NTP的技术方案可以在它们相应的性能限制中提供良好的准确度。这些技术方案示出针对DSL链路或使用无线回程的链路的某些限制。
直接序列扩频技术也是已知的并且可以达到非常高水平的编码增益。在某些情况下,像在GPS***中,已经在远距离上显示出优秀的噪声免疫性。然而,这些技术的限制是接收机的相当高的复杂度、针对弱信号可以非常长的获取时间和它们的功率消耗。
欧洲专利申请EP2449690描述了使用数字合成的啁啾符号作为调制的通信***和合适的基于FFT的接收机。
已知在各种射频电路中的啁啾生成,例如US6549562描述了用于生成调制的啁啾信号的方法,而EP0952713示出了基于啁啾信号的同步过程。
除其他之外,US6940893和US6614853通过经过波散滤波器传递脉冲信号来描述啁啾信号的生成和使用以及基于此的通信方案。
在本领域中已知的其他参考描述了使用数字合成啁啾符号作为调制的通信***和合适的基于FFT的接收机。除其他之外,欧洲专利申请EP2763321描述了一个这样的调制方法,其中信号的相位基本上邻接,并且以这样的方式将啁啾嵌入到数据帧中以便允许在发射机和接收机节点之间的同步以及确定它们之间的传播范围。该调制方案被用在Semtech公司的远程LoRaTMRF技术中,并且其将在该文档的下文中被简称为‘LoRa’。
EP2767847涉及LoRa协议的变体,其允许估计在无线链路的端点之间的范围。
根据本发明,借助于所述权利要求书的对象(object)来实现这些目的。
附图说明
借助于示例给出和通过图图示的实施例的描述将更好地理解本发明,其中:
图1以示意的简化的方式示出了根据本发明的一个方面的无线电调制调解器的结构。
图2a绘制了根据本发明的一个方面的基础啁啾的瞬时频率和调制的啁啾的瞬时频率。在图2b中表示相同信号的相位,并且图2c绘制了在时域中的基础啁啾的实数和复数分量。
图3a到图3c示意性地表示在本发明的帧中的、在两个设备之间交换的数据帧的结构。
图4示意性地示出了包括定时主节点和多个定时从节点的无线网络。
图5图示了根据本发明的一个方面的同步方法的步骤。
图6图示了根据本发明的一个方面的采样误差补偿。
具体实施方式
在本发明中采用的啁啾调制技术的若干方面在欧洲专利申请EP2449690被描述并且将在这里被概括地提起,所述申请通过引用被并入到本文中。在图1中示意性表示的无线电收发机是本发明的可能的实施例。收发机包括基带部分200和射频部分100。集中在发射机部分上,基带调制器150基于在它的输入处存在的数字数据152生成基带信号,所述基带信号的I和Q分量通过由功率放大器120放大的RF部分100被转换成期待的传输频率,并且由天线传输。
在该示例中,通过在混合器110中混合由放大器154提供的信号与电路190生成的本地载波的同相和正交分量来完成信号从基带到预期的频率的转换并且将其链接到基准时钟129。
一旦在无线电链路的另一端上接收信号,就由图1的收发机的接收部分对其进行处理,图1的收发机包括低噪放大器160,之后是生成包括一系列啁啾的基带信号的下变频转换级170,然后由其功能是调制器150的功能的相反的基带解调器180对所述信号进行处理并且提供重建的数字信号182。
如在EP2449690中讨论的那样,调制器150合成包括一系列啁啾的基带信号,所述基带信号的频率沿着预确定的时间间隔从初始瞬时值改变到最终瞬时频率。为了简化描述,将假设所有的啁啾具有相同的持续时间,尽管这不是针对本发明的绝对要求。
在基带信号中的啁啾可以由它们瞬时频率的时间分布(profile)或者也由将信号的相位定义为时间的函数的函数来描述。重要的是调制器150可以生成具有多个不同分布的啁啾,每个对应于在预确定的调制字母表中的符号。
根据本发明的重要特征,调制器150可以生成具有具体的和预定义的频率分布的基础啁啾(在下文中也被称为未调制的啁啾)或通过循环地时移基础频率分布从基础啁啾获得的可能的调制啁啾的集合中的一个。通过示例,图2a图示了在啁啾的开始处的时刻和啁啾的末尾处的时刻之间的基础啁啾的和一个调制的啁啾的可能的频率和相位分布,而图2b示出了在时间的域中的相应的基带信号。水平标度(scale)例如对应于符号并且虽然将绘图表示为连续的,但是在具体实现中它们将由有限数量的离散样本来表示。关于垂直标度,它们被归一化成预期的带宽或者被归一化成相应的相位跨度(span)。特别地,相位在图2b中被表示为好像其是无边界的变量,以便更好的示出它的连续性,但是它在具体实现中实际上可以跨越若干周期(revolution)。
在描绘的示例中,基础啁啾的频率从初始值线性地增加到最终值,其中BW代表扩展的带宽的量,但下降的啁啾或其他啁啾分布也是可能的。因此,以啁啾的形式对信息编码,所述啁啾具有关于预确定的基础啁啾的多个可能的循环移位中的一个,每个循环移位对应于可能的调制符号。
图2c是在时域中对应于基础啁啾的基带信号的实部和虚部分量I和Q的绘图。
优选地,由连续函数描述啁啾的相位,其在啁啾的开始处和末尾处具有相同的值:。归功于此,信号的相位跨符号边界连续,将在下文中被称为符号间相位连续性的特征。在图2a中示出的示例中,函数是对称的并且信号具有符号间相位连续性。如由EP2449690更详细地解释的那样,上文描述的信号的结构允许接收机中的解调器单元180将它的时间基准与发射机的时间基准对齐,以及告知每个啁啾的循环移位的量的确定。评估关于本地时间基准的接收的啁啾的时移的操作在下文中可以被称为“解啁啾”,并且可以通过使接收的啁啾乘以本地生成的基础啁啾的复共轭并且执行FFT来有利地执行。FFT的最大的位置指示移位和调制值。然而解啁啾的其他方式是可能的。
因此,可以在下文中使用“循环移位值”以指示在时域中的调制,并且“调制位置”或“峰位置”在频域中表示它。
我们记录符号的长度N或者等同地记录扩展因子。为了允许使用FFT的容易的接收,优选地选择N为2的幂。如果Nyquist采样频率,并且符号的长度是。为了修补思想,但不将本发明限制于这些具体的数字值,可以想象在可能的应用中BW是1 MHz并且N等于1024、512或者256。载波频率可以在2.45 GHz IMS频带中。在该特别的实施例中,本发明的调制模式可以占用与Bluetooth®收发机相同的RF频带并且可能重用或共享Bluetooth®收发机的RF部分。然而,本发明不限于该特定的频带。
优选地,在包括适当地编码的前导和数据部分的帧中组织本发明传输和接收的信号。前导和数据部分包括一系列调制的和/或未调制的啁啾,其允许接收机将它的时间基准与发射机的时间基准时间对齐、检索信息的元素、执行动作或者执行命令。在本发明的帧中,若干结构对于数据帧而言是可能的,相互间(inter others)取决于信道条件、传输的数据或命令。优选地,帧包括前导和表达传输的数据或命令的净荷,所述前导的目的是允许发射机和接收机之间的在时间和频率中的同步。图3a到3c示意性地表示可以在本发明的各方面中采用的帧结构。
在呈现的示例中,在图3a-3c中的帧具有公共的前导结构,所述公共的前导结构出于其他目还可以与在本发明的***中交换的其他帧一样。前导包括基础(即,未调制的或具有等于零的循环移位的)符号的检测序列411。在接收机中使用检测序列411来检测信号的开始并且优选地执行它的时间基准与发射机中的时间基准的第一同步。通过解调检测序列,例如将其乘以本地合成的共轭啁啾,并且执行FFT操作,接收机能够确定移位量并且使它的时钟的频率和相位与发送者的时钟的频率和相位相适应,因此允许以下数据的解码。
在这些示例中,检测序列411之后是作为利用预确定的值调制的啁啾的帧同步符号412、存在于(consist in)一个或多个、优选地两个的、是基础未调制的啁啾的复共轭的啁啾的频率同步符号413、用以允许接收机的对齐的静默(silence)420、是未调制的基础啁啾的精细同步符号414。
在时间消息的情况中,帧3a-3c具有对应于锁存主时间基准的值的时刻的基准点。通过示例,在前导的第一符号的开始处指示该基准点,但还可以将其放置在帧中的任何预确定的时间点处,例如在报头的开始处。
根据本发明的方面,发射机和接收机节点优选地具有通过调制的啁啾信号允许数据的交换的通信模式和/或测距模式,在所述测距模式中信号的测距交换发生在主设备和从设备之间,这导致在它们之间的范围的估计。从设备被布置用于识别测距请求并且传输回包含啁啾的测距响应,所述啁啾在时间和频率中与在测距请求中的啁啾精确对齐,因此主设备可以接收测距响应、关于他自己的时间基准分析其中包含的啁啾的时间和频率并且估计到从设备的范围。
图3a示意性地表示包括测距请求的帧的可能结构,并且在上文描述的前导之后包括数据字段415,所述数据字段415包括意图将帧用于测距的指示和需要其的测距的具体设备的标识码以及一系列测距符号,例如一系列相同的未调制的啁啾。
重要的是,在两个LoRa节点之间的测距操作涉及测距请求的传输,所述测距请求的传输从发起者节点到确定的目标节点、到利用在所述间隔之后传输的测距回复应答的目标节点。重要的是,归功于啁啾调制的信号的频-时等同,目标节点能够将它自己内部的相位和频率与发起者的相位和频率对齐,使得将测距回复对齐到发起者节点的时钟。测距请求的发起者节点可以通过一起平均由测距符号416获得的结果、独立于在这个和目标的时钟之间可能存在什么频移来确定由它自己的时钟测量的在它本身和目标节点之间的传播延迟。针对关于可以如何实现此的更多细节,将读者导向已经在介绍中引用的、通过引用被并入到本文中的欧洲专利申请EP2767848。
根据本发明的方面,网络包括如在图4中示出的定时主设备40和多个定时从设备101-103。在啁啾调制的信号的传播特性仅随时间缓慢变化的意义上,定时从设备可以通过经由无线无线电信道311发送可以被视为准静止的啁啾调制的信号来向定时主设备发送消息并且从定时主设备接收消息(并且还在它们之间,但对于本发明而言这不是必要的),使得可以假设它们在实现本发明的同步方法需要的所有时段期间基本上保持恒定。为了简化描述,将假设定时主设备和定时从设备是静止的,但这不是还可以被用于同步移动节点的本发明的必要特征,如果在短到足以允许忽视运动诱导的范围变化的时间中执行本发明的方法的步骤的话。将理解,可以存在针对单个定时主设备的任何数量的定时从设备。而且,可以将定时从设备同步到任何数量的定时主设备。
定时主设备包括主时间基准47或具有对主时间基准47的访问,所述主时间基准47优选地是GPS同步时钟或原子时间标准或与合适的基准同步的任何时钟。定时从设备还包括本地时间基准107或具有对本地时间基准107的访问。本发明的方法目的在于使所有本地基准107与定时主设备的时间基准同步,使得它们以相同的步调脉动(beat),并给出相同的绝对时间。
在同步之前,每个定时从设备将测距请求301发送到定时主设备并且通过它的回复302确定从主设备到从设备的信号的传播时间TOF。根据需要,可以一次、周期性地或者在确定的触发事件,例如移动时执行TOF的估计。重要的是注意到与距离测距的情况相反,如果可以将信道基本上视为静止的,则传输信道并且特别是多径的质量在可以获得的同步的精度中不发挥作用。
在每个定时从设备101-103已经估计了定时主设备40和它本身之间的TOF之后,定时主设备广播(步骤625)包括绝对时间的时间信号1200,所述绝对时间如由主时间基准在预确定的时刻给出的那样,在预确定的时刻处例如在第一符号的开始处。可以将绝对时间例如表示为自预确定的时期(epoch)流逝的纳秒的数量(或其分数,如果需要的话)。如果时钟已经粗略地被同步,则可以将绝对时间更紧凑地编码为例如在一天或一小时内的递增的时间,或者可以简单地省略绝对时间的最低有效部分。
如在图3b中表示的那样,绝对时间信息可以被编码在特殊的定时帧的报头415中,并且优选地随后是包括一系列未调制的符号的同步部分417或另一确定的符号序列。在替代的变体中,可以将绝对时间信息编码在LoRa协议中的规则帧的数据部分中,如例如在图3c中示出的那样。在该情况下,在协议要求的同步前导之后,用于同步的协议所需的帧包括将帧标识为正常的数据帧的报头415和绝对时间,可能连同在网络中的定时主设备的ID或被编码在数据部分418中的其他信息。
定时从设备101-103在收到来自定时主设备40的时间信号1200时,计算消息的准确的时间戳,该时间戳例如对应于在帧中的第一符号的开始并且可以基于使在接收的同步符号和本地生成的基准序列之间的互相关最大化的偏移被计算。
因为对于啁啾信号时间和频率偏移相关在一起,所以一旦补偿了频率误差,就可以仅计算准确的时间戳。在本发明的可能的实现中,这发生在在频率同步符号413之后被接收的专用的时间同步符号417(参见图3b)上。可以基于符号每符号(symbol-per-symbol)处理被编码为图3b的帧的时间信号以获得可靠的时间戳,并且使用与测距函数所需的那些一样或稍有不同的手段使该计算对于相对简单的节点可访问。在图3c的帧中对编码的消息打时间戳(stamp)更加复杂,因为一旦估计频率误差就要求记录和回放前导,从而计算在检测符号411上的时间戳。这要求附加的硬件并且可能超出简单的LoRa接收机的容量,但将适合于全体基站的精确同步。
在图3b的信号的情况下,仅在两个符号上完成频率同步,而可以在图3c的帧的情况下在高得多的数量的符号上完成频率同步。由于任何频率误差对应于在时间戳(是啁啾斜率的比例系数)中的误差,因此打时间戳的精度在后者的情况下比在前者中好。在相同程度上,可以通过平均若干时空信号来减少频率误差。
图5是图示了根据本发明的、将定时从设备的时钟同步到定时主设备的时钟的可能的方法的简化流程图。在图表中时间从上向下流动:在右边示出了由定时主设备执行的步骤,而在左边是由定时从设备执行的那些。如已经提及的那样,初步的(步骤601),从设备将测距请求301发送到定时主设备,所述定时主设备以消息302向定时从设备回复(步骤621)。重要的是,测距回复。
重要的是,本发明的方法同意具有显著超过使用的时钟的分辨率的精度的时钟同步。为了举例,方法可以被用来同步以32 MHz的速率运行的两个时钟,可能被用作在LoRa调制调解器中的具有10 ns或更好的精度的主时钟,尽管在时钟上的采样误差可以高达16 ns的事实。可以通过高速度时钟或通过其他处理手段在定时主设备40中估计在时间信号的基准点上的采样误差。根据本发明的方面,在时间信号1200的传输中补偿采样误差,使得当符号由定时主设备生成时,使符号与标准时钟47的转变确切地对齐。为此,啁啾符号应用于将针对每个符号单独地计算的精细频率偏移。该纠正偏移与啁啾斜率成比例并且与采样误差的估计值成比例。如在图5中的步骤622那样指示采样补偿。
如果将时间信号编码在如图3b中的帧中,则仅将采样误差补偿应用于仅同步符号417。在该情况下,接收定时从设备可以照例检测前导检测符号411,并且然后基于同步符号417的边界对时间信号打时间戳,所述同步符号417被针对在主设备时钟中的采样误差补偿。如果在另一方面将时间信息编码在标准帧中,如在图3c中那样,则补偿在前导、报头和数据中的所有符号。在其中仅在调制过程开始之后知道采样误差信息的可能的情况中,一旦传输已经开始,就可以使前导的第一符号空白而不改变定时从设备101-103中的解调算法。
由于由采样补偿诱发的频率偏移针对每个符号不同,因此与正常的LoRa信号相反,得到的信号的相位不是严格连续的。然而,这对解调过程不是有害的,特别是如果采用相干解调的话。
图6示意性地示出了根据本发明的、在作为定时主设备的发射机中执行本发明的采样误差补偿的可能的方式。假设发射机运行被用于合成由调制要求的啁啾信号的***时钟。由带点的垂直线723指示***时钟的转变。发射机包括主时间基准或对主时间基准访问,所述主时间基准提供绝对时间并且期望将定时从设备同步到其。由虚线的垂直线721指示主时间基准的转变。理想地,主时间基准和主要时钟应该同步地脉动,并且在该情况下垂直线721和723将重叠。然而包括在振荡周期之间的漂移和差异的若干因素诱发是采样误差的源的、小的时间偏移。发射机包括用于测量时间偏移的适当的装置。
绘图的垂直轴表示频率并且绘图图示了在LoRa协议中要求的某些频率啁啾。为了保持绘图简单,其仅包括未调制的上啁啾和它们的复共轭下啁啾。然而补偿方法将还可应用于调制的时移啁啾并且可应用于具有不同的斜率和/或带宽的啁啾。重要的是还理解与啁啾长度相关地关于典型的条件大大扩大偏移并且并非所有的时钟转变被表示。在真实的情况下,每个啁啾可以跨越主要时钟的1000或更多周期,而时间偏移可以总计为周期的一部分并且如果被按比例表示则其根本将不明显。
虚线782表示将被合成而无采样误差补偿的频率啁啾。将啁啾对齐到主要时钟的转变723。完美的定时将替代地要求由线795(虚线)表示的啁啾的生成,其被对齐到时间基准的转变721。补偿在于针对每个符号/啁啾计算频率偏移,所述频率偏移等于采样偏移乘以考虑的啁啾的斜率。然后获得线783。虽然符号边界仍由主要时钟确定,但是如果主要时钟和时间基准被完美地对齐,则啁啾的频率与将将获得的频率相同而无采样误差。
补偿在时钟之间的精细偏移的该方式允许极其精细地调整,其比利用时间插值可获得的那些好的多,例如具有非常低的复杂度。可能由于在线性频率啁啾中在时间和频率中的移位等同的事实。
现在回到图5,定时从设备通过在适当的存储器区域中存储在帧基准点处被测量的它的到达时间,在接收时对时间信号1200打时间戳(步骤605)。同时,定时主设备基于主时间基准47的指示等待预确定的时间间隔,例如一秒。该间隔流逝,其发送还由定时从设备接收和打时间戳(步骤607)的第二时间信号1201(步骤627)。
在该点处,定时从设备处理由精确分离的两个时间戳605和607。重要的是,由于已经针对发射机的时钟的采样误差补偿了时间信号,因此时间戳605和607具有主时间基准的精度,并且定时从设备可以基于的知识并且基于在两个时间戳之间的差来准确地校准(步骤609)它的本地时钟的周期。一旦它的时钟周期被校准,定时从设备就可以基于在时间信号1200和1201中编码的绝对时间并且基于先前计算的TOF将它的内部时间与主时间基准47的内部时间同步(步骤610)。具体地,可以通过已知的PLL技术或通过任何其他合适的手段获得同步的步骤。
重要的是认识到如果定时从设备在执行同步步骤610的时刻具有对可靠的TOF确定的访问,则TOF 603的确定不需要在时间信号1200、1201的传输和接收之前,但还可以在之后或在其间被完成。此外,时间信号不需要被限制为两个并且定时主设备可以以周期的方式很好地广播时间信号,所有的时间信号由恒定的预确定的间隔分离,而定时从设备可以基于多个时间信号校准(609)和同步(610)它们相应的时间基准。
可选地,本发明使用分集来增加通信的可靠性。这对于例如允许在遭受干扰的未许可的频带上的操作可以是非常有用的。为了增加可靠性,本发明包括在不同的频率或者不同的天线上重复定时同步技术的步骤。在该情况下,定时从设备可以针对频率、主天线和从天线的每个不同组合确定独立的TOF估计,并且将TOF估计应用于每个时间戳,所述TOF估计对应于它的具体的分集组合。可以使用该附加的信息来改进精度或者来丢弃不一致的确定。然而,它具有要求更多估计和消息的交换的缺点。
如果无线电频谱占用是音乐会,则因为它可能是在ISM频带中的情况,所以定时从设备还可能保持所有TOF估计的运行平均而不在每个可能的分集路径之间区分,可能拒绝界外值(outlier)以减少方差,并且基于利用不同的分集组合的混合获得的多个时间戳的历史记录来同步。在多径条件不是过度变化的近似中,在不同的组合之中的传播的差异将最终达到平均数。
在本发明的进一步变化中,对绝对时间信息的访问是不公开的,但是限于授权的从设备的子集。这可以以各种方式被获得。根据第一可能性,定时主设备限制对测距服务的访问。这可以通过将认证添加到测距交换来获得。仅由认证的定时从设备签名的测距请求接收应答,因此仅认证的从设备可以估计到主设备的它们的TOF以获得绝对时间同步。
Claims (17)
1.一种包括至少定时从设备(101、102、103)和定时主设备(40)的***,其中每个定时从设备包括时间基准(107)或对时间基准(107)具有访问,其中定时主设备包括主时间基准(47)或对主时间基准(47)具有访问,其中所述定时主设备和所述定时从设备***作地布置用于传输和接收无线电信号,其特征在于定时主设备(40)***作地布置用于将时间信号(1200、1201)传输到所述定时从设备(101、102、103),所述时间信号包括对从定时主设备(40)的主时间基准(47)导出的绝对时间信息编码的多个频率啁啾,用于对从定时主设备(40)接收的时间信号打时间戳(605、607)并且用于基于时间戳(605、607)、基于到定时主设备的传播时间(TOF)并且基于所述频率啁啾将定时从设备的时间基准(107)同步在定时主设备(40)的时间基准上。
2.如权利要求1所述的***,其中所述定时主设备和定时从设备具有测距模式,允许确定在定时从设备和定时主设备之间的传播时间(TOF)。
4.如权利要求1所述的***,其中在测距模式中,定时主设备被布置成向定时从设备发送测距请求,其继而被布置成以包括频率啁啾的测距答复来答复,所述频率啁啾的频率和相位与定时从设备(101、102、103)的时间基准(107)对齐。
5.如权利要求4所述的***,其中测距请求包括定时从设备的认证,并且定时主设备被布置用于仅答复来自授权的定时从设备的测距请求。
6.如权利要求2所述的***,其中由定时从设备发起测距,或者其中由将得到的传播时间传输到定时从设备的定时主设备发起测距。
7.如权利要求1所述的***,其中时间信号(1200、1201)是可接收的并且能够由多个定时从设备(101、102、103)处理的广播信号。
10.如权利要求6所述的***,其中定时从设备被布置成基于接收的时间信号(1200、1201)的时间戳来校准它们的时间基准。
11.如权利要求1所述的***,其中定时从设备被布置成对若干时间信号取平均。
12.如权利要求1所述的***,其中在发射机和/或在接收机侧通过天线的分集或通过频率的分集传输测距请求、测距答复和时间信号中的一个或多个。
13.如权利要求1所述的***,其中定时主设备和定时从设备是蜂窝电话网络的部分。
14.如权利要求13所述的***,包括基于接收的时间信号(1200、1201)的时间戳对所述定时从设备的时间基准校准。
15.如权利要求13所述的***,包括通过在定时主设备与一个或多个定时从设备之间交换啁啾编码的测距消息来获得从定时主设备到一个或多个定时从设备的传播时间(TOF)。
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