《数字通信世界》 邮发代号 80-393 国内统一刊号 CN11-5154/TN 国际标准刊号 ISSN 1672-7274
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  网络时间同步应用现状研究

     

【摘 要】随着生产力推动高科技的进一步快速发展,网络时间同步越来越在通信、深空探测、国防等高精尖技术应用领域得到广泛的应用。本文从互联网、全球导航系统、美国战场通信网及我国通信网等多个角度,对国内外网络时间同步的应用现状进行了研究,并对我国网络时间同步的应用前景进行了展望。
【关键词】网络时间同步 NTP PTP 通信网

一、引言
将网络上各种通信设备或计算机设备维持的时间信息的时间偏差限定在足够小的范围内,这种同步过程叫做网络时间同步。随着现代社会的高速发展,人们的生活和工作节奏越来越快,时钟同步的应用要求也越来越广泛。与此同时,快速发展的社会生产力越来越推动着各种政治、文化、科技和社会信息的大容量传递,而保证这些大容量信息可靠准确快速地传递就必须要求严格的高精度的时间同步。且随着人类探索整个物质世界的深入,在一些特定领域对时间同步的同步精度的要求也越来越高。
二、互联网网络时间同步
在计算机互联网中传递时间的协议主要有时间协议(Time Protocol)、日时协议(Daytime Protocol)、网络时间协议(NTP, Network Timing Protocol)和精密时间协议(PTP, Precision Timing Protocol)等。另外,还有一个仅用于用户端的简单网络时间协议(SNTP)。网上的时间服务器会在不同的端口上连续地监视使用以上协议的定时要求,并将相应格式的时间码发送给客户。
在RFC-1305中全面地规定了运行NTP的网络结构、数据格式、服务器的认证以及加权、过滤算法等。NTP技术可以在局域网和广域网中应用,精度通常只能达到毫秒级或秒级。在国外普遍使用网络时间协议(NTP)提供时间同步服务,经过20年的发展,现在已有几百台一级时间服务器分布在美国、英国等国家, 其中以美国国家标准技术研究院性能最好。另外,还有上万台二级服务器分布在世界各地。
近几年来,还出现了改进型NTP。与传统的NTP不同,改进型NTP在物理层产生和处理时戳标记,这需要对现有的NTP接口进行硬件改造。改进型NTP依旧采用NTP协议的算法,可以与现有NTP接口实现互通。与原有NTP相比,其时间精度可以得到大幅度提升。目前支持改进型NTP的设备还较少,其精度和适用场景等还有待进一步研究。改良后NTP同步精度号称能达到10微秒量级。
IEEE1588标准的全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”,简称PTP(Precision Timing Protocol),主要应用于相对本地化、网络化的系统,内部组件相对稳定,其优点是标准非常具有代表性,并且是开放式的。由于它的开放性,特别适合于以太网的网络环境。与其他常用于Ethernet TCP/IP网络的同步协议如SNTP或NTP相比,主要区别是PTP是针对更稳定和更安全的网络环境设计的,所以更为简单,占用的网络和计算资源也更少。NTP协议是针对于广泛分散在互联网上的各个独立系统的时间同步协议。PTP定义的网络结构可以使自身达到很高的精度,与SNTP和NTP相反,时间戳更容易在硬件上实现,并且不局限于应用层,这使得PTP可以达到微秒以内的精度。
三、全球导航系统网络时间同步
GPS/GLONASS接收机通过接收机电路解调GPS/GLONASS信号,采用NMEA协议中的相关信息从中提取高精度的时间信号作为网络时间服务器的时间基准。通过NTP协议,将精确的原子钟时间授时给本地网络中的各个计算机。NMEA协议是为了在不同的GPS导航设备中建立统一的BTCM(海事无线电技术委员会)标准。
网络中每个节点各自引入GPS/GLONASS接收机,各网络节点都联入专用的GPS/GLONASS时钟信号线,以此来实现各网络节点的时间同步。
将大规模分布式系统的节点网络划分为多个网段。每个网段均设置一个时间服务节点,在该节点上引入GPS/GLONASS接收机及其相应的时钟接口设备,实现不同网段的时钟同步,同时在每个网段内部通过NTP协议使其他节点与时间服务节点的时钟同步,进而实现整个分布式网络的时钟同步。
四、美国战场通信网网络时间同步
美军基于GPS系统,通过其强大的战略战术通信卫星、地面网络和战场无线数据链,配合通信模块、GIS和GPS接收机的终端系统。该应用领域美军规划了一系列的系统和装备,主要有美军联合战术信息分发系统(JTIDS)、作战指挥系统(FBCB2)和陆军数据分配系统(ADDS)。以下详细介绍JTIDS网的时间同步体制。
系统有两种同步:一种是网同步,另一种是信息同步。
1.网同步
网同步可构成时分多址同步通信体制,具体说,网同步是使要入网成员的时钟与被指定作为时间基准成员的时钟同步,使其进入“系统时”。系统工作网的建立是从时间基准成员定期(如每一时帧)发射入网消息开始。要入网的成员首先根据自己的时间标准估计自己的时间与格林尼治时间之差,提前一段时间等待入网消息的到来。如果等待时间结束没有收到信号,或收到信号经判断不是入网信号,则重复上述过程。如果收到了入网信号,要入网的成员就进入“系统时”。此时,该成员的时隙起点与系统时隙起点仅相差电波在两者距离上的传播时间,这一过程叫粗同步。完成粗同步后转入精同步过程,精同步将消除掉粗同步时存在的时差。精同步方法有两种,即有源校时法和无源校时法。
(1)有源校时法
有源校时法就是往返定时(RTT)询问/应答法。要实现精同步的成员在分配到的时隙内,向已经完成精同步的成员发出询问信号,被询问成员收到询问信号后,在该时隙内发出应答信号,应答信号内容是询问信号的到达时间TOA1。这样,询问成员在收到应答后根据应答信号到达时间TOA2、应答信号固定延时时间(已约定的参数)以及从应答信号中解调出的TOA1便可计算出时间同步误差E。重复几次这样的过程便能达到精同步。达到精同步的成员要保持与系统时的精确同步,在整个工作过程中必须定时重复上述精同步过程。

图1 有源校时法同步示意图
(2)无源校时法
无源校时,要实现精同步成员接收已完成精同步成员发出的位置报告数据和信号到达时间,信号到达时间中包含被同步成员与发射消息成员间的距离及二者不同步的时差。在被同步成员的导航滤波器中,上述数据与来自推测导航系统的数据混合在一起进行解算,计算出本身的时钟偏差。这种无源同步的时间精度与有源同步精度相当,而且不占用时隙,系统中的次要成员主要依靠这种同步方式。

图2 无源校时法同步示意图
2.信息同步
信息同步则可完成信息解调和消息到达时间(TOA)的测量。信息同步是通过接收一条消息中同步段的20个字符脉冲完成的。接收消息成员以等待方式快捕并粗跟踪同步段前16个字符脉冲,跟踪到第16个字符脉冲时其同步误差在±200ns以内,此时再启动精同步电路。精同步电路跟踪随后的4个精同步脉冲结束后,精同步电路即可为解调信息和测量消息到达时间提供时间基准。
消息到达时间的测量完全依赖精同步的完成。如上述第四个精同步字符脉冲结束之后,精同步电路产生的消息到达时间脉冲(与解调信息时间基准重合)与该时隙起点之间的时间间隔精确值就是到达时间值。在通信过程中测得的达到时间值是系统用以实现相对导航定位功能的基本参数。
五、我国通信网网络时间同步
对于任何通信设备,都需要时钟为其提供工作频率,所以时钟性能是影响设备性能的一个重要方面。时钟常被称为设备的心脏。当设备组成系统和网络后,系统和网络必须具有精确的定时,以保障其正常运行。网内各节点时钟的精度影响一个数字通信网工作是否正常。
我国的通信网已基本实现了数字化,为保证整个电信网络的正常运行、提高网络服务质量和增强网络功能,通信网必须采用高精度的时间同步技术。时间有不同的参照体系,主要有通用时间UT1、国际原子时TAI,以及全球协调时UTC。其中UTC通常称为绝对时间,在我国主要使用的是北京时间,它是与UTC进行比对和校准后向外发布的,因此与UTC也是保持一致的。由于电信网自身无法提供UTC,为了使电信网内各设备都能获取UTC以实现时间同步,需要专门建立一个网络,通过这个网络可以获得UTC并将UTC实时地送给电信网内各个设备。这个网络就称为时间同步网。
在国外,20世纪80年代后期,美国、加拿大、日本在PDH准同步传输系统全面成网的基础上建设了各自的数字同步网。欧洲于80年代末对以SDH同步传输系统为基础的数字同步网进行了深入研究,并制定了过渡方案和进行了现场实验,90年代逐步建设了基于SDH同步传输系统的数字同步网。在国内,中国电信、中国联通等民用通信系统于90年代中后期建设了各自的全国同步骨干网。从分析国内外数字同步网的状况得知,其不同点有两点:其一,欧美和日本可以采用覆盖全国的PDH光缆传输网来建设数字同步网,我国则不然,当建设了少量PDH准同步传输系统之后即大规模开始建设SDH同步传输系统,迅速覆盖了全网并逐步取代PDH准同步传输系统;其二,我国大量采用GPS作为基准定时源,既经济又实用,但出于安全考虑,不能完全依赖于美国,所以又规划建设了用铯钟源连接地面链路形成的数字同步网来提供定时。我国国土大,为了缩短传输链路的长度,则需要在全国设置多处铯钟源。
为达到全网范围内的时钟同步,需要综合考虑业务需求、时钟性能、成本、可靠性、安全性等技术要求。对地理分布广、采用分级管理的通信运营企业,一般采用主从同步或外基准同步的网同步方法。所谓主从同步,就是在通信网中部署少量高性能时钟设备(比如铯钟),通过专用的数字传输链路将高性能时钟信号直接传送给网中的其他时钟设备,以便后者跟踪于前者。提供时钟信号的设备称为主时钟;接收时钟信号并跟踪于主时钟的设备称为从时钟。对于大规模网络,通常部署三级主从同步网络,因此,时钟设备细分为一级参考钟(PRC)、区域参考钟(LPR)、二级钟和三级钟。
外基准同步是主从同步的一种特殊形式,主时钟部署在定位卫星上,或者部署在地面通过卫星上时钟间接提供时钟参考,同步信号通过无线方式传递到地面接收设备。
根据邮电技术规定《数字同步网的规划方法与组织原则》,现阶段我国数字同步网采用混合同步方式,全网包括多个基准时钟,各基准时钟之间为准同步,每个基准时钟控制的同步区内为等级主、从同步,对网络内各节点划分等级,节点之间是主、从关系,只允许较高等级的节点向较低等级或同等级的节点传送定时基准信号。
我国数字同步网分为3级。一级节点时钟采用1级基准时钟,目前我国同步网内的基准时钟有两种,一种是含铯原子钟的PRC,它产生的定时基准信号通过定时基准传输链路送到各省中心;另一种是在同步供给单元(SSU)上配置全球定位系统GPS(或其他卫星定位系统)组成的LPR,它也可以接受PRC的同步。
SDH传送网的授时这种时间同步技术的主要原理是:把与铯时钟同步的时间编码信号嵌入到SDH STM-N的复用段开销(MSOH)的空闲字节中,信息长度为5 bit,其帧结构符合ITU-TG .708建议。只要不阻断MSOH信息就可以实现长途传输,所以该信息可通过再生中继段,而不能通过复用段。为此,必须经过复用段信号与MSOH的分解处理,再完成复用后进行传输。用SDH的STM-N信号传送时间信息的优点是对抖动的过滤能力强,不受支路指针调整的影响,能在STM-N端口之间实现信息的透明传输。STM-N传送时钟信号具备稳定性和复现性,2000 km的时间传送准确度小于100ns,50km的时间传送准确度是10 ~ 50ps。
建立时间同步网络当前的主要问题是用户端设备(如交换机、基站控制器等)还没有合适的接口电路,用户设备和GPS接收机、无线电授时接收机等无法连接。故时间同步网络的标准化,包括网络的技术指标、设备的技术指标和接口的要求,是急需解决的任务;同时,网络的安全保证和软件升级也是必不可少的。不同的通信技术对于同步和定时的要求不同。
移动通信系统/宽带码分多址(GSM/WCDMA)采用异步基站技术,只需要做频率同步,精度要求0.05 ppm;而码分多址(CDMA)/CDMA 2000、时分同步码分多址(TD-SCDMA)、长期演进(频分双工)(LTE(TDD))和全球微波互联接入(WiMAX)中,空口技术采用同步基站方案,需要做时钟的相位同步,同步的精度分别为3μs、1.5μs、2.5μs和1μs。
我国的数字通信网规模庞大,分布范围广,所以数字同步网一般要接收几个基准主时钟共同控制。如果采取定时链路来传输定时信号,那么随着数字传输距离的增长,传输损伤逐渐增大、可靠性逐渐降低。而利用装配在基准钟上的GPS接收机跟踪UTC,来实现对基准钟的不断调整,使之与UTC保持一致的长期频率准确度,从而达到各个基准钟同步使用。并且,在数字同步网中采用GPS配置基准钟,实现方法简单,同步时间精度高,提高了全网性能,成本却相对低廉,并且便于维护管理,所以GPS时钟在基准钟中得到广泛使用。
GPS时钟的优点是在不依靠传输网络的情况下为主参考时钟提供必需的精度,同时对网络的远端部分提供一种分配主参考定时信号的方法。20世纪90年代中期,我国数字同步网根据多基准钟方案,配套建立了以铯钟组加GPS接收机构成的北京PRC。此外,还将建设采用GPS加铷钟的LPR(高精度区域基准时钟)和以GPS加BITS构成的LPR。
我国已建成的数字同步网为主从同步网和准同步网相结合的方式,网中基准时钟除铯钟钟组(PRC)外,同时采用了GPS时间同步和频率校准技术。GPS接收机从空间取得高精度的时间信号,再与受控的铷时钟或高稳定度晶体时钟相配合,具有与铯时钟接近的高精度频率,作为长途干线省级交换中心主基准时钟(LPR)。在GPS信号正常情况下,全通信网以PRC同步通信网的速率,确保通信网的所有数字通信设备工作在同一个标准频率上,将滑码、误码、相位突变、抖动,以及SDH设备指针调整和其他可能的损害降到最小。
我国数字同步网的接收设备通常为通信专用的多通路GPS接收机,它不仅提供跟踪GPS时间的1PPS时间信号、10MHz频率基准参考信号,还有跟踪GPS时间的通信专用E1和T1信号输出。由于采用了数字滤波器滤除抖动和多通路接收,即动态均衡法使GPS信号的长期稳定性与机内的高稳晶体时钟的短期稳定性相结合,使输出信号的校准频率的不确定性优于1×10-12,时间同步优于25ns。
时间同步不仅要求信号的频率锁定到基准频率上,使其长期稳定性与基准保持一致,而且要求信号的起始时刻与UTC保持一致。也就是说,时间同步是指网络各个节点时钟以及通过网络连接的各个应用界面时钟的时刻和时间间隔与UTC同步,即同步的基准必须跟踪到UTC上。时间同步网络是保证时间同步的基础。可以采用无线也可以有线的传输方式构成时间同步网络。由于地面传输的时延问题,时间基准不能像频率基准那样传输和分配,故现今主要采用GPS和GLONASS系统使基准跟踪到UTC上,大多数在每个基站上配置GPS接收机。
六、结束语
在我国数字同步网中,GPS起到了巨大的作用。但由于GPS是美国研制的全球定位系统,可靠性低,给网络的安全性和可靠性带来不稳定因素,因此各通信网在进行同步时,往往采用两套同步装置由自主运行的铯原子钟组或铯原子钟组与卫星定位系统(GPS)组成,当GPS系统信号无法正常接收时,即使用系统内自主运行的原子钟。但在新建的通信网中,目前已采用我国自研的北斗系统的授时设备进行网络同步,随着北斗系统研制建设步伐的加快,相信在不久的将来,我国的数字通信同步网将会全面更换为北斗系统的授时接收机进行网络同步。
参考文献见www.dcw.org.cn
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