北斗時鐘系統,GPS時鐘同步系統

北斗時鐘系統,GPS時鐘同步系統

　　北斗時鐘系統,GPS時鐘同步系統

　　網絡時間同步

　　摘 要：首先對時間同步進行了背景介紹，然后討論了不同的時間同步網絡技術，指出了建立全球或區域時間同步網存在的問題。

　　一、概 述

　　在通信領域，“同步”概念是指頻率的同步，即網絡各個節點的時鐘頻率和相位同步，其誤差應符合標準的規定。目前，在通信網中，頻率和相位同步問題已經基本解決，而時間的同步還沒有得到很好的解決。時間同步是指網絡各個節點時鐘以及通過網絡連接的各個應用界面的時鐘的時刻和時間間隔與協調世界時（UTC）同步，最起碼在全國范圍內要和北京時間同步。時間同步網絡是保證時間同步的基礎，構成時間同步網絡可以采取有線方式，也可以采取無線方式。

　　時間的基本單位是秒，它是國際單位制（SI單位制）的七個基本單位之一。1967年以前，秒定義均建立在地球的自轉和公轉基礎之上。1967年的國際計量大會（CGDM）給出了新的秒定義：“秒是銫133（133Cs）原子在0K溫度基態的兩個超精細能級之間躍遷所對應輻射的9 個周期所持續的時間”，即“原子秒”（TAI）。目前常用的協調世界時實際上是經過閏秒調整的原子秒。

　　目前在國際基準和國家基準層面所使用的主要是銫原子鐘。銫原子鐘已從70年代的磁選態銫原子鐘發展到后來的光抽運銫原子鐘以及近期的冷原子噴泉銫原子鐘，原子秒的不確定度已經提高到2×10－15。中國計量科學研究院建立的冷原子噴泉銫原子鐘于2003年底通過了專家，其頻率復現性為5×10－15，已接近國際先進水平。目前商用的小銫鐘的頻率復現性已達到或優于5×10－13的水平。

　　其實，在應用層面上并不需要國家基準這樣高的時間和頻率準確度，不同的應用對準確度的要求是不同的。表1列舉了一些典型的應用對時間準確度的要求（這里所談的時間準確度是應用界面時間相對于協調世界時的誤差）。

　　1988年，ITU-R的前身國際無線電咨詢委員會（CCIR）明確提出產業界需要在全世界范圍內準確度優于1 μs的時間傳輸技術。但是，真正在工作層面上實現這樣的時間準確度并不是一件容易的事情，至少在目前還沒有很好地解決。

　　二、時間同步網絡技術

　　目前有若干種時間同步技術，每一種技術都各有特色，不同技術的時間同步準確度也有較大差異，如表2所示。

　　1.GPS時間同步技術

　　GPS時間同步技術是當前比較成熟并在國際上廣泛使用的時間同步技術。但是，該技術存在三個問題：，GPS系統受美國軍方控制，其Ｐ碼僅對美國軍方和授權用戶開放。民用C/A碼的時間同步精度比Ｐ碼低兩個數量級，而且其安全性沒有保障；第二，GPS信號通過無線方式傳輸，易受外界干擾；第三，GPS接收機的時刻信號是通過標準接口（如RS－232接口）輸出的，很多網上在用設備（如交換機）并沒有這種專用接口。與GPS技術類似的還有前蘇聯的GLANASS系統和我國的“北斗”系統。 GLANASS系統由于經濟原因，健康星的數量有限，穩定性和可靠性無法保障?！氨倍贰毕到y尚未民用，而且無法做到實時覆蓋。目前，歐洲實施的“伽里略”計劃將成為GPS的替代或備用系統。

　　2. 短波授時和長波授時時間同步技術

　　利用無線電發播信號授時已有至少80年的歷史，其覆蓋范圍廣，接收和發送設備相對簡單，價格相對低廉。與互聯網授時技術相比，該技術的優點是可以實時地校準本地時鐘。一般這種接收設備都具有IEEE－488、RS－232等標準接口，以便于連接。目前國內只有中科院陜西天文臺使用短波信號授時。國際上，長波授時主要使用羅蘭－Ｃ系統，國內發射臺設在沿海地區，主要用于和導航，尚不適合民用。

　　3.電話撥號時間同步技術

　　電話撥號授時（ACTS）使用的設備相對簡單，只需要電話線、模擬調制解調器、普通的個人計算機和簡單的用戶端軟件即可。同時，ACTS還提供反饋技術，它可以部分地抵消電話線的傳輸時延。目前這種技術主要用于校準個人計算機時間，若想用來校準其他本地設備時鐘還需要進一步開發設備的接口硬件以及相應的軟件。電話撥號授時不具備實時性，通常是免費的，用戶端軟件也可以通過互聯網免費下載。在國內，中國計量科學研究院和中科院陜西天文臺都提供這種授時服務。

　　4.互聯網時間同步技術

　　使用互聯網同步個人計算機的時間是十分方便的，目前國內外都免費提供這種服務。微軟公司已將網絡時間協議（NTP）嵌入到Windows xp操作系統中，只要計算機能聯到互聯網，就能進行遠程計算機時鐘校準。標準的NTP采用的是RFC 1350標準簡化的網絡時間協議（SNTP）采用的是RFC 1769標準。NTP協議包含一個64 bit的協調世界時時間戳，時間分辨率是200 ps，并可以提供1～50 ｍｓ的時間校準精度。NTP也可以估算往返路由的時延差，以減小時延差所引起的誤差。但實驗表明這種技術在洲際間的時間校準精度只能達到幾百毫秒，甚至只能達到秒的量級。其準確度和NTP服務器與用戶間的距離有關，一般在國內或區域內可以獲得1～50 ms的時間校準精度。目前國際上有幾百臺一級時間服務器提供這種時間同步服務，其中以美國國家標準技術研究院（NIST）的性能。

　　另外，還有兩個相對簡單的、低精度的互聯網時間協議：Time協議（RFC 868）和Daytime協議（RFC 867），可以提供1s校準精度的廣域網時間同步。

　　5.SDH網絡時間同步技術

　　早在10年前，國際上剛開始大規模建設SDH 或SONET網絡時，人們就提出利用SDH 或SONET網絡傳送高精度時間編碼信號。ITU-R S7組隨后正式立項研究，美國、歐洲、日本等國家和地區也進行了大量相關的研究。這種技術的主要原理是把與銫鐘同步的時間編碼信號嵌入到SDH 或SonET STM-N的復用段開銷（MSOH）的空閑字節，信息長度為5bit，其幀結構符合ITU-T G.708建議。因此，只要不阻斷MSOH信息，就可以實現長距離傳輸。該信息可以通過再生段，但是不能通過復用段。用SDH的STM-N信號傳送時間頻率信息的優點是對抖動的過濾能力強，不受支路指針調整的影響，因此，可以在STM-N端口之間實現時間信息的透明傳輸。

　　利用SDH網絡傳送標準時間的方法有單向法、雙向法和共視法。圖1是共視法的原理圖。共視法是將各節點的時鐘同時和標準時鐘進行比較，節點時鐘之間的時刻值誤差通過隨后的數據交換進行比較和修正。

　　STM-N傳輸時鐘信號具備穩定性和復現性，其中，2 000 km的時間傳送準確度小于100 ns，50 km的時間傳送準確度是10～50ps。但是，它的弱點是不能得到廣泛應用。

　　如何在2.048 Mbit/s端口實現時間信息傳輸需要進一步的研究，關鍵要克服復用和解復用過程中指針調整對時間信息的影響。指針調整是以單個字節為單位，一次調整會對支路信號產生8UI的相位躍變，這樣的支路信號在通過解同步電路后便會產生相位過渡過程，因而產生了支路單元輸出抖動。隨著SDH技術的逐步完善，可以采用自適應比特泄漏技術，使由指針調整產生的輸出相位抖動得到較大程度的抑制。

　　目前，信息產業部電信研究院承擔并完成的國家科技部項目“利用SDH網絡傳遞標準時間信號”已經在實驗室里實現了E1接口（2.048 Mbit/s）標準時間同步信號傳輸。其原理是把與協調世界時同步的時間編碼嵌入2.048 Mbit/s支路信號勤務開銷字節或某個固定的業務時隙，同時利用鎖相環和軟件濾波器濾除抖動，其時間同步的準確度優于5 μs。這樣的準確度已經可以為交換機、移動基站控制器等諸多設備或應用提供時間同步服務。進一步的實驗和改進有望提高同步精度。圖2是利用E1電路雙向法進行標準時間傳送實驗的原理圖。

　　假設A、B之間的2.048 Mbit/s數據流中有空閑時隙TSx，來自B的數據流通過從節點時，在空閑時隙x中寫入時間同步請求信息，然后經由SDH網絡傳送至時間同步主節點，主節點提取時隙ｘ中的時間同步請求，經過處理后經反方向的時隙ｘ回送到從節點，從節點獲得時間同步所需的必要信息，完成一次請求／應答過程。

　　三、建立全球或區域時間同步網存在的問題

　　主要的問題是用戶端設備（如交換機、基站控制器等）沒有合適的接口電路，致使用戶和GPS接收機、無線電授時接收機、NTP協議等無法相連。目前，已有一些制造商和運營商在研究交換機的接口電路，但由于交換機的制式繁多，進一步的改造尚須時日，而且對在用設備進行改造的成本也非常高。

　　時間同步網絡的標準化也是急需解決的問題，它和現有的同步網標準一樣包括網絡的技術指標、設備的技術指標以及接口的技術指標等。

　　基于計算機和工作站的時間同步在技術上已經沒有太大問題，如計費的后臺處理系統、網管系統等，可以通過互聯網的NTP方式進行時間同步，值得注意的是網絡的安全性問題，適當的軟件升級必不可少。

　　網絡時間同步

　　摘 要：首先對時間同步進行了背景介紹，然后討論了不同的時間同步網絡技術，指出了建立全球或區域時間同步網存在的問題。

　　一、概 述

　　在通信領域，“同步”概念是指頻率的同步，即網絡各個節點的時鐘頻率和相位同步，其誤差應符合標準的規定。目前，在通信網中，頻率和相位同步問題已經基本解決，而時間的同步還沒有得到很好的解決。時間同步是指網絡各個節點時鐘以及通過網絡連接的各個應用界面的時鐘的時刻和時間間隔與協調世界時（UTC）同步，最起碼在全國范圍內要和北京時間同步。時間同步網絡是保證時間同步的基礎，構成時間同步網絡可以采取有線方式，也可以采取無線方式。

　　時間的基本單位是秒，它是國際單位制（SI單位制）的七個基本單位之一。1967年以前，秒定義均建立在地球的自轉和公轉基礎之上。1967年的國際計量大會（CGDM）給出了新的秒定義：“秒是銫133（133Cs）原子在0K溫度基態的兩個超精細能級之間躍遷所對應輻射的9 個周期所持續的時間”，即“原子秒”（TAI）。目前常用的協調世界時實際上是經過閏秒調整的原子秒。

　　目前在國際基準和國家基準層面所使用的主要是銫原子鐘。銫原子鐘已從70年代的磁選態銫原子鐘發展到后來的光抽運銫原子鐘以及近期的冷原子噴泉銫原子鐘，原子秒的不確定度已經提高到2×10－15。中國計量科學研究院建立的冷原子噴泉銫原子鐘于2003年底通過了專家，其頻率復現性為5×10－15，已接近國際先進水平。目前商用的小銫鐘的頻率復現性已達到或優于5×10－13的水平。

　　其實，在應用層面上并不需要國家基準這樣高的時間和頻率準確度，不同的應用對準確度的要求是不同的。表1列舉了一些典型的應用對時間準確度的要求（這里所談的時間準確度是應用界面時間相對于協調世界時的誤差）。

　　1988年，ITU-R的前身國際無線電咨詢委員會（CCIR）明確提出產業界需要在全世界范圍內準確度優于1 μs的時間傳輸技術。但是，真正在工作層面上實現這樣的時間準確度并不是一件容易的事情，至少在目前還沒有很好地解決。

　　二、時間同步網絡技術

　　目前有若干種時間同步技術，每一種技術都各有特色，不同技術的時間同步準確度也有較大差異，如表2所示。

　　1.GPS時間同步技術

　　GPS時間同步技術是當前比較成熟并在國際上廣泛使用的時間同步技術。但是，該技術存在三個問題：，GPS系統受美國軍方控制，其Ｐ碼僅對美國軍方和授權用戶開放。民用C/A碼的時間同步精度比Ｐ碼低兩個數量級，而且其安全性沒有保障；第二，GPS信號通過無線方式傳輸，易受外界干擾；第三，GPS接收機的時刻信號是通過標準接口（如RS－232接口）輸出的，很多網上在用設備（如交換機）并沒有這種專用接口。與GPS技術類似的還有前蘇聯的GLANASS系統和我國的“北斗”系統。 GLANASS系統由于經濟原因，健康星的數量有限，穩定性和可靠性無法保障?！氨倍贰毕到y尚未民用，而且無法做到實時覆蓋。目前，歐洲實施的“伽里略”計劃將成為GPS的替代或備用系統。

　　2. 短波授時和長波授時時間同步技術

　　利用無線電發播信號授時已有至少80年的歷史，其覆蓋范圍廣，接收和發送設備相對簡單，價格相對低廉。與互聯網授時技術相比，該技術的優點是可以實時地校準本地時鐘。一般這種接收設備都具有IEEE－488、RS－232等標準接口，以便于連接。目前國內只有中科院陜西天文臺使用短波信號授時。國際上，長波授時主要使用羅蘭－Ｃ系統，國內發射臺設在沿海地區，主要用于和導航，尚不適合民用。

　　3.電話撥號時間同步技術

　　電話撥號授時（ACTS）使用的設備相對簡單，只需要電話線、模擬調制解調器、普通的個人計算機和簡單的用戶端軟件即可。同時，ACTS還提供反饋技術，它可以部分地抵消電話線的傳輸時延。目前這種技術主要用于校準個人計算機時間，若想用來校準其他本地設備時鐘還需要進一步開發設備的接口硬件以及相應的軟件。電話撥號授時不具備實時性，通常是免費的，用戶端軟件也可以通過互聯網免費下載。在國內，中國計量科學研究院和中科院陜西天文臺都提供這種授時服務。

　　4.互聯網時間同步技術

　　使用互聯網同步個人計算機的時間是十分方便的，目前國內外都免費提供這種服務。微軟公司已將網絡時間協議（NTP）嵌入到Windows xp操作系統中，只要計算機能聯到互聯網，就能進行遠程計算機時鐘校準。標準的NTP采用的是RFC 1350標準簡化的網絡時間協議（SNTP）采用的是RFC 1769標準。NTP協議包含一個64 bit的協調世界時時間戳，時間分辨率是200 ps，并可以提供1～50 ｍｓ的時間校準精度。NTP也可以估算往返路由的時延差，以減小時延差所引起的誤差。但實驗表明這種技術在洲際間的時間校準精度只能達到幾百毫秒，甚至只能達到秒的量級。其準確度和NTP服務器與用戶間的距離有關，一般在國內或區域內可以獲得1～50 ms的時間校準精度。目前國際上有幾百臺一級時間服務器提供這種時間同步服務，其中以美國國家標準技術研究院（NIST）的性能。

　　另外，還有兩個相對簡單的、低精度的互聯網時間協議：Time協議（RFC 868）和Daytime協議（RFC 867），可以提供1s校準精度的廣域網時間同步。

　　5.SDH網絡時間同步技術

　　早在10年前，國際上剛開始大規模建設SDH 或SONET網絡時，人們就提出利用SDH 或SONET網絡傳送高精度時間編碼信號。ITU-R S7組隨后正式立項研究，美國、歐洲、日本等國家和地區也進行了大量相關的研究。這種技術的主要原理是把與銫鐘同步的時間編碼信號嵌入到SDH 或SonET STM-N的復用段開銷（MSOH）的空閑字節，信息長度為5bit，其幀結構符合ITU-T G.708建議。因此，只要不阻斷MSOH信息，就可以實現長距離傳輸。該信息可以通過再生段，但是不能通過復用段。用SDH的STM-N信號傳送時間頻率信息的優點是對抖動的過濾能力強，不受支路指針調整的影響，因此，可以在STM-N端口之間實現時間信息的透明傳輸。

　　利用SDH網絡傳送標準時間的方法有單向法、雙向法和共視法。圖1是共視法的原理圖。共視法是將各節點的時鐘同時和標準時鐘進行比較，節點時鐘之間的時刻值誤差通過隨后的數據交換進行比較和修正。

　　STM-N傳輸時鐘信號具備穩定性和復現性，其中，2 000 km的時間傳送準確度小于100 ns，50 km的時間傳送準確度是10～50ps。但是，它的弱點是不能得到廣泛應用。

　　如何在2.048 Mbit/s端口實現時間信息傳輸需要進一步的研究，關鍵要克服復用和解復用過程中指針調整對時間信息的影響。指針調整是以單個字節為單位，一次調整會對支路信號產生8UI的相位躍變，這樣的支路信號在通過解同步電路后便會產生相位過渡過程，因而產生了支路單元輸出抖動。隨著SDH技術的逐步完善，可以采用自適應比特泄漏技術，使由指針調整產生的輸出相位抖動得到較大程度的抑制。

　　目前，信息產業部電信研究院承擔并完成的國家科技部項目“利用SDH網絡傳遞標準時間信號”已經在實驗室里實現了E1接口（2.048 Mbit/s）標準時間同步信號傳輸。其原理是把與協調世界時同步的時間編碼嵌入2.048 Mbit/s支路信號勤務開銷字節或某個固定的業務時隙，同時利用鎖相環和軟件濾波器濾除抖動，其時間同步的準確度優于5 μs。這樣的準確度已經可以為交換機、移動基站控制器等諸多設備或應用提供時間同步服務。進一步的實驗和改進有望提高同步精度。圖2是利用E1電路雙向法進行標準時間傳送實驗的原理圖。

　　假設A、B之間的2.048 Mbit/s數據流中有空閑時隙TSx，來自B的數據流通過從節點時，在空閑時隙x中寫入時間同步請求信息，然后經由SDH網絡傳送至時間同步主節點，主節點提取時隙ｘ中的時間同步請求，經過處理后經反方向的時隙ｘ回送到從節點，從節點獲得時間同步所需的必要信息，完成一次請求／應答過程。

　　三、建立全球或區域時間同步網存在的問題

　　主要的問題是用戶端設備（如交換機、基站控制器等）沒有合適的接口電路，致使用戶和GPS接收機、無線電授時接收機、NTP協議等無法相連。目前，已有一些制造商和運營商在研究交換機的接口電路，但由于交換機的制式繁多，進一步的改造尚須時日，而且對在用設備進行改造的成本也非常高。

　　時間同步網絡的標準化也是急需解決的問題，它和現有的同步網標準一樣包括網絡的技術指標、設備的技術指標以及接口的技術指標等。

　　基于計算機和工作站的時間同步在技術上已經沒有太大問題，如計費的后臺處理系統、網管系統等，可以通過互聯網的NTP方式進行時間同步，值得注意的是網絡的安全性問題，適當的軟件升級必不可少。