北斗時鐘系統(tǒng),GPS時鐘同步系統(tǒng)

北斗時鐘系統(tǒng),GPS時鐘同步系統(tǒng)

　　北斗時鐘系統(tǒng),GPS時鐘同步系統(tǒng)

　　網(wǎng)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(wǎng)絡技術，指出了建立全球或區(qū)域時間同步網(wǎng)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(wǎng)絡各個節(jié)點的時鐘頻率和相位同步，其誤差應符合標準的規(guī)定。目前，在通信網(wǎng)中，頻率和相位同步問題已經(jīng)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(wǎng)絡各個節(jié)點時鐘以及通過網(wǎng)絡連接的各個應用界面的時鐘的時刻和時間間隔與協(xié)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(wǎng)絡是保證時間同步的基礎，構成時間同步網(wǎng)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(tài)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(xù)的時間”，即“原子秒”（TAI）。目前常用的協(xié)調世界時實際上是經(jīng)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(tài)銫原子鐘發(fā)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(jīng)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(xiàn)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(xiàn)性已達到或優(yōu)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(xié)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(chǎn)業(yè)界需要在全世界范圍內準確度優(yōu)于1 μs的時間傳輸技術。但是，真正在工作層面上實現(xiàn)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(wǎng)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(tǒng)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(shù)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(wǎng)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(lián)的GLANASS系統(tǒng)和我國的“北斗”系統(tǒng)。 GLANASS系統(tǒng)由于經(jīng)濟原因，健康星的數(shù)量有限，穩(wěn)定性和可靠性無法保障。“北斗”系統(tǒng)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(tǒng)。

　　2. 短波授時和長波授時時間同步技術

　　利用無線電發(fā)播信號授時已有至少80年的歷史，其覆蓋范圍廣，接收和發(fā)送設備相對簡單，價格相對低廉。與互聯(lián)網(wǎng)授時技術相比，該技術的優(yōu)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(tǒng)，國內發(fā)射臺設在沿海地區(qū)，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(fā)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(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)時間同步技術

　　使用互聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡時間協(xié)議（NTP）嵌入到Windows xp操作系統(tǒng)中，只要計算機能聯(lián)到互聯(lián)網(wǎng)，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(wǎng)絡時間協(xié)議（SNTP）采用的是RFC 1769標準。NTP協(xié)議包含一個64 bit的協(xié)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(qū)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(lián)網(wǎng)時間協(xié)議：Time協(xié)議（RFC 868）和Daytime協(xié)議（RFC 867），可以提供1s校準精度的廣域網(wǎng)時間同步。

　　5.SDH網(wǎng)絡時間同步技術

　　早在10年前，國際上剛開始大規(guī)模建設SDH 或SONET網(wǎng)絡時，人們就提出利用SDH 或SONET網(wǎng)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(qū)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(jié)，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(xiàn)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(yōu)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(xiàn)時間信息的透明傳輸。

　　利用SDH網(wǎng)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(jié)點的時鐘同時和標準時鐘進行比較，節(jié)點時鐘之間的時刻值誤差通過隨后的數(shù)據(jù)交換進行比較和修正。

　　STM-N傳輸時鐘信號具備穩(wěn)定性和復現(xiàn)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(xiàn)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(jié)為單位，一次調整會對支路信號產(chǎn)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(chǎn)生相位過渡過程，因而產(chǎn)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(chǎn)生的輸出相位抖動得到較大程度的抑制。

　　目前，信息產(chǎn)業(yè)部電信研究院承擔并完成的國家科技部項目“利用SDH網(wǎng)絡傳遞標準時間信號”已經(jīng)在實驗室里實現(xiàn)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(xié)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(jié)或某個固定的業(yè)務時隙，同時利用鎖相環(huán)和軟件濾波器濾除抖動，其時間同步的準確度優(yōu)于5 μs。這樣的準確度已經(jīng)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(shù)據(jù)流中有空閑時隙TSx，來自B的數(shù)據(jù)流通過從節(jié)點時，在空閑時隙x中寫入時間同步請求信息，然后經(jīng)由SDH網(wǎng)絡傳送至時間同步主節(jié)點，主節(jié)點提取時隙ｘ中的時間同步請求，經(jīng)過處理后經(jīng)反方向的時隙ｘ回送到從節(jié)點，從節(jié)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(qū)域時間同步網(wǎng)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(xié)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(wǎng)絡的標準化也是急需解決的問題，它和現(xiàn)有的同步網(wǎng)標準一樣包括網(wǎng)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(jīng)沒有太大問題，如計費的后臺處理系統(tǒng)、網(wǎng)管系統(tǒng)等，可以通過互聯(lián)網(wǎng)的NTP方式進行時間同步，值得注意的是網(wǎng)絡的安全性問題，適當?shù)能浖壉夭豢缮佟?/p>

　　網(wǎng)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(wǎng)絡技術，指出了建立全球或區(qū)域時間同步網(wǎng)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(wǎng)絡各個節(jié)點的時鐘頻率和相位同步，其誤差應符合標準的規(guī)定。目前，在通信網(wǎng)中，頻率和相位同步問題已經(jīng)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(wǎng)絡各個節(jié)點時鐘以及通過網(wǎng)絡連接的各個應用界面的時鐘的時刻和時間間隔與協(xié)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(wǎng)絡是保證時間同步的基礎，構成時間同步網(wǎng)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(tài)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(xù)的時間”，即“原子秒”（TAI）。目前常用的協(xié)調世界時實際上是經(jīng)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(tài)銫原子鐘發(fā)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(jīng)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(xiàn)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(xiàn)性已達到或優(yōu)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(xié)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(chǎn)業(yè)界需要在全世界范圍內準確度優(yōu)于1 μs的時間傳輸技術。但是，真正在工作層面上實現(xiàn)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(wǎng)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(tǒng)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(shù)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(wǎng)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(lián)的GLANASS系統(tǒng)和我國的“北斗”系統(tǒng)。 GLANASS系統(tǒng)由于經(jīng)濟原因，健康星的數(shù)量有限，穩(wěn)定性和可靠性無法保障?！氨倍贰毕到y(tǒng)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(tǒng)。

　　2. 短波授時和長波授時時間同步技術

　　利用無線電發(fā)播信號授時已有至少80年的歷史，其覆蓋范圍廣，接收和發(fā)送設備相對簡單，價格相對低廉。與互聯(lián)網(wǎng)授時技術相比，該技術的優(yōu)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(tǒng)，國內發(fā)射臺設在沿海地區(qū)，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(fā)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(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)時間同步技術

　　使用互聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡時間協(xié)議（NTP）嵌入到Windows xp操作系統(tǒng)中，只要計算機能聯(lián)到互聯(lián)網(wǎng)，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(wǎng)絡時間協(xié)議（SNTP）采用的是RFC 1769標準。NTP協(xié)議包含一個64 bit的協(xié)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(qū)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(lián)網(wǎng)時間協(xié)議：Time協(xié)議（RFC 868）和Daytime協(xié)議（RFC 867），可以提供1s校準精度的廣域網(wǎng)時間同步。

　　5.SDH網(wǎng)絡時間同步技術

　　早在10年前，國際上剛開始大規(guī)模建設SDH 或SONET網(wǎng)絡時，人們就提出利用SDH 或SONET網(wǎng)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(qū)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(jié)，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(xiàn)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(yōu)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(xiàn)時間信息的透明傳輸。

　　利用SDH網(wǎng)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(jié)點的時鐘同時和標準時鐘進行比較，節(jié)點時鐘之間的時刻值誤差通過隨后的數(shù)據(jù)交換進行比較和修正。

　　STM-N傳輸時鐘信號具備穩(wěn)定性和復現(xiàn)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(xiàn)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(jié)為單位，一次調整會對支路信號產(chǎn)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(chǎn)生相位過渡過程，因而產(chǎn)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(chǎn)生的輸出相位抖動得到較大程度的抑制。

　　目前，信息產(chǎn)業(yè)部電信研究院承擔并完成的國家科技部項目“利用SDH網(wǎng)絡傳遞標準時間信號”已經(jīng)在實驗室里實現(xiàn)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(xié)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(jié)或某個固定的業(yè)務時隙，同時利用鎖相環(huán)和軟件濾波器濾除抖動，其時間同步的準確度優(yōu)于5 μs。這樣的準確度已經(jīng)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(shù)據(jù)流中有空閑時隙TSx，來自B的數(shù)據(jù)流通過從節(jié)點時，在空閑時隙x中寫入時間同步請求信息，然后經(jīng)由SDH網(wǎng)絡傳送至時間同步主節(jié)點，主節(jié)點提取時隙ｘ中的時間同步請求，經(jīng)過處理后經(jīng)反方向的時隙ｘ回送到從節(jié)點，從節(jié)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(qū)域時間同步網(wǎng)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(xié)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(wǎng)絡的標準化也是急需解決的問題，它和現(xiàn)有的同步網(wǎng)標準一樣包括網(wǎng)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(jīng)沒有太大問題，如計費的后臺處理系統(tǒng)、網(wǎng)管系統(tǒng)等，可以通過互聯(lián)網(wǎng)的NTP方式進行時間同步，值得注意的是網(wǎng)絡的安全性問題，適當?shù)能浖壉夭豢缮佟?/p>