NTP網絡時鐘同步系統技術發展前景

NTP網絡時鐘同步系統技術發展前景

1、引言

作為數字通信網的基礎支撐技術，時鐘同步技術的發展演進始終受到通信網技術發展的驅動。在網絡方面，通信網從模拟發展到數字，從TDM網絡為主發展到以分組網絡為主；在業務方面，從以TDM話音業務為主發展到以分組業務為主的多業務模式，從固定話音業務為主發展到以固定和移動話音業務并重，從窄帶業務發展到寬帶業務等等。在與同步網相關性非常緊密的傳輸技術方面，從同軸傳輸發展到PDH，SDH，WDM和DWDM，以及最新的OTN和PTN技術。随着通信新業務和新技術的不斷發展，其同步要求越來越高，包括鐘源、鎖相環等基本時鐘技術經曆了多次更新換代，同步技術也在不斷地推陳出新，時間同步技術更是目前業界關注的焦點。

2、時鐘技術發展曆程

時鐘同步涉及的最基本技術包括鐘源技術和鎖相環技術，随着應用需求的不斷提高，技術、工藝的不斷改進，鐘源技術和鎖相環技術也得到了快速的演進和發展。

(1) 鐘源技術

時鐘振蕩器是所有數字通信裝置的基本部件，按照應用時間的先後，鐘源技術可分為普通晶體鐘、具有恒溫槽的高穩晶振、原子鐘、晶片級原子鐘。

一般晶體振蕩器精度在nE-5~nE-7之間，由于具有價格便宜、尺寸小、功耗低等諸多優點，晶體振蕩器在各個行業和領域中得到廣泛應用。然而，普通晶體鐘一般受環境溫度影響非常大，是以，後來出現了具有恒溫槽的晶體鐘，甚至具有雙恒溫槽的高穩晶體鐘，其性能得到很大改善。随着通信技術的不斷發展，對時鐘精度和穩定性提出了更高的要求，晶體鐘源已經難以滿足要求，原子鐘技術開始得到應用，铷鐘和铯鐘是其中最有代表性的原子鐘。一般來說，铷鐘的精度能達到或優于nE-10的量級，而铯鐘則能達到或優于1E-12的量級。

然而，由于尺寸大、功耗高、壽命短，限制了原子鐘在一些領域的應用，晶片級原子鐘有望解決這個難題。目前民用的晶片級原子鐘基本上處于試驗階段，其尺寸隻有立方厘米量級，耗電隻有百毫瓦量級，不消耗原子，延長了使用壽命，時鐘精度在nE-10量級以上，具有很好的穩定性。晶片級原子鐘将在通信、交通、電力、金融、國防、航空航天以及精密測量等領域有着廣泛的應用前景。

(2) 鎖相環技術

鎖相環技術是一種使輸出信号在頻率和相位上與輸入信号同步的電路技術，即當系統利用鎖相環技術進入鎖定狀态或同步狀态後，系統的震蕩器輸出信号與輸入信号之間相差為零，或者保持為常數。鎖相環路技術是時鐘同步的核心技術，它經曆了模拟鎖相環路技術和數字鎖相環路技術的時代，直至發展到今天的智能鎖相環路技術。

模拟鎖相環的各個部件都是由模拟電路實作，一般由鑒相器、環路濾波器、壓控振蕩器等3部分組成，其中鑒相器用來鑒别輸入信号與輸出信号之間的相位差 ，并輸出電壓誤差，其噪聲和幹擾成分被低通性質的環路濾波器濾除，形成壓控振蕩器的控制電壓，其作用于壓控振蕩器的結果是把它的輸出振蕩頻率拉向環路輸入信号頻率，當二者相等時，即完成鎖定。

與模拟鎖相環相比，數字鎖相環中的誤差控制信号是離散的數字信号，而不是模拟電壓，是以受控的輸出電壓的改變是離散的而不是連續的。另外，環路組成部件也全用數字電路實作，改善了模拟鎖相環穩定性差的問題。随着數字技術的發展，出現了智能鎖相環路技術，即直接數字頻率合成(DDS—Digital Direct Frequency Synthesis)技術。智能全數字鎖相環在單片FPGA中就可以實作。借助鎖相環狀态監測電路，通過CPU可以縮短鎖相環鎖定時間，并逐漸改進其輸出頻率的抖動特性，達到最佳的鎖相和頻率輸出效果。

3、同步技術現狀分析

同步技術包括頻率同步技術和時間同步技術兩個方面，其中頻率同步技術比較成熟不再贅述，下面将就通信領域對時間同步的需求和在通信領域中得到應用的現有時間同步技術展開分析。

3.1 時間同步需求

時間同步在通信領域中有着越來越廣泛的需求，各種通信系統對時間同步的需求可分為高精度時間需求（微秒級和納秒級）和普通精度時間需求（毫秒級和秒級）。

（1）高精度時間需求

對于CDMA基站和cdma2000基站，時間同步的要求是10μs；對于TD-SCDMA基站，時間同步的要求是3μs；對于WiMAX系統和LTE，時間同步的要求是1μs 甚至亞微秒量級，這就要求時間同步服務等級需達到100ns量級。如果基站與基站之間的時間同步不能達到上述要求，将可能導緻在選擇器中發生指令不比對，導緻通話連接配接不能正常建立。

對于3G網絡中基于位置定位的服務，若是利用手機接收附近多個基站發送的無線信号進行定位，則要求基站必須是時間同步的。一般來說10ns的時間同步誤差将引起數米的位置定位誤差，不同精度的位置服務要求的時間精度也不相同。

（2）普通精度時間需求

對于No.7信令監測系統，為避免因信令出現先後順序的錯誤而産生虛假資訊，必須要求所有信令流的時間資訊是準确無誤的，時間同步的要求是1ms。對于各種交換網絡的計費系統，為避免交換機之間大的時間偏差可能會導緻出現有互相沖突的話單，時間同步的要求是0.5s。對于各種業務的網管系統，為有效分析出故障的源頭及引起的後果，進行故障定位和查找故障原因，時間同步的要求是0.5s。

對于基于IP網絡的流媒體業務中RSTP，它是為流媒體實作多點傳送和以點播方式單一傳送提供健壯的協定，RTSP采用了時間戳方法來保證流媒體業務的QoS。對于基于IP網絡的電子商務等，為保障SSL協定的安全性，采用“時間戳”方式來解決“資訊重傳”的攻擊方法，其對時間同步的要求至少是0.1s左右。通信網絡中大量的基于計算機的裝置及應用系統（例如移動營業系統、綜合查詢系統、客服系統等）普遍支援NTP，時間同步的要求在秒級或者分鐘級。

3.2 現有時間同步技術

針對不同精度的時間同步需求，在通信網中主要應用了以下幾種時間同步技術：

(1) IRIG-B(Inter Range Instrumentation Group)和DCLS (DC Level Shift)

IRIG編碼源于為錄音帶記錄時間資訊，帶有明顯的模拟技術色彩，從20世紀50年代起就作為時間傳遞标準而獲得廣泛應用。IRIG-A和IRIG-B都是于1956年開發的，它們的原理相同，隻是采用的載頻頻率不同，故其分辨率也不一樣。IRIG-B采用1kHz的正弦波作為載頻進行幅度調制，對最近的秒進行編碼。IRIG-B的幀内包括的内容有天、時、分、秒及控制資訊等，可以用普通的雙絞線在樓内傳輸，也可在模拟電話網上進行遠距離傳輸。到了20世紀90年代，為了适應世紀交替對年份表示的需要，IEEE 1344-1995規定了IRIG-B時間碼的新格式，要求編碼中還包括年份，其它方面沒有改變。

DCLS是IRIG碼的另一種傳輸碼形，即用直流電位來攜帶碼元資訊，等效于IRIG調制碼的包絡。DCLS技術比較适合于雙絞線局内傳輸，在利用該技術進行局間傳送時間時，需要對傳輸系統介入的固定時延進行人工補償，IRIG的精度通常隻能達到10微秒量級。

(2) NTP(Network Time Protocal)

在計算機網絡中傳遞時間的協定主要有時間協定(Time Protocol)、日時協定(Daytime Protocol)和網絡時間協定(NTP)3種。另外，還有一個僅用于使用者端的簡單網絡時間協定 (SNTP)。網上的時間伺服器會在不同的端口上連續的監視使用以上協定的定時要求，并将相應格式的時間碼發送給客戶。在上述幾種網絡時間協定中，NTP協定最為複雜，所能實作的時間準确度相對較高。在RFC-1305中非常全面地規定了運作NTP的網絡結構、資料格式、伺服器的認證以及權重、過濾算法等。NTP技術可以在區域網路和廣域網中應用，精度通常隻能達到毫秒級或秒級。

近幾年來還出現了改進型NTP。與傳統的NTP不同，改進型NTP在實體層産生和處理時戳标記，這需要對現有的NTP接口進行硬體改造。改進型NTP依舊采用NTP協定的算法，可以與現有NTP接口實作互通。與原有NTP相比，其時間精度可以得到大幅度提升。目前支援改進型NTP的裝置還較少，其精度和适用場景等還有待進一步研究。改良行NTP号稱能達到十微秒量級。

(3) 1PPS(1 Pulse per Second)及串行口ASCII字元串

秒脈沖信号，不包含時刻資訊，但其上升沿标記了準确的每秒的開始，通常用于本地測試，也可用于局内時間配置設定。通過RS232/RS422串行通訊口，将時間資訊以ASCII碼字元串方式進行編碼，波特率一般為9600bit/s，精度不高，通常還需同時利用1PPS信号。由于串行口ASCII字元串目前沒有統一的标準，不同廠家裝置間無法實作互通，故該方法應用範圍較小。到2008年，中國移動規定了1PPS+ToD接口的規範，ToD資訊采用二進制協定。1PPS+ToD技術可用于局内時間傳送，需要人工補償傳輸時延，其精度通常隻能達到100ns量級，但不能實作遠距離的局間傳送。

(4) PTP(Precision Time Protocal)

PTP與NTP的實作原理均是基于雙向對等的傳輸時延，最大的不同是時間标簽的産生和處理環節。PTP通過實體層的時戳标記來獲得遠高于NTP的時間精度。基于IEEE-1588的PTP技術原先用于需要嚴格時序配合的工業控制，為了順應通信網中對高精度時間同步需求的快速增長，IEEE-1588從原先的版本1發展到版本2，并且已在同步裝置上、光傳輸裝置上、3G基站裝置上得到應用。

在我國，PTP技術主要是基于光傳輸系統實作高精度時間傳送的，國内營運商在最近幾年中開展了通過地面傳輸系統傳送高精度時間的研究，在實驗室及現網上進行了大量的試驗，并取得了一定的成果，已超過了國外相關方面的研究水準。目前國内已在一定規模的網絡環境下實作了PTP局間時間傳送，精度能達到微秒級。

4、同步新技術展望

相對于成熟的頻率同步技術，以PTP技術為引領的時間同步技術嶄露頭角。新興的時間同步與現有的頻率同步彼此相對獨立，但從長遠來看，頻率同步與時間同步的統一是發展的必然趨勢，為此，本文在這裡推出了通用定時接口技術和光纖時間同步網這一概念，作為抛磚引玉供讀者探讨。

在ITU-T J.211标準中規定了一種新型的定時接口，即DTI（DOCSIS Timing Interface）。DTI應用于有線電纜網絡，通過協定互動方式，在一根電纜線上同時實作頻率和時間同步。DTI基本工作原理是：伺服器與用戶端之間采用一根DTI電纜進行連接配接，伺服器在擷取精确時間戳和基準頻率信号後，校正本地時鐘并向下遊DTI用戶端輸出DTI信号，在一根DTI電纜的伺服器和用戶端兩側，通過乒乓（ping-pong）機制無間斷地發送和接受DTI封包，進而實作DTI用戶端與伺服器之間的同步。DTI利用RJ45接口的1、2管腳進行收發協定的乒乓傳輸，以最大限度地減少兩個方向傳輸的時延不對稱性引入的時間誤差，并最大限度地減少串擾。随着技術的不斷發展，DTI技術将逐漸應用于通信領域，即通用定時接口技術。

通用定時接口技術可直接應用于一根光纖（而不是光傳輸系統）上，實作數十公裡的無中繼傳送。随着技術的不斷發展，采用級聯方式可以實作數百公裡甚至上千公裡的傳送，而且還可以真正地實作百納秒甚至更高量級時間精度的傳送。相關實驗表明，在80km的光纖上已經可以實作10ns以内的時間傳送。對于直接基于光纖傳送的通用定時接口技術，可以避免傳統的基于光傳輸系統的時間傳送技術帶來的不對等性影響。而且，在采用單纖雙向傳輸技術後，通用定時接口技術可以自動監測并計算出單向傳播時延，實作時延的自動補償，進而解決了傳統的基于光傳輸系統的時間傳送技術難以實作的時延自動補償問題。

通用定時接口技術另外一個優勢就是能同時提供統一的時間和頻率同步，可以很好地相容現有的頻率同步網和時間同步網，以及相容現有通信網中所有需同步的系統與裝置。我國傳統的頻率同步網隻能溯源到各營運商獨立運作的铯原子鐘，未來幾年内的時間同步網隻能通過衛星授時接收機溯源到UTC。如果采用通用定時接口技術，即便是在時間信号溯源到衛星授時系統時，在衛星接收機天饋線時延補償應用方面，也可以實作自動時延補償。具體而言，時間源頭裝置的衛星接收機天饋線部分會引入固定時延；對于不同型号不同長度的天饋線，其時延無法按照統一的經驗值（例如4～5ns/米）進行補償，尤其在串接了避雷器、放大器、配置設定器、連接配接器後，時延誤差更加難以控制。如果在蘑菇頭和衛星接收機之間采用具有自動時延補償的通用定時接口技術，則可以有效保證時間源頭裝置的同步精度。然而，基于光纖并采用通用定時接口技術，還可以将現有的頻率基準和時間基準溯源到地面的國家級時頻基準上，以至于根本上擺脫對衛星授時系統的依賴。進而實作可同時提供高可靠、高品質時間和頻率服務的光纖時間同步網。

有關通用定時接口技術和光纖時間同步網技術的标準化和具體實作還有待進一步研究。

5 結束語

綜上所述，微型化、低功率晶片級原子鐘的出現，無疑是時鐘技術領域的一次劃時代而具有沖擊力的大革命；而通用定時接口技術、光纖時間同步網技術的推出，也為同步網技術的發展注入了新的生命力。鑒于我國在高精度時間同步方面的研究已走在國際前列，後續應在同步新技術方面積極開展研究。