1、問題的描述和分析
目前通信網(wǎng)中的各種設(shè)備之間的時間誤差非常大。通信網(wǎng)的計費,運營管理,事件記錄和故障判別需要統(tǒng)一的時間標(biāo)準(zhǔn)。
現(xiàn)代通信網(wǎng)設(shè)備日益采用計算機平臺,日益IP化。采用軟交換技術(shù),時間同步采用TCP/IP時間協(xié)議NTP協(xié)議成為趨勢。
通信網(wǎng)內(nèi)獲得時間同步,要按照不同精度要求和穩(wěn)定要求選擇時間源,選擇合適的時間傳輸技術(shù)和校準(zhǔn)方法。
2、時間源的選擇
現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)時間源是原子鐘。原子鐘是原子頻率的簡稱,是根據(jù)原子物理學(xué)和量子力學(xué)原理制造的高準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定度的振蕩器。物理原理是原子躍遷頻率只取決于其內(nèi)部特征而與外界電磁場無關(guān),可以利用量子躍遷實現(xiàn)頻率控制。
因為原子鐘振蕩頻率存在著系統(tǒng)的和隨機誤差,人們通常采用一組原子鐘,用統(tǒng)計方法構(gòu)成一個“平均原子鐘”,取得原子時?,F(xiàn)在國際原子時由50多個原子鐘計算得到。
按照廣義相對論四維時空框架,世界各國的原子鐘按照規(guī)定的方法進行相互比對,其數(shù)據(jù)再由專門的國際機構(gòu)進行處理,求出全世界統(tǒng)一的國際原子時(IAT)。UTC(Coordinated Universal Time協(xié)調(diào)世界時)是一個復(fù)合的時間標(biāo)度,由原子鐘驅(qū)動的時間標(biāo)度和地球旋轉(zhuǎn)速率為基準(zhǔn)的時間標(biāo)度組成。UTC時間可由國內(nèi)計量標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星得到。
銫原子鐘有很高的準(zhǔn)確度,穩(wěn)定度和均勻度,準(zhǔn)確度達到±3×10-15,長期穩(wěn)定度±2×10-15,因此成為現(xiàn)代最高標(biāo)準(zhǔn)時間源,銣原子鐘穩(wěn)定性不夠,但是成本低,GPS可校正銣原子鐘,二者配合使用。
我國電信系統(tǒng)采用的時間源有兩種,一個是國內(nèi)的原子時間源,在武漢和北京的銫原子鐘,一個是GPS。全球定位系統(tǒng)GPS是美國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng), GPS發(fā)送美國海軍天文臺的UTC(USTU),為全世界用戶提供時間服務(wù),美國海軍天文臺的UTC由20多個銫原子鐘形成,這種時間源完全能夠達到電信網(wǎng)內(nèi)各種設(shè)備時間同步的精度要求。GPS時鐘與地面鐘不同,要考慮狹義相對論中的衛(wèi)星和接收機相對于地心慣性坐標(biāo)系移動的校正,和廣義相對論中衛(wèi)星和接收機引力周期變化的校正,以使用戶更準(zhǔn)確的得到時間。
3、授時技術(shù)的選擇
授時服務(wù)為國家計量機構(gòu)提供,為用戶提供3種信息:日期和時刻,精密的時間間隔,標(biāo)準(zhǔn)頻率。在我國可以主要得到下面授時信號。
(1)地面無線電波授時:國內(nèi)有BPM短波授時和BPL長波授時。都有精度高,覆蓋大的優(yōu)點,如圖1所示。
圖1 地面無線電波授時
(2)衛(wèi)星授時
GPS導(dǎo)航系統(tǒng):提供的時間信號對世界協(xié)調(diào)時跟蹤,精度優(yōu)于100 ns。GPS全球覆蓋,接收設(shè)備體積小,可以接收6顆衛(wèi)星信號,可用來提供2.048 Mbit/s基準(zhǔn)時間信號。
俄羅斯的GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng):目前系統(tǒng)未完成完善,接收設(shè)備商業(yè)化不夠。
中國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng):精度達到50 ns,目前覆蓋中國,同步衛(wèi)星信號接收設(shè)備體積較大,系統(tǒng)還未建成。
(3)網(wǎng)絡(luò)授時:通過互聯(lián)網(wǎng)授時。使用NTP(Network Time Protocol,網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議,RFC1305)。
(4)電話授時:通過公共電話網(wǎng),用戶用調(diào)制解調(diào)器接首時間信號。
(5)電視授時:通過電視網(wǎng)授時。
(6)電信有線傳輸網(wǎng)授時
表1是授時精度比較
表1 授時精度比較
從表1比較看出,無論是精度,還是覆蓋范圍來看,以衛(wèi)星授時最佳,采用美國GPS系統(tǒng)較佳。GPS得到比較好的維護,可靠,終端商業(yè)化。在通信網(wǎng)中GPS要與各級原子鐘主備用。
4、NTP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)時間同步
隨著通信網(wǎng)日益IP化,通過IP網(wǎng)絡(luò),使用NTP(Network Time Protocol,網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議,RFC1305)修正通信系統(tǒng)內(nèi)部時間。
NTP采用客戶機/服務(wù)器模型,NTP服務(wù)器端口等待發(fā)送到此端口的UDP報文,響應(yīng)其他設(shè)備作為客戶機向NTP服務(wù)器發(fā)送請求,發(fā)送32位整數(shù)表示的當(dāng)前時間報文、計算精確度和穩(wěn)定度的信息,客戶端接受信息后調(diào)整本地時間。
RFC1305屬于TCP/IP協(xié)議族,這種協(xié)議傳送時間的要點是取得傳送的時間延遲并進行延遲補償,協(xié)議的傳輸延時與時間偏差計算方式是一種實時的動態(tài)機制,采用Filtering和Selection算法,包括Clock-Filter算法,interval-intersection算法,clustering算法??蛻舳丝梢院蛶讉€時間服務(wù)器對時,用算法過濾來自不同服務(wù)器的時間,選擇最佳的路徑和來源來校正時間。每一個時間報文內(nèi)包含最近一次的事件的時間信息、包括上次事件的發(fā)送與接收時間、傳遞現(xiàn)在事件的當(dāng)?shù)貢r間、及此包的接收時間。在收到上述報文后即可計算出時間的偏差量與傳遞報文的時間延遲。僅從一個時間服務(wù)器獲得校時信息,不能校正通訊過程所造成的時間偏差,而同時與許多時間服務(wù)器通信校時,就可利用算法找出相對較可靠的時間來源,然后采用它的時間來校時。時間服務(wù)器用算法將先前8個校時報文計算出時間參考值,以時間參考值判斷后續(xù)校時包的精確性,如果后續(xù)有相對較高的離散程度,表示這個對時報文的可信度比較低。
時間服務(wù)器可以利用以下3類工作方式:
symmetric:時間服務(wù)器可以從遠端時間服務(wù)器獲取時鐘,也可提供時間信息給遠端的時間服務(wù)器。此一方式適用于配置多個時間服務(wù)器,可以提供更高的時間精確度給客戶。
Client/server:局域網(wǎng)的環(huán)境,時間服務(wù)器接收上級時間服務(wù)器的時間信息,并提供時間信息給下層的用戶。
broadcast:局域網(wǎng)的環(huán)境,時間服務(wù)器以廣播的方式周期性地將時間信息傳送給其他時間服務(wù)器,其時間僅會有少許的延遲,配置簡單,精確度并不高。
最高時間服務(wù)器要以高精度時鐘參考,一般是GPS信號。國際互聯(lián)網(wǎng)的NTP時標(biāo)以UTC時標(biāo)為基礎(chǔ),以1972年1月1日0時起,這個時間 NTP計為2272060800s(以1900年1月1日0時為起點),例如UTC時間的1990年12月 31日23:59:59,NTP時標(biāo)為 2871590399s。如果構(gòu)建用戶自己的NTP授時網(wǎng),可以自己選擇起點,中國科學(xué)院國家授時中心以1999年12月31日起。
RFC1305規(guī)定系統(tǒng)配置一套最高15層服務(wù)器的系統(tǒng),每層時間服務(wù)器的精度以Stratum定義,Stratum1時鐘精度大約比授時信號差10倍,按照系統(tǒng)和設(shè)備時間精度需求,選擇級別和傳輸技術(shù)。
TCP/IP協(xié)議族另有Daytime協(xié)議(RFC867)、Time協(xié)議(RFC868)與NTP配合。SNTP協(xié)議(RFC2030)是NTP的簡化版本,沒有NTP復(fù)雜的算法,一般在windows上的實現(xiàn),如圖2所示。
圖2 NTP結(jié)構(gòu)圖
安全機制:使用了驗證(Authentication)機制,檢查來對時的信息是否是真正來自所宣稱的服務(wù)器并檢查報文的返回路徑,以對抗攻擊,但是加密算法要求計算機性能比較高,并影響時間精確度。
5、通信網(wǎng)內(nèi)采用NTP網(wǎng)絡(luò)授時的組網(wǎng)方案
電信網(wǎng)中可以采用精度較高的有線傳輸方式(SDH,DCN、DDN等)來傳播時間信息。運營商的DCN是省內(nèi)互聯(lián)電信運營管理系統(tǒng)的TCP/IP專用網(wǎng)絡(luò),比較方便在其上建立時間同步網(wǎng)。
采用NTP網(wǎng)絡(luò)授時,參照中國科學(xué)院國家授時中心建的網(wǎng)絡(luò)授時系統(tǒng)數(shù)據(jù),廣域網(wǎng)定時精度300 ms,局域網(wǎng)<15 ms級。一個省電信網(wǎng)有8~10個本地網(wǎng)有Stratum 1服務(wù)器,其他地市用Stratum 2級時間服務(wù)器。本地網(wǎng)級的Stratum 1時間服務(wù)器之間互相聯(lián)網(wǎng),以symmetric方式互相校時,避免GPS時間源出故障造成中斷,還可以達到更高精度。Stratum 1時間服務(wù)器對下級采用client/server方式。
Stratum 1時間服務(wù)器取得GPS時間信號和其他授時方式時間信號,比如其他導(dǎo)航衛(wèi)星,短波,長波方式,互為備用。上下級Stratum采用DCN相連或?qū)>€相連,保持穩(wěn)定相連。各級時間服務(wù)器把時間信號發(fā)到各個通信設(shè)備,如圖3所示。
圖3 省內(nèi)電信時間同步網(wǎng)
參考商用產(chǎn)品測試指標(biāo),Stratum 1授時精度達到1~10 ms,估計Stratum 2訪問Stratum 1達到10-100 ms,Stratum 3達到100 ms-1 s,整個時間網(wǎng)絡(luò)分2-3級,達到100 ms級,滿足電信網(wǎng)秒級精度要求。
如果要求更高時間精度,例如信令分析,在電信網(wǎng)中用DDN專線傳輸時間信號,精度達到1~10 ms。
6、時間服務(wù)器選擇
Stratum 1時間精度決定于時間源和硬件接口,如果采用原子鐘和高速接口可以達到10 ms內(nèi)。Stratum 1時間服務(wù)器要在計算機上直接插入PCI總線定時板卡用于接收和維持時間信息,就可以直接連接并同步到標(biāo)準(zhǔn)時間源上——例如GPS或短波接收機,它們可以獨立維持時間而不受主機操作的影響;板卡上的晶體振蕩器有足夠的精確度。精度要求較高的,例如信令分析,采用GPS與較便宜的銣原子鐘配合。 WINDOWS 2000或UNIX系統(tǒng)作為時間服務(wù)器。根據(jù)客戶端數(shù)量,校準(zhǔn)頻率和加密處理來選擇服務(wù)器性能配置。
7、通信設(shè)備內(nèi)部時間源
通信設(shè)備也要采取措施提高時間源精度和穩(wěn)定度。選擇合適振蕩器級別。
表2 振蕩Stratum級別
Stratum 1:國家級時鐘源,GPS時間
Stratum 2:長途交換和長途傳輸系統(tǒng)
Stratum 3:本地交換和本地傳輸系統(tǒng)
Stratum 4:用戶交換機