時(shí)鐘同步技術(shù)概述

1 引言

　　作為數(shù)字通信網(wǎng)的基礎(chǔ)支撐技術(shù)，時(shí)鐘同步技術(shù)的發(fā)展演進(jìn)始終受到通信網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)。在網(wǎng)絡(luò)方面，通信網(wǎng)從模擬發(fā)展到數(shù)字，從TDM網(wǎng)絡(luò)為主發(fā)展到以分組網(wǎng)絡(luò)為主;在業(yè)務(wù)方面，從以TDM話音業(yè)務(wù)為主發(fā)展到以分組業(yè)務(wù)為主的多業(yè)務(wù)模式，從固定話音業(yè)務(wù)為主發(fā)展到以固定和移動(dòng)話音業(yè)務(wù)并重，從窄帶業(yè)務(wù)發(fā)展到寬帶業(yè)務(wù)等等。在與同步網(wǎng)相關(guān)性非常緊密的傳輸技術(shù)方面，從同軸傳輸發(fā)展到PDH，SDH，WDM和DWDM，以及最新的OTN和PTN技術(shù)。隨著通信新業(yè)務(wù)和新技術(shù)的不斷發(fā)展，其同步要求越來越高，包括鐘源、鎖相環(huán)等基本時(shí)鐘技術(shù)經(jīng)歷了多次更新?lián)Q代，同步技術(shù)也在不斷地推陳出新，時(shí)間同步技術(shù)更是當(dāng)前業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

　　2 時(shí)鐘技術(shù)發(fā)展歷程

　　時(shí)鐘同步涉及的最基本技術(shù)包括鐘源技術(shù)和鎖相環(huán)技術(shù)，隨著應(yīng)用需求的不斷提高，技術(shù)、工藝的不斷改進(jìn)，鐘源技術(shù)和鎖相環(huán)技術(shù)也得到了快速的演進(jìn)和發(fā)展。

　　(1) 鐘源技術(shù)

　　時(shí)鐘振蕩器是所有數(shù)字通信設(shè)備的基本部件，按照應(yīng)用時(shí)間的先后，鐘源技術(shù)可分為普通晶體鐘、具有恒溫槽的高穩(wěn)晶振、原子鐘、芯片級原子鐘。

　　一般晶體振蕩器精度在nE-5~nE-7之間，由于具有價(jià)格便宜、尺寸小、功耗低等諸多優(yōu)點(diǎn)，晶體振蕩器在各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。然而，普通晶體鐘一般受環(huán)境溫度影響非常大，因此，后來出現(xiàn)了具有恒溫槽的晶體鐘，甚至具有雙恒溫槽的高穩(wěn)晶體鐘，其性能得到很大改善。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，對時(shí)鐘精度和穩(wěn)定性提出了更高的要求，晶體鐘源已經(jīng)難以滿足要求，原子鐘技術(shù)開始得到應(yīng)用，銣鐘和銫鐘是其中最有代表性的原子鐘。一般來說，銣鐘的精度能達(dá)到或優(yōu)于nE-10的量級，而銫鐘則能達(dá)到或優(yōu)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(lǐng)域的應(yīng)用，芯片級原子鐘有望解決這個(gè)難題。目前民用的芯片級原子鐘基本上處于試驗(yàn)階段，其尺寸只有立方厘米量級，耗電只有百毫瓦量級，不消耗原子，延長了使用壽命，時(shí)鐘精度在nE-10量級以上，具有很好的穩(wěn)定性。芯片級原子鐘將在通信、交通、電力、金融、國防、航空航天以及精密測量等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

　　(2) 鎖相環(huán)技術(shù)

　　鎖相環(huán)技術(shù)是一種使輸出信號在頻率和相位上與輸入信號同步的電路技術(shù)，即當(dāng)系統(tǒng)利用鎖相環(huán)技術(shù)進(jìn)入鎖定狀態(tài)或同步狀態(tài)后，系統(tǒng)的震蕩器輸出信號與輸入信號之間相差為零，或者保持為常數(shù)。鎖相環(huán)路技術(shù)是時(shí)鐘同步的核心技術(shù)，它經(jīng)歷了模擬鎖相環(huán)路技術(shù)和數(shù)字鎖相環(huán)路技術(shù)的時(shí)代，直至發(fā)展到今天的智能鎖相環(huán)路技術(shù)。

　　模擬鎖相環(huán)的各個(gè)部件都是由模擬電路實(shí)現(xiàn)，一般由鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器等3部分組成，其中鑒相器用來鑒別輸入信號與輸出信號之間的相位差 ，并輸出電壓誤差，其噪聲和干擾成分被低通性質(zhì)的環(huán)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(jié)果是把它的輸出振蕩頻率拉向環(huán)路輸入信號頻率，當(dāng)二者相等時(shí)，即完成鎖定。

　　與模擬鎖相環(huán)相比，數(shù)字鎖相環(huán)中的誤差控制信號是離散的數(shù)字信號，而不是模擬電壓，因此受控的輸出電壓的改變是離散的而不是連續(xù)的。另外，環(huán)路組成部件也全用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，改善了模擬鎖相環(huán)穩(wěn)定性差的問題。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了智能鎖相環(huán)路技術(shù)，即直接數(shù)字頻率合成(DDS—Digital Direct Frequency Synthesis)技術(shù)。智能全數(shù)字鎖相環(huán)在單片F(xiàn)PGA中就可以實(shí)現(xiàn)。借助鎖相環(huán)狀態(tài)監(jiān)測電路，通過CPU可以縮短鎖相環(huán)鎖定時(shí)間，并逐漸改進(jìn)其輸出頻率的抖動(dòng)特性，達(dá)到最佳的鎖相和頻率輸出效果。

　　3 同步技術(shù)現(xiàn)狀分析

　　同步技術(shù)包括頻率同步技術(shù)和時(shí)間同步技術(shù)兩個(gè)方面，其中頻率同步技術(shù)比較成熟不再贅述，下面將就通信領(lǐng)域?qū)r(shí)間同步的需求和在通信領(lǐng)域中得到應(yīng)用的現(xiàn)有時(shí)間同步技術(shù)展開分析。

　　3.1 時(shí)間同步需求

　　時(shí)間同步在通信領(lǐng)域中有著越來越廣泛的需求，各種通信系統(tǒng)對時(shí)間同步的需求可分為高精度時(shí)間需求(微秒級和納秒級)和普通精度時(shí)間需求(毫秒級和秒級)。

　　(1)高精度時(shí)間需求

　　對于CDMA基站和cdma2000基站，時(shí)間同步的要求是10μs;對于TD-SCDMA基站，時(shí)間同步的要求是3μs;對于WiMAX系統(tǒng)和LTE，時(shí)間同步的要求是1μs 甚至亞微秒量級，這就要求時(shí)間同步服務(wù)等級需達(dá)到100ns量級。如果基站與基站之間的時(shí)間同步不能達(dá)到上述要求，將可能導(dǎo)致在選擇器中發(fā)生指令不匹配，導(dǎo)致通話連接不能正常建立。

　　對于3G網(wǎng)絡(luò)中基于位置定位的服務(wù)，若是利用手機(jī)接收附近多個(gè)基站發(fā)送的無線信號進(jìn)行定位，則要求基站必須是時(shí)間同步的。一般來說10ns的時(shí)間同步誤差將引起數(shù)米的位置定位誤差，不同精度的位置服務(wù)要求的時(shí)間精度也不相同。

　　(2)普通精度時(shí)間需求

　　對于No.7信令監(jiān)測系統(tǒng)，為避免因信令出現(xiàn)先后順序的錯(cuò)誤而產(chǎn)生虛假信息，必須要求所有信令流的時(shí)間信息是準(zhǔn)確無誤的，時(shí)間同步的要求是1ms。對于各種交換網(wǎng)絡(luò)的計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，為避免交換機(jī)之間大的時(shí)間偏差可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)有相互矛盾的話單，時(shí)間同步的要求是0.5s。對于各種業(yè)務(wù)的網(wǎng)管系統(tǒng)，為有效分析出故障的源頭及引起的后果，進(jìn)行故障定位和查找故障原因，時(shí)間同步的要求是0.5s。

　　對于基于IP網(wǎng)絡(luò)的流媒體業(yè)務(wù)中RSTP，它是為流媒體實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)傳送和以點(diǎn)播方式單一傳送提供健壯的協(xié)議，RTSP采用了時(shí)間戳方法來保證流媒體業(yè)務(wù)的QoS。對于基于IP網(wǎng)絡(luò)的電子商務(wù)等，為保障SSL協(xié)議的安全性，采用“時(shí)間戳”方式來解決“信息重傳”的攻擊方法，其對時(shí)間同步的要求至少是0.1s左右。通信網(wǎng)絡(luò)中大量的基于計(jì)算機(jī)的設(shè)備及應(yīng)用系統(tǒng)(例如移動(dòng)營業(yè)系統(tǒng)、綜合查詢系統(tǒng)、客服系統(tǒng)等)普遍支持NTP，時(shí)間同步的要求在秒級或者分鐘級。

　　3.2 現(xiàn)有時(shí)間同步技術(shù)

　　針對不同精度的時(shí)間同步需求，在通信網(wǎng)中主要應(yīng)用了以下幾種時(shí)間同步技術(shù)：

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

　　IRIG編碼源于為磁帶記錄時(shí)間信息，帶有明顯的模擬技術(shù)色彩，從20世紀(jì)50年代起就作為時(shí)間傳遞標(biāo)準(zhǔn)而獲得廣泛應(yīng)用。IRIG-A和IRIG- B都是于1956年開發(fā)的，它們的原理相同，只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(jìn)行幅度調(diào)制，對最近的秒進(jìn)行編碼。IRIG-B的幀內(nèi)包括的內(nèi)容有天、時(shí)、分、秒及控制信息等，可以用普通的雙絞線在樓內(nèi)傳輸，也可在模擬電話網(wǎng)上進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。到了20世紀(jì)90年代，為了適應(yīng)世紀(jì)交替對年份表示的需要，IEEE 1344-1995規(guī)定了IRIG-B時(shí)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信息，等效于IRIG調(diào)制碼的包絡(luò)。DCLS技術(shù)比較適合于雙絞線局內(nèi)傳輸，在利用該技術(shù)進(jìn)行局間傳送時(shí)間時(shí)，需要對傳輸系統(tǒng)介入的固定時(shí)延進(jìn)行人工補(bǔ)償，IRIG的精度通常只能達(dá)到10微秒量級。

　　(2) NTP(Network Time Protocal)

　　在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中傳遞時(shí)間的協(xié)議主要有時(shí)間協(xié)議(Time Protocol)、日時(shí)協(xié)議(Daytime Protocol)和網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)3種。另外，還有一個(gè)僅用于用戶端的簡單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議 (SNTP)。網(wǎng)上的時(shí)間服務(wù)器會(huì)在不同的端口上連續(xù)的監(jiān)視使用以上協(xié)議的定時(shí)要求，并將相應(yīng)格式的時(shí)間碼發(fā)送給客戶。在上述幾種網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議中，NTP協(xié)議最為復(fù)雜，所能實(shí)現(xiàn)的時(shí)間準(zhǔn)確度相對較高。在RFC-1305中非常全面地規(guī)定了運(yùn)行NTP的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)格式、服務(wù)器的認(rèn)證以及加權(quán)、過濾算法等。NTP技術(shù)可以在局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)中應(yīng)用，精度通常只能達(dá)到毫秒級或秒級。

　　近幾年來還出現(xiàn)了改進(jìn)型NTP。與傳統(tǒng)的NTP不同，改進(jìn)型NTP在物理層產(chǎn)生和處理時(shí)戳標(biāo)記，這需要對現(xiàn)有的NTP接口進(jìn)行硬件改造。改進(jìn)型 NTP依舊采用NTP協(xié)議的算法，可以與現(xiàn)有NTP接口實(shí)現(xiàn)互通。與原有NTP相比，其時(shí)間精度可以得到大幅度提升。目前支持改進(jìn)型NTP的設(shè)備還較少，其精度和適用場景等還有待進(jìn)一步研究。改良行NTP號稱能達(dá)到十微秒量級。
(3) 1PPS(1 Pulse per Second)及串行口ASCII字符串

　　秒脈沖信號，不包含時(shí)刻信息，但其上升沿標(biāo)記了準(zhǔn)確的每秒的開始，通常用于本地測試，也可用于局內(nèi)時(shí)間分配。通過RS232/RS422串行通訊口，將時(shí)間信息以ASCII碼字符串方式進(jìn)行編碼，波特率一般為9600bit/s，精度不高，通常還需同時(shí)利用1PPS信號。由于串行口ASCII字符串目前沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同廠家設(shè)備間無法實(shí)現(xiàn)互通，故該方法應(yīng)用范圍較小。到2008年，中國移動(dòng)規(guī)定了1PPS+ToD接口的規(guī)范，ToD信息采用二進(jìn)制協(xié)議。1PPS+ToD技術(shù)可用于局內(nèi)時(shí)間傳送，需要人工補(bǔ)償傳輸時(shí)延，其精度通常只能達(dá)到100ns量級，但不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的局間傳送。

　　(4) PTP(Precision Time Protocal)

　　PTP與NTP的實(shí)現(xiàn)原理均是基于雙向?qū)Φ鹊膫鬏敃r(shí)延，最大的不同是時(shí)間標(biāo)簽的產(chǎn)生和處理環(huán)節(jié)。PTP通過物理層的時(shí)戳標(biāo)記來獲得遠(yuǎn)高于NTP的時(shí)間精度?；贗EEE-1588的PTP技術(shù)原先用于需要嚴(yán)格時(shí)序配合的工業(yè)控制，為了順應(yīng)通信網(wǎng)中對高精度時(shí)間同步需求的快速增長，IEEE-1588 從原先的版本1發(fā)展到版本2，并且已在同步設(shè)備上、光傳輸設(shè)備上、3G基站設(shè)備上得到應(yīng)用。

　　在我國，PTP技術(shù)主要是基于光傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)間傳送的，國內(nèi)運(yùn)營商在最近幾年中開展了通過地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)傳送高精度時(shí)間的研究，在實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)網(wǎng)上進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，并取得了一定的成果，已超過了國外相關(guān)方面的研究水平。目前國內(nèi)已在一定規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了PTP局間時(shí)間傳送，精度能達(dá)到微秒級。

　　4 同步新技術(shù)展望

　　相對于成熟的頻率同步技術(shù)，以PTP技術(shù)為引領(lǐng)的時(shí)間同步技術(shù)嶄露頭角。新興的時(shí)間同步與現(xiàn)有的頻率同步彼此相對獨(dú)立，但從長遠(yuǎn)來看，頻率同步與時(shí)間同步的統(tǒng)一是發(fā)展的必然趨勢，為此，本文在這里推出了通用定時(shí)接口技術(shù)和光纖時(shí)間同步網(wǎng)這一概念，作為拋磚引玉供讀者探討。

　　在ITU-T J.211標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了一種新型的定時(shí)接口，即DTI(DOCSIS Timing InteRFace)。DTI應(yīng)用于有線電纜網(wǎng)絡(luò)，通過協(xié)議交互方式，在一根電纜線上同時(shí)實(shí)現(xiàn)頻率和時(shí)間同步。DTI基本工作原理是：服務(wù)器與客戶端之間采用一根DTI電纜進(jìn)行連接，服務(wù)器在獲取精確時(shí)間戳和基準(zhǔn)頻率信號后，校正本地時(shí)鐘并向下游DTI客戶端輸出DTI信號，在一根DTI電纜的服務(wù)器和客戶端兩側(cè)，通過乒乓(ping-pong)機(jī)制無間斷地發(fā)送和接受DTI報(bào)文，從而實(shí)現(xiàn)DTI客戶端與服務(wù)器之間的同步。DTI利用RJ45接口的1、2管腳進(jìn)行收發(fā)協(xié)議的乒乓傳輸，以最大限度地減少兩個(gè)方向傳輸?shù)臅r(shí)延不對稱性引入的時(shí)間誤差，并最大限度地減少串?dāng)_。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，DTI技術(shù)將逐漸應(yīng)用于通信領(lǐng)域，即通用定時(shí)接口技術(shù)。

　　通用定時(shí)接口技術(shù)可直接應(yīng)用于一根光纖(而不是光傳輸系統(tǒng))上，實(shí)現(xiàn)數(shù)十公里的無中繼傳送。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，采用級聯(lián)方式可以實(shí)現(xiàn)數(shù)百公里甚至上千公里的傳送，而且還可以真正地實(shí)現(xiàn)百納秒甚至更高量級時(shí)間精度的傳送。相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，在80km的光纖上已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)10ns以內(nèi)的時(shí)間傳送。對于直接基于光纖傳送的通用定時(shí)接口技術(shù)，可以避免傳統(tǒng)的基于光傳輸系統(tǒng)的時(shí)間傳送技術(shù)帶來的不對等性影響。而且，在采用單纖雙向傳輸技術(shù)后，通用定時(shí)接口技術(shù)可以自動(dòng)監(jiān)測并計(jì)算出單向傳播時(shí)延，實(shí)現(xiàn)時(shí)延的自動(dòng)補(bǔ)償，從而解決了傳統(tǒng)的基于光傳輸系統(tǒng)的時(shí)間傳送技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的時(shí)延自動(dòng)補(bǔ)償問題。

　　通用定時(shí)接口技術(shù)另外一個(gè)優(yōu)勢就是能同時(shí)提供統(tǒng)一的時(shí)間和頻率同步，可以很好地兼容現(xiàn)有的頻率同步網(wǎng)和時(shí)間同步網(wǎng)，以及兼容現(xiàn)有通信網(wǎng)中所有需同步的系統(tǒng)與設(shè)備。我國傳統(tǒng)的頻率同步網(wǎng)只能溯源到各運(yùn)營商獨(dú)立運(yùn)行的銫原子鐘，未來幾年內(nèi)的時(shí)間同步網(wǎng)只能通過衛(wèi)星授時(shí)接收機(jī)溯源到UTC。如果采用通用定時(shí)接口技術(shù)，即便是在時(shí)間信號溯源到衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)時(shí)，在衛(wèi)星接收機(jī)天饋線時(shí)延補(bǔ)償應(yīng)用方面，也可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)時(shí)延補(bǔ)償。具體而言，時(shí)間源頭設(shè)備的衛(wèi)星接收機(jī)天饋線部分會(huì)引入固定時(shí)延;對于不同型號不同長度的天饋線，其時(shí)延無法按照統(tǒng)一的經(jīng)驗(yàn)值(例如4～5ns/米)進(jìn)行補(bǔ)償，尤其在串接了避雷器、放大器、分配器、連接器后，時(shí)延誤差更加難以控制。如果在蘑菇頭和衛(wèi)星接收機(jī)之間采用具有自動(dòng)時(shí)延補(bǔ)償?shù)耐ㄓ枚〞r(shí)接口技術(shù)，則可以有效保證時(shí)間源頭設(shè)備的同步精度。然而，基于光纖并采用通用定時(shí)接口技術(shù)，還可以將現(xiàn)有的頻率基準(zhǔn)和時(shí)間基準(zhǔn)溯源到地面的國家級時(shí)頻基準(zhǔn)上，以至于根本上擺脫對衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)的依賴。從而實(shí)現(xiàn)可同時(shí)提供高可靠、高質(zhì)量時(shí)間和頻率服務(wù)的光纖時(shí)間同步網(wǎng)。

　　有關(guān)通用定時(shí)接口技術(shù)和光纖時(shí)間同步網(wǎng)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和具體實(shí)現(xiàn)還有待進(jìn)一步研究。

　　5 結(jié)束語

　　綜上所述，微型化、低功率芯片級原子鐘的出現(xiàn)，無疑是時(shí)鐘技術(shù)領(lǐng)域的一次劃時(shí)代而具有沖擊力的大革命;而通用定時(shí)接口技術(shù)、光纖時(shí)間同步網(wǎng)技術(shù)的推出，也為同步網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展注入了新的生命力。鑒于我國在高精度時(shí)間同步方面的研究已走在國際前列，后續(xù)應(yīng)在同步新技術(shù)方面積極開展研究。