時鐘同步技術(shù)概述

1、作為數(shù)字通信網(wǎng)的基礎(chǔ)支撐技術(shù)，時鐘同步技術(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。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，時間同步技術(shù)更是當(dāng)前業(yè)界 關(guān)注的焦點

2、。腦瓠IB朗肝2、時鐘技術(shù)發(fā)展歷程時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-5nE-7 之間，由于具有價格便宜、尺 寸小、功耗低等諸多優(yōu)點，晶體振蕩器在各個行業(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

3、。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，對時鐘精 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難題。目前民用的芯片級原 子鐘基本上處于試驗階段，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

4、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)的各個部件都是由模擬電路實現(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)

5、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，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 (DDSDigital Direct Fre quency Synthesis)技術(shù)。智能全數(shù)字鎖相環(huán)在單片 FPGA中就可 以實現(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)鎖定時間，并逐漸改進(jìn)其輸出頻率的抖動特性，達(dá)到最佳的鎖相和 頻率輸出效果。3、同

6、步技術(shù)現(xiàn)狀分析 同步技術(shù)包括頻率同步技術(shù)和時間同步技術(shù)兩個方面，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間同步的需 求和在通信領(lǐng)域中得到應(yīng)用的現(xiàn)有時間同步技術(shù)展開分析。3.1 時間同步需求時間同步在通信領(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CDM基站和cdma2000基站，時間同步的要求是 10卩s ;對 于TD-SCDM基站，時間同步的要求是3卩s;對于WiMA）系統(tǒng)和L TE,時間同步的要求是1卩s甚至亞微秒量級，這就要求時間同 步服務(wù)等級需達(dá)到100n

7、s量級。如果基站與基站之間的時間同步 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 基站發(fā)送的無線信號進(jìn)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)要求的時間精度也不相同。（2）普通精度時間需求對于 No.7 信令監(jiān)測系統(tǒng)，為避免因信令出現(xiàn)先后順序的錯誤而產(chǎn) 生虛假信息，必須要求所有信令流的時間信息是準(zhǔn)確無誤的，時 間同步的要求是1ms對于各種交換網(wǎng)絡(luò)的計費系統(tǒng)，為避免交 換機(jī)之間大的時間偏差可能會導(dǎo)致出現(xiàn)有相互矛盾的話單，

8、時間 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它是為流媒體實現(xiàn)多點 傳送和以點播方式單一傳送提供健壯的協(xié)議，RTSP采用了時間戳 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“時間戳”方式來解決“信息重 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(wǎng) 絡(luò)中大量的基于計算機(jī)的設(shè)備及應(yīng)用系統(tǒng)(例如移動營業(yè)系統(tǒng)、 綜合查詢系統(tǒng)、客服系統(tǒng)等)普遍支持 NTR時間同步的要求在 秒級或者分鐘級。3.2

9、 現(xiàn)有時間同步技術(shù) 針對不同精度的時間同步需求，在通信網(wǎng)中主要應(yīng)用了以下幾種 時間同步技術(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、

10、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)行局間傳送時間時，需要對傳輸系統(tǒng)介入的固定時延進(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)在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中傳遞

11、時間的協(xié)議主要有時間協(xié)議 (Time ProtocoI)、日時協(xié)議(Daytime Protocol) 和網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(NTP)3種。另 外，還有一個僅用于用戶端的簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議 (SNTP)。網(wǎng)上的 時間服務(wù)器會在不同的端口上連續(xù)的監(jiān)視使用以上協(xié)議的定時要 求，并將相應(yīng)格式的時間碼發(fā)送給客戶。在上述幾種網(wǎng)絡(luò)時間協(xié) 議中，NTP協(xié)議最為復(fù)雜，所能實現(xiàn)的時間準(zhǔn)確度相對較高。 在R FC-1305中非常全面地規(guī)定了運行 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

12、不同，改進(jìn)型NTP 在物理層產(chǎn)生和處理時戳標(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 接口實現(xiàn)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)時間分配。通過 RS232/ RS422串行通訊口，將時間信息以ASCII碼字符串方式進(jìn)行編碼， 波特

13、率一般為9600bit/s，精度不高，通常還需同時利用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) 備間無法實現(xiàn)互通， 故該方法應(yīng)用范圍較小。 到 2008 年，中國移 動規(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)時間傳送，需要人工補(bǔ)償傳輸時延，其精度 通常只能達(dá)到100 ns量級，但不能實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的局間傳送。(4) PTP(Precision Time Protocal)PTP與NTP的實現(xiàn)原理均是基于雙向?qū)Φ鹊膫鬏敃r延，最大的不 同是時間標(biāo)簽的產(chǎn)生和處理環(huán)節(jié)。PTP通過物理層的時戳標(biāo)記來 獲得遠(yuǎn)高于NTP的時

14、間精度?；贗EEE-1588的PTP技術(shù)原先用 于需要嚴(yán)格時序配合的工業(yè)控制，為了順應(yīng)通信網(wǎng)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(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)實現(xiàn)高精度時間傳送的， 國內(nèi)運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 間的研究，在實驗室及現(xiàn)網(wǎng)上進(jìn)行了大量的試驗，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)境下實現(xiàn)了 PTP局間時間傳送，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)

15、的時間同步技術(shù) 嶄露頭角。新興的時間同步與現(xiàn)有的頻率同步彼此相對獨立，但 從長遠(yuǎn)來看，頻率同步與時間同步的統(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接口技術(shù)和光纖時間同步網(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接口，即 DTI(DOC SIS 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實現(xiàn)頻率和時間同步。 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)器在獲取精確時間戳和基準(zhǔn)頻率信號后，校正本地時鐘并向 下游DTI客戶端輸出DTI信號，

16、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 報文，從而實現(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 個方向傳輸?shù)臅r延不對稱性引入的時間誤差，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， 即通用定時接口技術(shù)。 通用定時接口技術(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 地實現(xiàn)百納秒甚至更高量級時間精度的

17、傳送。相關(guān)實驗表明，在 80km的光纖上已經(jīng)可以實現(xiàn)10ns以內(nèi)的時間傳送。對于直接基 于光纖傳送的通用定時接口技術(shù)，可以避免傳統(tǒng)的基于光傳輸系 統(tǒng)的時間傳送技術(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，通用定時接口技術(shù)可以自動監(jiān)測并計算出單向傳播 時延，實現(xiàn)時延的自動補(bǔ)償，從而解決了傳統(tǒng)的基于光傳輸系統(tǒng) 的時間傳送技術(shù)難以實現(xiàn)的時延自動補(bǔ)償問題。 通用定時接口技術(shù)另外一個優(yōu)勢就是能同時提供統(tǒng)一的時間和頻 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)只能溯源到各運營商獨立運行的銫原子鐘，未來幾年內(nèi)的時間同步網(wǎng)只能通過衛(wèi)星授時接收機(jī)溯源到 UTC如果采用通用定時接口技術(shù)，即便是在時間信號溯源到衛(wèi)星授時系統(tǒng)時，在衛(wèi)星接收機(jī)天饋線時延補(bǔ)償應(yīng)用方面，也可以實現(xiàn)自動時延補(bǔ)償。具 體而言，時間源頭設(shè)備的衛(wèi)星接收機(jī)天饋線部分會引入固定時延； 對于不同型號不同長度的天饋線，其時延無法按照統(tǒng)一的經(jīng)驗值（例如45ns/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)之間采用具有自動時延補(bǔ)償?shù)耐ㄓ枚〞r接口技術(shù)，則可以有效保證時間源頭設(shè)備的同步精度。然而