時鐘同步技術概述

1、作為數字通信網的基礎支撐技術，時鐘同步技術的發(fā)展演進始終受到通信 網技術發(fā)展的驅動。在網絡方面，通信網從模擬發(fā)展到數字，從TDM網絡為主發(fā)展到以分組網絡為主；在業(yè)務方面，從以TDM話音業(yè)務為主發(fā)展到以分組業(yè)務為主的多業(yè)務模式，從固定話音業(yè)務為主發(fā)展到以固定和 移動話音業(yè)務并重，從窄帶業(yè)務發(fā)展到寬帶業(yè)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(fā)展到PDH，SDH，WDM 和DWDM，以及最新的OTN和PTN技術。隨著通信新業(yè)務和新技術的不斷 發(fā)展，其同步要求越來越高，包括鐘源、鎖相環(huán)等基本時鐘技術經歷了多次更新?lián)Q代，同步技術也在不斷地推陳出新，時間同步技術更是當前業(yè)界 關注的焦點

2、。腦瓠IB朗肝2、時鐘技術發(fā)展歷程時鐘同步涉及的最基本技術包括鐘源技術和鎖相環(huán)技術，隨著應 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(huán) 技術也得到了快速的演進和發(fā)展。(1) 鐘源技術時鐘振蕩器是所有數字通信設備的基本部件，按照應用時間的先 后，鐘源技術可分為普通晶體鐘、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)和領域中得到 廣泛應用。 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，晶體鐘源已經難以滿足要求，原 子鐘技術開始得到應用， 銣鐘和銫鐘是其中最有代表性的原子鐘。 一般來說，銣鐘的精度能達到或優(yōu)于 nE-10 的量級，而銫鐘則能 達到或優(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域 的應用，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域有著廣

4、泛的應 用前景。(2) 鎖相環(huán)技術 鎖相環(huán)技術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，即當系統(tǒng)利用鎖相環(huán)技術進入鎖定狀態(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。鎖相環(huán)路技術是時鐘同步的核心技術，它經歷了模擬鎖相環(huán) 路技術和數字鎖相環(huán)路技術的時代，直至發(fā)展到今天的智能鎖相 環(huán)路技術。模擬鎖相環(huán)的各個部件都是由模擬電路實現，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

5、果是把它的輸出振蕩頻率拉向環(huán)路輸入 信號頻率，當二者相等時，即完成鎖定。與模擬鎖相環(huán)相比，數字鎖相環(huán)中的誤差控制信號是離散的數字 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字電路實現，改善了 模擬鎖相環(huán)穩(wěn)定性差的問題。隨著數字技術的發(fā)展，出現了智能 鎖相環(huán)路技術，即直接數字頻率合成 (DDSDigital Direct Fre quency Synthesis)技術。智能全數字鎖相環(huán)在單片 FPGA中就可 以實現。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

6、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，下面將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 步服務等級需達到100n

7、s量級。如果基站與基站之間的時間同步 不能達到上述要求，將可能導致在選擇器中發(fā)生指令不匹配，導 致通話連接不能正常建立。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(fā)送的無線信號進行定位，則要求基站必須是時間同步的。 一般來說 10ns 的時間同步誤差將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(jiān)測系統(tǒng)，為避免因信令出現先后順序的錯誤而產 生虛假信息，必須要求所有信令流的時間信息是準確無誤的，時 間同步的要求是1ms對于各種交換網絡的計費系統(tǒng)，為避免交 換機之間大的時間偏差可能會導致出現有相互矛盾的話單，

8、時間 同步的要求是0.5s。對于各種業(yè)務的網管系統(tǒng)，為有效分析出故 障的源頭及引起的后果，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(yè)務中RSTP它是為流媒體實現多點 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)務的 QoS對于基于IP網絡的電子商務等， 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 絡中大量的基于計算機的設備及應用系統(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 編碼源于為磁帶記錄時間信息，帶有明顯的模擬技術色彩， 從 20 世紀 50年代起就作為時間傳遞標準而獲得廣泛應用。 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 弦波作為載頻進行幅度調制，對最近的秒進行編碼。 IRIG-B 的幀 內包括的內容有天、時、

10、分、秒及控制信息等，可以用普通的雙 絞線在樓內傳輸，也可在模擬電話網上進行遠距離傳輸。到了 20 世紀 90年代，為了適應世紀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調制碼的包絡。DCLS技術比較適合于雙絞線局 內傳輸，在利用該技術進行局間傳送時間時，需要對傳輸系統(tǒng)介入的固定時延進行人工補償， IRIG 的精度通常只能達到 10 微秒 量級。(2)NTP(Network Time Protocal)在計算機網絡中傳遞

11、時間的協(xié)議主要有時間協(xié)議 (Time ProtocoI)、日時協(xié)議(Daytime Protocol) 和網絡時間協(xié)議(NTP)3種。另 外，還有一個僅用于用戶端的簡單網絡時間協(xié)議 (SNTP)。網上的 時間服務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，并將相應格式的時間碼發(fā)送給客戶。在上述幾種網絡時間協(xié) 議中，NTP協(xié)議最為復雜，所能實現的時間準確度相對較高。 在R FC-1305中非常全面地規(guī)定了運行 NTP的網絡結構、數據格式、 服務器的認證以及加權、過濾算法等。NTP技術可以在局域網和 廣域網中應用，精度通常只能達到毫秒級或秒級。近幾年來還出現了改進型 NTP與傳統(tǒng)的NTP

12、不同，改進型NTP 在物理層產生和處理時戳標記，這需要對現有的NTP接口進行硬件改造。改進型NTP依舊采用NTP協(xié)議的算法，可以與現有 NTP 接口實現互通。與原有NTP相比，其時間精度可以得到大幅度提 升。目前支持改進型NTP的設備還較少，其精度和適用場景等還 有待進一步研究。改良行 NTP號稱能達到十微秒量級。(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，但其上升沿標記了準確的每秒的 開始，通常用于本地測試，也可用于局內時間分配。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)一的標準，不同廠家設 備間無法實現互通， 故該方法應用范圍較小。 到 2008 年，中國移 動規(guī)定了 1PPS+ToD接口的規(guī)范，ToD信息采用二進制協(xié)議。1PPS +ToD技術可用于局內時間傳送，需要人工補償傳輸時延，其精度 通常只能達到100 ns量級，但不能實現遠距離的局間傳送。(4) PTP(Precision Time Protocal)PTP與NTP的實現原理均是基于雙向對等的傳輸時延，最大的不 同是時間標簽的產生和處理環(huán)節(jié)。PTP通過物理層的時戳標記來 獲得遠高于NTP的時

14、間精度?；贗EEE-1588的PTP技術原先用 于需要嚴格時序配合的工業(yè)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(fā)展到版本2， 并且已在同步設備上、光傳輸設備上、3G基站設備上得到應用。在我國，PTP技術主要是基于光傳輸系統(tǒng)實現高精度時間傳送的， 國內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平。目前國內已在一定 規(guī)模的網絡環(huán)境下實現了 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

15、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(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和光纖時間同步網這一 概念，作為拋磚引玉供讀者探討。在ITU-T J.211標準中規(guī)定了一種新型的定時接口，即 DTI(DOC SIS Timing Interface )。 DTI 應用于有線電纜網絡，通過協(xié)議 交互方式，在一根電纜線上同時實現頻率和時間同步。 DTI 基本 工作原理是：服務器與客戶端之間采用一根 DTI 電纜進行連接， 服務器在獲取精確時間戳和基準頻率信號后，校正本地時鐘并向 下游DTI客戶端輸出DTI信號，

16、在一根DTI電纜的服務器和客戶 端兩側，通過乒乓( ping-pong )機制無間斷地發(fā)送和接受 DTI 報文，從而實現 DTI 客戶端與服務器之間的同步。 DTI 利用 RJ45 接口的 1、2 管腳進行收發(fā)協(xié)議的乒乓傳輸， 以最大限度地減少兩 個方向傳輸的時延不對稱性引入的時間誤差，并最大限度地減少 串擾。隨著技術的不斷發(fā)展， DTI 技術將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(tǒng)) 上，實現數十公里的無中繼傳送。隨著技術的不斷發(fā)展，采用級 聯(lián)方式可以實現數百公里甚至上千公里的傳送，而且還可以真正 地實現百納秒甚至更高量級時間精度的

17、傳送。相關實驗表明，在 80km的光纖上已經可以實現10ns以內的時間傳送。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(tǒng)的基于光傳輸系 統(tǒng)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 傳輸技術后，通用定時接口技術可以自動監(jiān)測并計算出單向傳播 時延，實現時延的自動補償，從而解決了傳統(tǒng)的基于光傳輸系統(tǒng) 的時間傳送技術難以實現的時延自動補償問題。 通用定時接口技術另外一個優(yōu)勢就是能同時提供統(tǒng)一的時間和頻 率同步，可以很好地兼容現有的頻率同步網和時間同步網，以及 兼容現有通信網中所有需同步的系統(tǒng)與設備。我國傳統(tǒng)的頻率同 步網只能溯源到各運營商獨立運行的銫原子鐘，未來幾年內的時間同步網只能通過衛(wèi)星授時接收機溯源到 UTC如果采用通用定時接口技術，即便是在時間信號溯源到衛(wèi)星授時系統(tǒng)時，在衛(wèi)星接收機天饋線時延補償應用方面，也可以實現自動時延補償。具 體而言，時間源頭設備的衛(wèi)星接收機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)一的經驗值（例如45ns/米）進行補償，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設備的同步精度。然而