《电子技术应用》

时钟同步技术现状及发展

作者:胡昌军 徐一军 汪建华
2010/12/7 0:00:00

 1 引言

  作为数字通信网的基础支撑技术,时钟同步技术的发展演进始终受到通信网技术发展的驱动。在网络方面,通信网从模拟发展到数字,从TDM网络为主发展到以分组网络为主;在业务方面,从以TDM话音业务为主发展到以分组业务为主的多业务模式,从固定话音业务为主发展到以固定和移动话音业务并重,从窄带业务发展到宽带业务等等。在与同步网相关性非常紧密的传输技术方面,从同轴传输发展到PDH,SDH,WDM和DWDM,以及最新的OTN和PTN技术。随着通信新业务和新技术的不断发展,其同步要求越来越高,包括钟源、锁相环" title="锁相环">锁相环等基本时钟技术经历了多次更新换代,同步技术也在不断地推陈出新,时间同步" title="时间同步">时间同步技术更是当前业界关注的焦点。

  2 时钟技术发展历程

  时钟同步涉及的最基本技术包括钟源技术和锁相环技术,随着应用需求的不断提高,技术、工艺的不断改进,钟源技术和锁相环技术也得到了快速的演进和发展。

  (1) 钟源技术

  时钟振荡器是所有数字通信设备的基本部件,按照应用时间的先后,钟源技术可分为普通晶体钟、具有恒温槽的高稳晶振、原子钟、芯片级原子钟。

  一般晶体振荡器精度在nE-5~nE-7之间,由于具有价格便宜、尺寸小、功耗低等诸多优点,晶体振荡器在各个行业和领域中得到广泛应用。然而,普通晶体钟一般受环境温度影响非常大,因此,后来出现了具有恒温槽的晶体钟,甚至具有双恒温槽的高稳晶体钟,其性能得到很大改善。随着通信技术的不断发展,对时钟精度和稳定性提出了更高的要求,晶体钟源已经难以满足要求,原子钟技术开始得到应用,铷钟和铯钟是其中最有代表性的原子钟。一般来说,铷钟的精度能达到或优于nE-10的量级,而铯钟则能达到或优于1E-12的量级。

  然而,由于尺寸大、功耗高、寿命短,限制了原子钟在一些领域的应用,芯片级原子钟有望解决这个难题。目前民用的芯片级原子钟基本上处于试验阶段,其尺寸只有立方厘米量级,耗电只有百毫瓦量级,不消耗原子,延长了使用寿命,时钟精度在nE-10量级以上,具有很好的稳定性。芯片级原子钟将在通信、交通、电力、金融、国防、航空航天以及精密测量等领域有着广泛的应用前景。

  (2) 锁相环技术

  锁相环技术是一种使输出信号在频率和相位上与输入信号同步的电路技术,即当系统利用锁相环技术进入锁定状态或同步状态后,系统的震荡器输出信号与输入信号之间相差为零,或者保持为常数。锁相环路技术是时钟同步的核心技术,它经历了模拟锁相环路技术和数字锁相环路技术的时代,直至发展到今天的智能锁相环路技术。

  模拟锁相环的各个部件都是由模拟电路实现,一般由鉴相器、环路滤波器、压控振荡器等3部分组成,其中鉴相器用来鉴别输入信号与输出信号之间的相位差 ,并输出电压误差,其噪声和干扰成分被低通性质的环路滤波器滤除,形成压控振荡器的控制电压,其作用于压控振荡器的结果是把它的输出振荡频率拉向环路输入信号频率,当二者相等时,即完成锁定。

  与模拟锁相环相比,数字锁相环中的误差控制信号是离散的数字信号,而不是模拟电压,因此受控的输出电压的改变是离散的而不是连续的。另外,环路组成部件也全用数字电路实现,改善了模拟锁相环稳定性差的问题。随着数字技术的发展,出现了智能锁相环路技术,即直接数字频率合成(DDS—Digital Direct Frequency Synthesis)技术。智能全数字锁相环在单片FPGA中就可以实现。借助锁相环状态监测电路,通过CPU可以缩短锁相环锁定时间,并逐渐改进其输出频率的抖动特性,达到最佳的锁相和频率输出效果。

  3 同步技术现状分析

  同步技术包括频率同步" title="频率同步">频率同步技术和时间同步技术两个方面,其中频率同步技术比较成熟不再赘述,下面将就通信领域对时间同步的需求和在通信领域中得到应用的现有时间同步技术展开分析。

  3.1 时间同步需求

  时间同步在通信领域中有着越来越广泛的需求,各种通信系统对时间同步的需求可分为高精度时间需求(微秒级和纳秒级)和普通精度时间需求(毫秒级和秒级)。

  (1)高精度时间需求

  对于CDMA基站和cdma2000基站,时间同步的要求是10μs;对于TD-SCDMA基站,时间同步的要求是3μs;对于WiMAX系统和LTE,时间同步的要求是1μs 甚至亚微秒量级,这就要求时间同步服务等级需达到100ns量级。如果基站与基站之间的时间同步不能达到上述要求,将可能导致在选择器中发生指令不匹配,导致通话连接不能正常建立。

  对于3G网络中基于位置定位的服务,若是利用手机接收附近多个基站发送的无线信号进行定位,则要求基站必须是时间同步的。一般来说10ns的时间同步误差将引起数米的位置定位误差,不同精度的位置服务要求的时间精度也不相同。

  (2)普通精度时间需求

  对于No.7信令监测系统,为避免因信令出现先后顺序的错误而产生虚假信息,必须要求所有信令流的时间信息是准确无误的,时间同步的要求是1ms。对于各种交换网络的计费系统,为避免交换机之间大的时间偏差可能会导致出现有相互矛盾的话单,时间同步的要求是0.5s。对于各种业务的网管系统,为有效分析出故障的源头及引起的后果,进行故障定位和查找故障原因,时间同步的要求是0.5s。

  对于基于IP网络的流媒体业务中RSTP,它是为流媒体实现多点传送和以点播方式单一传送提供健壮的协议,RTSP采用了时间戳方法来保证流媒体业务的QoS。对于基于IP网络的电子商务等,为保障SSL协议的安全性,采用“时间戳”方式来解决“信息重传”的攻击方法,其对时间同步的要求至少是0.1s左右。通信网络中大量的基于计算机的设备及应用系统(例如移动营业系统、综合查询系统、客服系统等)普遍支持NTP,时间同步的要求在秒级或者分钟级。

  3.2 现有时间同步技术

  针对不同精度的时间同步需求,在通信网中主要应用了以下几种时间同步技术:

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

  IRIG编码源于为磁带记录时间信息,带有明显的模拟技术色彩,从20世纪50年代起就作为时间传递标准而获得广泛应用。IRIG-A和IRIG- B都是于1956年开发的,它们的原理相同,只是采用的载频频率不同,故其分辨率也不一样。IRIG-B采用1kHz的正弦波作为载频进行幅度调制,对最近的秒进行编码。IRIG-B的帧内包括的内容有天、时、分、秒及控制信息等,可以用普通的双绞线在楼内传输,也可在模拟电话网上进行远距离传输。到了20世纪90年代,为了适应世纪交替对年份表示的需要,IEEE 1344-1995规定了IRIG-B时间码的新格式,要求编码中还包括年份,其它方面没有改变。

  DCLS是IRIG码的另一种传输码形,即用直流电位来携带码元信息,等效于IRIG调制码的包络。DCLS技术比较适合于双绞线局内传输,在利用该技术进行局间传送时间时,需要对传输系统介入的固定时延" title="时延">时延进行人工补偿,IRIG的精度通常只能达到10微秒量级。

  (2) NTP(Network Time Protocal)

  在计算机网络中传递时间的协议主要有时间协议(Time Protocol)、日时协议(Daytime Protocol)和网络时间协议(NTP)3种。另外,还有一个仅用于用户端的简单网络时间协议 (SNTP)。网上的时间服务器会在不同的端口上连续的监视使用以上协议的定时要求,并将相应格式的时间码发送给客户。在上述几种网络时间协议中,NTP协议最为复杂,所能实现的时间准确度相对较高。在RFC-1305中非常全面地规定了运行NTP的网络结构、数据格式、服务器的认证以及加权、过滤算法等。NTP技术可以在局域网和广域网中应用,精度通常只能达到毫秒级或秒级。

  近几年来还出现了改进型NTP。与传统的NTP不同,改进型NTP在物理层产生和处理时戳标记,这需要对现有的NTP接口进行硬件改造。改进型 NTP依旧采用NTP协议的算法,可以与现有NTP接口实现互通。与原有NTP相比,其时间精度可以得到大幅度提升。目前支持改进型NTP的设备还较少,其精度和适用场景等还有待进一步研究。改良行NTP号称能达到十微秒量级。

  (3) 1PPS(1 Pulse per Second)及串行口ASCII字符串

  秒脉冲信号,不包含时刻信息,但其上升沿标记了准确的每秒的开始,通常用于本地测试,也可用于局内时间分配。通过RS232/RS422串行通讯口,将时间信息以ASCII码字符串方式进行编码,波特率一般为9600bit/s,精度不高,通常还需同时利用1PPS信号。由于串行口ASCII字符串目前没有统一的标准,不同厂家设备间无法实现互通,故该方法应用范围较小。到2008年,中国移动规定了1PPS+ToD接口的规范,ToD信息采用二进制协议。1PPS+ToD技术可用于局内时间传送,需要人工补偿传输时延,其精度通常只能达到100ns量级,但不能实现远距离的局间传送。

  (4) PTP(Precision Time Protocal)

  PTP与NTP的实现原理均是基于双向对等的传输时延,最大的不同是时间标签的产生和处理环节。PTP通过物理层的时戳标记来获得远高于NTP的时间精度。基于IEEE-1588的PTP技术原先用于需要严格时序配合的工业控制,为了顺应通信网中对高精度时间同步需求的快速增长,IEEE-1588 从原先的版本1发展到版本2,并且已在同步设备上、光传输设备上、3G基站设备上得到应用。

  在我国,PTP技术主要是基于光传输系统实现高精度时间传送的,国内运营商在最近几年中开展了通过地面传输系统传送高精度时间的研究,在实验室及现网上进行了大量的试验,并取得了一定的成果,已超过了国外相关方面的研究水平。目前国内已在一定规模的网络环境下实现了PTP局间时间传送,精度能达到微秒级。

  4 同步新技术展望

  相对于成熟的频率同步技术,以PTP技术为引领的时间同步技术崭露头角。新兴的时间同步与现有的频率同步彼此相对独立,但从长远来看,频率同步与时间同步的统一是发展的必然趋势,为此,本文在这里推出了通用定时接口技术" title="接口技术">接口技术和光纤时间同步网这一概念,作为抛砖引玉供读者探讨。

  在ITU-T J.211标准中规定了一种新型的定时接口,即DTI(DOCSIS Timing InteRFace)。DTI应用于有线电缆网络,通过协议交互方式,在一根电缆线上同时实现频率和时间同步。DTI基本工作原理是:服务器与客户端之间采用一根DTI电缆进行连接,服务器在获取精确时间戳和基准频率信号后,校正本地时钟并向下游DTI客户端输出DTI信号,在一根DTI电缆的服务器和客户端两侧,通过乒乓(ping-pong)机制无间断地发送和接受DTI报文,从而实现DTI客户端与服务器之间的同步。DTI利用RJ45接口的1、2管脚进行收发协议的乒乓传输,以最大限度地减少两个方向传输的时延不对称性引入的时间误差,并最大限度地减少串扰。随着技术的不断发展,DTI技术将逐渐应用于通信领域,即通用定时接口技术。

  通用定时接口技术可直接应用于一根光纤(而不是光传输系统)上,实现数十公里的无中继传送。随着技术的不断发展,采用级联方式可以实现数百公里甚至上千公里的传送,而且还可以真正地实现百纳秒甚至更高量级时间精度的传送。相关实验表明,在80km的光纤上已经可以实现10ns以内的时间传送。对于直接基于光纤传送的通用定时接口技术,可以避免传统的基于光传输系统的时间传送技术带来的不对等性影响。而且,在采用单纤双向传输技术后,通用定时接口技术可以自动监测并计算出单向传播时延,实现时延的自动补偿,从而解决了传统的基于光传输系统的时间传送技术难以实现的时延自动补偿问题。

  通用定时接口技术另外一个优势就是能同时提供统一的时间和频率同步,可以很好地兼容现有的频率同步网和时间同步网,以及兼容现有通信网中所有需同步的系统与设备。我国传统的频率同步网只能溯源到各运营商独立运行的铯原子钟,未来几年内的时间同步网只能通过卫星授时接收机溯源到UTC。如果采用通用定时接口技术,即便是在时间信号溯源到卫星授时系统时,在卫星接收机天馈线时延补偿应用方面,也可以实现自动时延补偿。具体而言,时间源头设备的卫星接收机天馈线部分会引入固定时延;对于不同型号不同长度的天馈线,其时延无法按照统一的经验值(例如4~5ns/米)进行补偿,尤其在串接了避雷器、放大器、分配器、连接器后,时延误差更加难以控制。如果在蘑菇头和卫星接收机之间采用具有自动时延补偿的通用定时接口技术,则可以有效保证时间源头设备的同步精度。然而,基于光纤并采用通用定时接口技术,还可以将现有的频率基准和时间基准溯源到地面的国家级时频基准上,以至于根本上摆脱对卫星授时系统的依赖。从而实现可同时提供高可靠、高质量时间和频率服务的光纤时间同步网。

  有关通用定时接口技术和光纤时间同步网技术的标准化和具体实现还有待进一步研究。

  5 结束语

  综上所述,微型化、低功率芯片级原子钟的出现,无疑是时钟技术领域的一次划时代而具有冲击力的大革命;而通用定时接口技术、光纤时间同步网技术的推出,也为同步网技术的发展注入了新的生命力。鉴于我国在高精度时间同步方面的研究已走在国际前列,后续应在同步新技术方面积极开展研究。

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