时钟同步技术概述

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 时间同步技术更是当前业 界关注的焦点 2 2 时钟技术发展历程 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 Fre quency 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 3 同步技术现状分析 同步技术现状分析 同步技术包括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 10 s 对 于 TD SCDMA 基站 时间同步的要求是 3 s 对于 WiMAX 系统和 LTE 时间同步的要求是 1 s 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 IR IG 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 1P PS 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 4 同步新技术展望 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 DO CSIS 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 DT I 报文 从而实现 DTI 客户端与服务器之间的同步 DTI 利用 RJ 45 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