时钟同步技术概述

作为数字通信网的基础支持技术，时钟同步技术的发展一直随着通信网技术的发展而推进。 网络方面，通信网从模拟向数字发展，从TDM网络向包络发展的业务方面，将TDM语音业务发展为主要以组织业务为主的多业务模式，从固定语音业务向固定和移动语音业务发展，从窄带业务向宽带业务发展。 在与同步网关联性非常高的传输技术方面，从同轴传输发展到了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发展，同步的要求越来越高，钟源、锁相环等基本时钟技术经历了多次世代交替，同步技术也不断提出新的问题，时钟同步技术是当前业界关注的焦点。2 .钟表技术的发展历史时钟同步最基本的技术包括时钟源技术和锁相环技术，随着应用需求的增加，技术、技术不断改进，时钟源技术和锁相环技术也得到了迅速的发展和发展。(1)钟源技术时钟振荡器是所有数字通信设备的基本部件，根据应用时间的前后，时钟源技术可分为普通晶体钟、具有恒温槽的高稳定晶体振荡器、原子钟、芯片级原子钟。一般的晶体振荡器的精度在nE-5nE-7之间，因为具有价格便宜、尺寸小、功耗低等多个优点，所以晶体振荡器被广泛应用于各种行业和领域。 但是，一般的水晶钟受环境温度的影响非常大，出现了具有恒温槽的水晶钟，甚至是具有双恒温槽的高稳定的水晶钟，其性能得到了大幅度的改善。 随着通信技术的发展，对钟表的精度和稳定性要求更高，石英钟源已难以满足要求，原子钟技术开始应用，铷钟和范围钟是其中最具代表性的原子钟。 一般来说，铷钟的精度高于或优于nE-10的级别。 另一方面，弹跳时钟高于或优于1E-12的水平。但由于尺寸大、功耗高、寿命短，原子钟在一些领域的应用受到限制，芯片级原子钟有望解决这一问题。 目前民用芯片级原子钟基本处于试验阶段，尺寸为立方厘米级，功耗为百毫瓦级，不消耗原子，延长寿命，钟精度为nE-10级以上，稳定性高。 芯片级原子钟在通信、交通、电力、金融、国防、航空航天、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将输出信号与在频率和相位上的输入信号同步的电路技术，当使用锁相环技术进入同步状态时，将系统的振荡器输出信号和输入信号之间的差保持为零或恒定。 锁相环技术是时钟同步的核心技术，经过模拟锁相环技术和数字锁相环技术的时代，发展成为当今的智能锁相环技术。模拟锁相环的各个部件由模拟电路实现，一般由移相器、环路滤波器、压控振荡器等3个部分构成，移相器识别输入信号与输出信号的相位差，输出电压误差，其噪声和干扰成分通过低通滤波器来去除，形成压控振荡器的控制电压作用于压控振荡器的结果，将其输出振荡频率拉长为环路输入信号频率，若两者相等则完成锁定。与模拟锁相环相比，数字锁相环的误差控制信号是离散的数字信号，而不是模拟电压，因此控制的输出电压的改变是不连续的而是离散的。 环路组件也全部用数字电路实现，改善了模拟锁相环稳定性差的问题。 随着数字技术的发展，智能锁环技术，即直接数字频率合成(DDS-digital direct frequency synthesis )技术出现了。 智能全数字锁相环可以用单片FPGA实现。 锁相环状态监测电路可以缩短CPU中锁相环的时间，逐渐改善其输出频率的抖动特性，实现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技术和时间同步技术的两个方面，其中频率同步技术相对成熟，下面将分析在通信领域中应用于时间同步的需求和现有时间同步技术。3.1小时同步要求时间同步在通信领域越来越广泛，不同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)高精度的时间需求对于CDMA和cdma2000基站，对于时间同步请求为10s的TD-SCDMA基站，在时间同步请求为3s的WiMAX系统和LTE中，时间同步请求需要达到1s到子s的量级，而时间同步服务水平需要达到100ns的量级。 如果基站与基站之间的时间同步不满足上述要求，则选择器可能发生指令失配，并且可能无法成功建立通话连接。在3G网络中的基于位置定位的服务中，在接收到使用移动电话从相邻的多个基站发送来的无线信号并进行定位时，基站必须进行时间同步。 一般来说，10ns的时间同步误差会导致几米的对准误差，并且不同精度的位置服务需要不同的时间精度。(2)一般精度时间需求No.7信令监控系统要求所有信令流的时间信息准确且时间同步请求为1ms，以免信令有前后次序错误而发生虚假信息。 对于各种交换网络收费系统，时间同步请求为0.5s，以避免交换机之间的大时间偏移导致不一致发言的可能性。 针对各种业务的网络管理系统，为了有效分析故障的原因和结果，进行故障定位和原因确定，时间同步要求为0.5s。在基于IP网络的流媒体RSTP中，流媒体组播和按需单播提供了强健的协议，而RTSP采用时间戳方法来保证流媒体QoS。 在基于IP网络的电子商务等中，为了保障SSL协议的安全性，以“时间戳”方式解决“信息重发”的攻击方法，对该时间同步的要求至少为0.1s左右。 通信网络中的大量基于计算机的设备和应用系统(例如，移动销售系统、综合查询系统、呼叫系统等)通常支持NTP，并且对时间同步的请求处于秒或分钟级别。3.2现有的时间同步技术针对不同精度的时间同步需求，通信网主要应用了以下几种时间同步技术(1) irig-b (interrangeinstrumentationgroup )和dcls (DC级shift )IRIG码源于在磁带上记录时间信息，具有明显的模拟技术色彩，自20世纪50年代起作为时间传递基准被广泛应用。 IRIG-A和IRIG-B是1956年开发的，原理相同，只是采用的载波频率不同，分辨率也不同。 IRIG-B使用1kHz的正弦波作为载波频率进行振幅调制，编码最近的秒。 包含于IRIG-B的帧内的内容可以是日、时、分、秒、控制信息等，通过通常的双绞线，在建筑物内也可以是模拟电话网络也可以是远距离传送。 到了20世纪90年代，为了应对以世纪交替来表现年份的需要，IEEE 1344-1995规定了IRIG-B时间码的新格式，要求代码中也包括年份，但是其他方面没有变化。DCLS是IRIG码的另一种传输符号形式，用直流比特携带符号信息，相当于IRIG调制码的包络线。 DCLS技术比较适于双绞线站内传输，在利用该技术进行站间传输时间的情况下，需要人工补偿传输系统介入的固定延迟，IRIG的精度通常只达到10微秒左右。(2)网络时间协议(NTP )在计算机网络传递时间的协议主要有时间协议(Time Protocol )、日期时间协议(Daytime Protocol )、网络时间协议(ntp )三种。 它还为客户机提供了一个简单的网络时间协议(SNTP )。 internet上的时间服务器持续监视使用上述协议的时间请求，并向客户端发送适当格式的时间码。 在以上一些网络时间协议中，NTP协议是最复杂的，并且可以实现的时间精度相对较高。 RFC-1305还非常全面限定了运行NTP的网络结构、数据格式、服务器认证和加权、过滤算法等。 LAN和wan都提供了NTP技术。 精度通常限制在毫秒级别或秒级别。近年来，也出现了改良型NTP。 与传统的NTP不同，改进型NTP需要在物理层生成和处理时间戳以及硬件改造现有NTP接口。 改进型NTP采用NTP协议算法，可与现有NTP接口互操作。 与传统的NTP相比，时间精度大大提高。 目前，支持改进型NTP的设备还很少，其精度和应用场景等尚待研究。 据说改良行NTP能达到10微秒的水平。(3) 1PPS(1 Pulse per Second )以及串行端口ASCII字符串秒脉冲信号不包含时刻信息，但该上升沿标记为每隔正确的秒开始，通常用于本地测试，也用于本地时间的分配。 通过RS232/RS422串行通信端口，以ASCII代码字符串方式对时间信息进行编码。 波特率一般为9600bit/s，精度不高，因此通常也需要并用1PPS信号。 串行端口的ASCII字符串现在没有统一的标准，不能在不同厂家的设备之间相互操作，因此该方法的应用范围很小。 到2008年，中国移动规定了1PPS ToD接口的规范，ToD信息采用了二进制协议。 1PPS ToD技术能够用于站内时间传输，并且要求人工补偿传输延迟，其精度通常仅达到100ns级，但是不能实现远程站间传输。(4) PTP(Precision Time Protocal )PTP和NTP的实现原理都基于双向对等的传输延迟，最大差异在于时间标签的生成和处理过程。 PTP在物理层时间戳中获得比NTP高得多的时间精度。 基于IEEE 1588的PTP技术最初用于要求严格时序协调的工业控制，并且IEEE 1588从原始版本1演进到版本2，并被应用于同步单元、光传输设备、3G基站设备以满足通信网络上高精度的时间同步需求的快速增长在我国，PTP技术主要基于光传输系统实现了高精度的时间传输，国内载体近年来开展了通过地面传输系统进行高精度时间传输的研究，在实验室和网上进行了大量实验，取得了一定的成果，已经超过了国外相关方面的研究水平。 目前国内在一定规模的网络环境下实现了PTP站间时间传输，精度达到微秒级。4 .同期新技术展望对于成熟的频率同步技术，引领PTP技术的时间同步技术已经出现。 由于新兴的时间同步和当前的频率同步是相互独立的，但从长远看，频率同步和时间同步的统一是发展的必然趋势，所以这里介绍一般的时序接口技术和光纤时间同步网络的概念供读者研究。ITU-T J.211标准规定了新的定时接口，即DTI(DOCSIS Timing Interface )。 DTI应用于有线电缆网络，通过协议的交互方式，在一根电缆上同时实现频率和时间的同步。 DTI的基本工作原理是在服务器与客户机之间使用DTI电缆相连接，服务器在获得准确的时间戳和参考频率信号之后对本地时钟进行修改，向下游的DTI客户机输出DTI信号，在DTI电缆的服务器与客户机两侧均使用DTI电缆。 通过乒乓(ping-pong )机制无中断地收发DTI消息，实现DTI客户机与服务器的同步。 DTI使用连接器1和2的RJ45针脚来进行发送/接收协议的针脚传输，将由于双向传输的延迟不对称性导致的时间误差抑制到最小化，并且将串扰抑制到最小化。 随着技术的发展，DTI技术应用于通信领域，即通用定时接口技术。通用时序接口技术可以直接应用于一根光纤而不是光传输系统，从而实现几十公里的无中继传输。 随着技术的发展，可以采用级联方式实现数百公里到数千公里的传输，并且可以实现100纳秒到更高水平的时间精度传输。 实验表明，80km的光纤已经能够实现10ns以内的时间传输。 可以避免基于现有技术的光传输系统的时间传输技术对基于直接光纤传输的通用定时接口技术带来的不均匀的影响。 并且，在采用单光纤双向传输技术后，通常的时序接口技术通过自动监视并计算单向传播延迟，实现延迟的自动补偿，解决了通过现有的光传输系统的时间传输技术难以实现的延迟的自动补偿问题。通用时序接口技术的另一个优点是提供统一的时间和频率同步，以便在现有频率同步网络和时间同步网络以及现有通信网络中所有应同步的系统和设备之间成功地兼容。 我国传统的频率同步网只能跟踪各运营商独立运行的铯原子钟，今后几年内的时间同步网只能通过卫星授时接收机跟踪UTC。 当采用通用时序接口技术时，即使当时间信号已被跟踪到卫星时序系统时，在卫星接收机的天线馈送器延迟补偿的应用中也能够实现自动延迟补偿。 具体地，对于引入固定延迟的不同类型的天线馈送器，时间源设备的卫星接收器的天线馈送器部分可能不以统一的经验值(例如，45ns/)来补偿这种延迟，特别是在将避雷器、放大器、分发器和连接器耦合到一起之后，延迟差进一步难以控制。 采用蘑菇头和卫星接收机之间具有自动延迟补偿的通用时序接口技术，能够有效地保证时源设备的同步精度。