时钟同步技术概述

1、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

2、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riE-5nE-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

3、。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，钏钟和锂钟是 其中最有代表性的原子钟。一般来说，御钟的精度能达到或优 于nE-10的量级，而锂钟则能达到或优于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

4、用前景。(2) 锁相环技术锁相环技术是一种使输岀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

5、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、同步技术现状分

6、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卩s； 对 于TD-SCDM基A站，时间同步的要求是3卩s ；对于 WiMAX系统和L TE,时间同步的要求是In s甚至亚微秒量 级，这就要求时间同步服务等级需达到100ns

7、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1mso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

8、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QoS0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. Is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

9、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

10、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 Prot

11、oco1)、日时协议(Daytime Protocol)和网络时间协议(NTP) 3 种。另夕卜，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R FC-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NTPo与传统 的NTP不同，改进型NTP在物理层产生和处理时戳标记

12、，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

13、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 IPPS+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

14、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

15、 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( DOC SIS 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(pi

16、ng-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。

17、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 运行的铠原子钟，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