北斗时钟系统,GPS时钟同步系统

北斗时钟系统,GPS时钟同步系统

北斗时钟系统,GPS时钟同步系统

　　北斗时钟系统,GPS时钟同步系统

　　网络时间同步

　　摘 要：首先对时间同步进行了背景介绍，然后讨论了不同的时间同步网络技术，指出了建立全球或区域时间同步网存在的问题。

　　一、概 述

　　在通信领域，“同步”概念是指频率的同步，即网络各个节点的时钟频率和相位同步，其误差应符合标准的规定。目前，在通信网中，频率和相位同步问题已经基本解决，而时间的同步还没有得到很好的解决。时间同步是指网络各个节点时钟以及通过网络连接的各个应用界面的时钟的时刻和时间间隔与协调世界时（UTC）同步，最起码在全国范围内要和北京时间同步。时间同步网络是保证时间同步的基础，构成时间同步网络可以采取有线方式，也可以采取无线方式。

　　时间的基本单位是秒，它是国际单位制（SI单位制）的七个基本单位之一。1967年以前，秒定义均建立在地球的自转和公转基础之上。1967年的国际计量大会（CGDM）给出了新的秒定义：“秒是铯133（133Cs）原子在0K温度基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9 个周期所持续的时间”，即“原子秒”（TAI）。目前常用的协调世界时实际上是经过闰秒调整的原子秒。

　　目前在国际基准和国家基准层面所使用的主要是铯原子钟。铯原子钟已从70年代的磁选态铯原子钟发展到后来的光抽运铯原子钟以及近期的冷原子喷泉铯原子钟，原子秒的不确定度已经提高到2×10－15。中国计量科学研究院建立的冷原子喷泉铯原子钟于2003年底通过了专家，其频率复现性为5×10－15，已接近国际先进水平。目前商用的小铯钟的频率复现性已达到或优于5×10－13的水平。

　　其实，在应用层面上并不需要国家基准这样高的时间和频率准确度，不同的应用对准确度的要求是不同的。表1列举了一些典型的应用对时间准确度的要求（这里所谈的时间准确度是应用界面时间相对于协调世界时的误差）。

　　1988年，ITU-R的前身国际无线电咨询委员会（CCIR）明确提出产业界需要在全世界范围内准确度优于1 μs的时间传输技术。但是，真正在工作层面上实现这样的时间准确度并不是一件容易的事情，至少在目前还没有很好地解决。

　　二、时间同步网络技术

　　目前有若干种时间同步技术，每一种技术都各有特色，不同技术的时间同步准确度也有较大差异，如表2所示。

　　1.GPS时间同步技术

　　GPS时间同步技术是当前比较成熟并在国际上广泛使用的时间同步技术。但是，该技术存在三个问题：，GPS系统受美国军方控制，其Ｐ码仅对美国军方和授权用户开放。民用C/A码的时间同步精度比Ｐ码低两个数量级，而且其安全性没有保障；第二，GPS信号通过无线方式传输，易受外界干扰；第三，GPS接收机的时刻信号是通过标准接口（如RS－232接口）输出的，很多网上在用设备（如交换机）并没有这种专用接口。与GPS技术类似的还有前苏联的GLANASS系统和我国的“北斗”系统。 GLANASS系统由于经济原因，健康星的数量有限，稳定性和可靠性无法保障。“北斗”系统尚未民用，而且无法做到实时覆盖。目前，欧洲实施的“伽里略”计划将成为GPS的替代或备用系统。

　　2. 短波授时和长波授时时间同步技术

　　利用无线电发播信号授时已有至少80年的历史，其覆盖范围广，接收和发送设备相对简单，价格相对低廉。与互联网授时技术相比，该技术的优点是可以实时地校准本地时钟。一般这种接收设备都具有IEEE－488、RS－232等标准接口，以便于连接。目前国内只有中科院陕西天文台使用短波信号授时。国际上，长波授时主要使用罗兰－Ｃ系统，国内发射台设在沿海地区，主要用于和导航，尚不适合民用。

　　3.电话拨号时间同步技术

　　电话拨号授时（ACTS）使用的设备相对简单，只需要电话线、模拟调制解调器、普通的个人计算机和简单的用户端软件即可。同时，ACTS还提供反馈技术，它可以部分地抵消电话线的传输时延。目前这种技术主要用于校准个人计算机时间，若想用来校准其他本地设备时钟还需要进一步开发设备的接口硬件以及相应的软件。电话拨号授时不具备实时性，通常是免费的，用户端软件也可以通过互联网免费下载。在国内，中国计量科学研究院和中科院陕西天文台都提供这种授时服务。

　　4.互联网时间同步技术

　　使用互联网同步个人计算机的时间是十分方便的，目前国内外都免费提供这种服务。微软公司已将网络时间协议（NTP）嵌入到Windows xp操作系统中，只要计算机能联到互联网，就能进行远程计算机时钟校准。标准的NTP采用的是RFC 1350标准简化的网络时间协议（SNTP）采用的是RFC 1769标准。NTP协议包含一个64 bit的协调世界时时间戳，时间分辨率是200 ps，并可以提供1～50 ｍｓ的时间校准精度。NTP也可以估算往返路由的时延差，以减小时延差所引起的误差。但实验表明这种技术在洲际间的时间校准精度只能达到几百毫秒，甚至只能达到秒的量级。其准确度和NTP服务器与用户间的距离有关，一般在国内或区域内可以获得1～50 ms的时间校准精度。目前国际上有几百台一级时间服务器提供这种时间同步服务，其中以美国国家标准技术研究院（NIST）的性能。

　　另外，还有两个相对简单的、低精度的互联网时间协议：Time协议（RFC 868）和Daytime协议（RFC 867），可以提供1s校准精度的广域网时间同步。

　　5.SDH网络时间同步技术

　　早在10年前，国际上刚开始大规模建设SDH 或SONET网络时，人们就提出利用SDH 或SONET网络传送高精度时间编码信号。ITU-R S7组随后正式立项研究，美国、欧洲、日本等国家和地区也进行了大量相关的研究。这种技术的主要原理是把与铯钟同步的时间编码信号嵌入到SDH 或SonET STM-N的复用段开销（MSOH）的空闲字节，信息长度为5bit，其帧结构符合ITU-T G.708建议。因此，只要不阻断MSOH信息，就可以实现长距离传输。该信息可以通过再生段，但是不能通过复用段。用SDH的STM-N信号传送时间频率信息的优点是对抖动的过滤能力强，不受支路指针调整的影响，因此，可以在STM-N端口之间实现时间信息的透明传输。

　　利用SDH网络传送标准时间的方法有单向法、双向法和共视法。图1是共视法的原理图。共视法是将各节点的时钟同时和标准时钟进行比较，节点时钟之间的时刻值误差通过随后的数据交换进行比较和修正。

　　STM-N传输时钟信号具备稳定性和复现性，其中，2 000 km的时间传送准确度小于100 ns，50 km的时间传送准确度是10～50ps。但是，它的弱点是不能得到广泛应用。

　　如何在2.048 Mbit/s端口实现时间信息传输需要进一步的研究，关键要克服复用和解复用过程中指针调整对时间信息的影响。指针调整是以单个字节为单位，一次调整会对支路信号产生8UI的相位跃变，这样的支路信号在通过解同步电路后便会产生相位过渡过程，因而产生了支路单元输出抖动。随着SDH技术的逐步完善，可以采用自适应比特泄漏技术，使由指针调整产生的输出相位抖动得到较大程度的抑制。

　　目前，信息产业部电信研究院承担并完成的国家科技部项目“利用SDH网络传递标准时间信号”已经在实验室里实现了E1接口（2.048 Mbit/s）标准时间同步信号传输。其原理是把与协调世界时同步的时间编码嵌入2.048 Mbit/s支路信号勤务开销字节或某个固定的业务时隙，同时利用锁相环和软件滤波器滤除抖动，其时间同步的准确度优于5 μs。这样的准确度已经可以为交换机、移动基站控制器等诸多设备或应用提供时间同步服务。进一步的实验和改进有望提高同步精度。图2是利用E1电路双向法进行标准时间传送实验的原理图。

　　假设A、B之间的2.048 Mbit/s数据流中有空闲时隙TSx，来自B的数据流通过从节点时，在空闲时隙x中写入时间同步请求信息，然后经由SDH网络传送至时间同步主节点，主节点提取时隙ｘ中的时间同步请求，经过处理后经反方向的时隙ｘ回送到从节点，从节点获得时间同步所需的必要信息，完成一次请求／应答过程。

　　三、建立全球或区域时间同步网存在的问题

　　主要的问题是用户端设备（如交换机、基站控制器等）没有合适的接口电路，致使用户和GPS接收机、无线电授时接收机、NTP协议等无法相连。目前，已有一些制造商和运营商在研究交换机的接口电路，但由于交换机的制式繁多，进一步的改造尚须时日，而且对在用设备进行改造的成本也非常高。

　　时间同步网络的标准化也是急需解决的问题，它和现有的同步网标准一样包括网络的技术指标、设备的技术指标以及接口的技术指标等。

　　基于计算机和工作站的时间同步在技术上已经没有太大问题，如计费的后台处理系统、网管系统等，可以通过互联网的NTP方式进行时间同步，值得注意的是网络的安全性问题，适当的软件升级必不可少。

　　网络时间同步

　　摘 要：首先对时间同步进行了背景介绍，然后讨论了不同的时间同步网络技术，指出了建立全球或区域时间同步网存在的问题。

　　一、概 述

　　在通信领域，“同步”概念是指频率的同步，即网络各个节点的时钟频率和相位同步，其误差应符合标准的规定。目前，在通信网中，频率和相位同步问题已经基本解决，而时间的同步还没有得到很好的解决。时间同步是指网络各个节点时钟以及通过网络连接的各个应用界面的时钟的时刻和时间间隔与协调世界时（UTC）同步，最起码在全国范围内要和北京时间同步。时间同步网络是保证时间同步的基础，构成时间同步网络可以采取有线方式，也可以采取无线方式。

　　时间的基本单位是秒，它是国际单位制（SI单位制）的七个基本单位之一。1967年以前，秒定义均建立在地球的自转和公转基础之上。1967年的国际计量大会（CGDM）给出了新的秒定义：“秒是铯133（133Cs）原子在0K温度基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9 个周期所持续的时间”，即“原子秒”（TAI）。目前常用的协调世界时实际上是经过闰秒调整的原子秒。

　　目前在国际基准和国家基准层面所使用的主要是铯原子钟。铯原子钟已从70年代的磁选态铯原子钟发展到后来的光抽运铯原子钟以及近期的冷原子喷泉铯原子钟，原子秒的不确定度已经提高到2×10－15。中国计量科学研究院建立的冷原子喷泉铯原子钟于2003年底通过了专家，其频率复现性为5×10－15，已接近国际先进水平。目前商用的小铯钟的频率复现性已达到或优于5×10－13的水平。

　　其实，在应用层面上并不需要国家基准这样高的时间和频率准确度，不同的应用对准确度的要求是不同的。表1列举了一些典型的应用对时间准确度的要求（这里所谈的时间准确度是应用界面时间相对于协调世界时的误差）。

　　1988年，ITU-R的前身国际无线电咨询委员会（CCIR）明确提出产业界需要在全世界范围内准确度优于1 μs的时间传输技术。但是，真正在工作层面上实现这样的时间准确度并不是一件容易的事情，至少在目前还没有很好地解决。

　　二、时间同步网络技术

　　目前有若干种时间同步技术，每一种技术都各有特色，不同技术的时间同步准确度也有较大差异，如表2所示。

　　1.GPS时间同步技术

　　GPS时间同步技术是当前比较成熟并在国际上广泛使用的时间同步技术。但是，该技术存在三个问题：，GPS系统受美国军方控制，其Ｐ码仅对美国军方和授权用户开放。民用C/A码的时间同步精度比Ｐ码低两个数量级，而且其安全性没有保障；第二，GPS信号通过无线方式传输，易受外界干扰；第三，GPS接收机的时刻信号是通过标准接口（如RS－232接口）输出的，很多网上在用设备（如交换机）并没有这种专用接口。与GPS技术类似的还有前苏联的GLANASS系统和我国的“北斗”系统。 GLANASS系统由于经济原因，健康星的数量有限，稳定性和可靠性无法保障。“北斗”系统尚未民用，而且无法做到实时覆盖。目前，欧洲实施的“伽里略”计划将成为GPS的替代或备用系统。

　　2. 短波授时和长波授时时间同步技术

　　利用无线电发播信号授时已有至少80年的历史，其覆盖范围广，接收和发送设备相对简单，价格相对低廉。与互联网授时技术相比，该技术的优点是可以实时地校准本地时钟。一般这种接收设备都具有IEEE－488、RS－232等标准接口，以便于连接。目前国内只有中科院陕西天文台使用短波信号授时。国际上，长波授时主要使用罗兰－Ｃ系统，国内发射台设在沿海地区，主要用于和导航，尚不适合民用。

　　3.电话拨号时间同步技术

　　电话拨号授时（ACTS）使用的设备相对简单，只需要电话线、模拟调制解调器、普通的个人计算机和简单的用户端软件即可。同时，ACTS还提供反馈技术，它可以部分地抵消电话线的传输时延。目前这种技术主要用于校准个人计算机时间，若想用来校准其他本地设备时钟还需要进一步开发设备的接口硬件以及相应的软件。电话拨号授时不具备实时性，通常是免费的，用户端软件也可以通过互联网免费下载。在国内，中国计量科学研究院和中科院陕西天文台都提供这种授时服务。

　　4.互联网时间同步技术

　　使用互联网同步个人计算机的时间是十分方便的，目前国内外都免费提供这种服务。微软公司已将网络时间协议（NTP）嵌入到Windows xp操作系统中，只要计算机能联到互联网，就能进行远程计算机时钟校准。标准的NTP采用的是RFC 1350标准简化的网络时间协议（SNTP）采用的是RFC 1769标准。NTP协议包含一个64 bit的协调世界时时间戳，时间分辨率是200 ps，并可以提供1～50 ｍｓ的时间校准精度。NTP也可以估算往返路由的时延差，以减小时延差所引起的误差。但实验表明这种技术在洲际间的时间校准精度只能达到几百毫秒，甚至只能达到秒的量级。其准确度和NTP服务器与用户间的距离有关，一般在国内或区域内可以获得1～50 ms的时间校准精度。目前国际上有几百台一级时间服务器提供这种时间同步服务，其中以美国国家标准技术研究院（NIST）的性能。

　　另外，还有两个相对简单的、低精度的互联网时间协议：Time协议（RFC 868）和Daytime协议（RFC 867），可以提供1s校准精度的广域网时间同步。

　　5.SDH网络时间同步技术

　　早在10年前，国际上刚开始大规模建设SDH 或SONET网络时，人们就提出利用SDH 或SONET网络传送高精度时间编码信号。ITU-R S7组随后正式立项研究，美国、欧洲、日本等国家和地区也进行了大量相关的研究。这种技术的主要原理是把与铯钟同步的时间编码信号嵌入到SDH 或SonET STM-N的复用段开销（MSOH）的空闲字节，信息长度为5bit，其帧结构符合ITU-T G.708建议。因此，只要不阻断MSOH信息，就可以实现长距离传输。该信息可以通过再生段，但是不能通过复用段。用SDH的STM-N信号传送时间频率信息的优点是对抖动的过滤能力强，不受支路指针调整的影响，因此，可以在STM-N端口之间实现时间信息的透明传输。

　　利用SDH网络传送标准时间的方法有单向法、双向法和共视法。图1是共视法的原理图。共视法是将各节点的时钟同时和标准时钟进行比较，节点时钟之间的时刻值误差通过随后的数据交换进行比较和修正。

　　STM-N传输时钟信号具备稳定性和复现性，其中，2 000 km的时间传送准确度小于100 ns，50 km的时间传送准确度是10～50ps。但是，它的弱点是不能得到广泛应用。

　　如何在2.048 Mbit/s端口实现时间信息传输需要进一步的研究，关键要克服复用和解复用过程中指针调整对时间信息的影响。指针调整是以单个字节为单位，一次调整会对支路信号产生8UI的相位跃变，这样的支路信号在通过解同步电路后便会产生相位过渡过程，因而产生了支路单元输出抖动。随着SDH技术的逐步完善，可以采用自适应比特泄漏技术，使由指针调整产生的输出相位抖动得到较大程度的抑制。

　　目前，信息产业部电信研究院承担并完成的国家科技部项目“利用SDH网络传递标准时间信号”已经在实验室里实现了E1接口（2.048 Mbit/s）标准时间同步信号传输。其原理是把与协调世界时同步的时间编码嵌入2.048 Mbit/s支路信号勤务开销字节或某个固定的业务时隙，同时利用锁相环和软件滤波器滤除抖动，其时间同步的准确度优于5 μs。这样的准确度已经可以为交换机、移动基站控制器等诸多设备或应用提供时间同步服务。进一步的实验和改进有望提高同步精度。图2是利用E1电路双向法进行标准时间传送实验的原理图。

　　假设A、B之间的2.048 Mbit/s数据流中有空闲时隙TSx，来自B的数据流通过从节点时，在空闲时隙x中写入时间同步请求信息，然后经由SDH网络传送至时间同步主节点，主节点提取时隙ｘ中的时间同步请求，经过处理后经反方向的时隙ｘ回送到从节点，从节点获得时间同步所需的必要信息，完成一次请求／应答过程。

　　三、建立全球或区域时间同步网存在的问题

　　主要的问题是用户端设备（如交换机、基站控制器等）没有合适的接口电路，致使用户和GPS接收机、无线电授时接收机、NTP协议等无法相连。目前，已有一些制造商和运营商在研究交换机的接口电路，但由于交换机的制式繁多，进一步的改造尚须时日，而且对在用设备进行改造的成本也非常高。

　　时间同步网络的标准化也是急需解决的问题，它和现有的同步网标准一样包括网络的技术指标、设备的技术指标以及接口的技术指标等。

　　基于计算机和工作站的时间同步在技术上已经没有太大问题，如计费的后台处理系统、网管系统等，可以通过互联网的NTP方式进行时间同步，值得注意的是网络的安全性问题，适当的软件升级必不可少。