時(shí)間同步性能評(píng)估指標(biāo)及測試方法探討＊

潘 峰 中國信息通信研究院通信標(biāo)準(zhǔn)研究所工程師

劉 剛 國網(wǎng)福建省電力有限公司信息通信分公司工程師

李 信 國網(wǎng)冀北電力有限公司信息通信分公司高級(jí)工程師

朱 林 國電南瑞科技股份有限公司工程師

1 引言

時(shí)間同步是將共同的時(shí)間參考基準(zhǔn)分配至通信網(wǎng)中的各實(shí)時(shí)時(shí)鐘。網(wǎng)絡(luò)中所有相關(guān)聯(lián)的節(jié)點(diǎn)訪問關(guān)于時(shí)間的信息（換句話說，基準(zhǔn)定時(shí)信號(hào)的每個(gè)周期均已標(biāo)記并確定具體的日期）并共享一個(gè)共同的時(shí)標(biāo)和相關(guān)的時(shí)刻（在相應(yīng)的時(shí)間精度要求內(nèi)）（見圖1）。

這些共同的時(shí)標(biāo)包括協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）、國際原子時(shí)（TAI）、協(xié)調(diào)世界時(shí)+偏差（如本地時(shí)間）、GPS時(shí)間、PTP時(shí)間和本地任意時(shí)間等。

在電信網(wǎng)中，3G/4G基站空中接口對(duì)時(shí)間同步精度的要求優(yōu)于±1.5μs，且隨著5G移動(dòng)通信及量子通信的發(fā)展，其對(duì)時(shí)間同步的要求更加嚴(yán)格。在電力自動(dòng)化系統(tǒng)中，被授時(shí)設(shè)備中行波測距、同步向量測量和雷電定位系統(tǒng)對(duì)時(shí)間同步精度的要求優(yōu)于±1μs。除電力、電信領(lǐng)域，其他如航空、鐵路運(yùn)輸、工業(yè)控制與測量、氣象預(yù)報(bào)預(yù)測等領(lǐng)域均離不開時(shí)間同步的應(yīng)用。一個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間同步性能采取什么性能評(píng)估指標(biāo)來衡量以及利用何種測試方法來驗(yàn)證，目前國際和國內(nèi)并未有統(tǒng)一的觀點(diǎn)。本文將重點(diǎn)探討時(shí)間同步的性能評(píng)估指標(biāo)及測試方法。

圖1 時(shí)間同步示意圖

2 時(shí)間同步性能評(píng)估指標(biāo)

在研究評(píng)估時(shí)間同步的性能指標(biāo)下，先介紹下頻率同步及相位同步的概念。頻率同步，就是所謂時(shí)鐘同步，是指信號(hào)之間的頻率或相位上保持某種嚴(yán)格的特定關(guān)系，其相對(duì)應(yīng)的有效瞬間以同一平均速率出現(xiàn)，以維持通信網(wǎng)絡(luò)中所有的設(shè)備以相同的速率運(yùn)行。相位同步，意味著所有相關(guān)聯(lián)的節(jié)點(diǎn)可以訪問參考定時(shí)信號(hào)，其顯著事件發(fā)生在同一時(shí)刻（在相應(yīng)的相位精度要求內(nèi)）。相位同步是指相對(duì)于相位（相位對(duì)齊）對(duì)準(zhǔn)時(shí)鐘的過程。時(shí)間同步，相位同步和頻率同步既相互聯(lián)系，又有所區(qū)別，頻率同步是時(shí)間同步和相位同步的基礎(chǔ)，時(shí)間同步和相位同步是頻率同步在絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)相位保持一致情形下的延伸。

評(píng)估頻率同步的性能指標(biāo)通常包括頻率準(zhǔn)確度、頻率穩(wěn)定度、頻率漂移、時(shí)間間隔誤差（TIE）、最大時(shí)間間隔誤差（MTIE）、時(shí)間偏差（TDEV）。由于時(shí)間同步要保證系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)每一個(gè)時(shí)刻的時(shí)間與時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的誤差（Time Error,TE）均要限制在某一特定范圍內(nèi)（ns級(jí)），且時(shí)間誤差由兩部分組成，即恒定時(shí)間誤差（Constant Time Error,cTE）與動(dòng)態(tài)時(shí)間誤差（Dynamic Time Error,dTE）。因此衡量時(shí)間同步的性能應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估，時(shí)間精度、時(shí)間穩(wěn)定度與守時(shí)精度。

2.1 時(shí)間精度

當(dāng)時(shí)間同步系統(tǒng)正常跟蹤于衛(wèi)星接收機(jī)的情況下，系統(tǒng)的輸出絕對(duì)時(shí)間精度應(yīng)采用設(shè)備的最大絕對(duì)時(shí)間誤差（Maximum Absolute Time Error,max|TE|）進(jìn)行衡量，它包括恒定時(shí)間誤差和動(dòng)態(tài)時(shí)間誤差的噪聲產(chǎn)生。對(duì)于G.8271規(guī)定的A類和B類T-BC，其值分別為100ns與70ns，接口類型為1PPS和PTP接口。對(duì)于時(shí)間同步設(shè)備，我國規(guī)定1PPS+Tod與PTP輸出接口均為±150ns。IRIG-B碼為±20μs。

2.2 時(shí)間穩(wěn)定度

在正常跟蹤衛(wèi)星定位系統(tǒng)的情況下，對(duì)于時(shí)間同步設(shè)備，1PPS接口輸出信號(hào)的MTIE/TDEV應(yīng)滿足我國頻率同步網(wǎng)的1級(jí)基準(zhǔn)時(shí)鐘漂移產(chǎn)生的要求（觀察時(shí)間待定）。對(duì)于G.8271規(guī)定的A類和B類T-BC，其PTP和1PPS輸出口的恒定誤差產(chǎn)生分別為±50ns與±20ns，對(duì)于動(dòng)態(tài)誤差的噪聲產(chǎn)生，若其內(nèi)部含有一個(gè)EEC-Option1的時(shí)鐘，且時(shí)間和頻率均處于鎖定狀態(tài)，當(dāng)通過一個(gè)0.1Hz的一階低通濾波器進(jìn)行測量時(shí)，在1000s的觀察時(shí)間內(nèi)，其MTIE不超過40ns，當(dāng)通過一個(gè)0.1Hz的一階高通濾波器進(jìn)行測量時(shí)，在1000s的觀察時(shí)間內(nèi)，其MTIE不超過70ns。

在正常跟蹤1PPS+ToD信號(hào)時(shí)，對(duì)于時(shí)間同步設(shè)備，1PPS接口輸出信號(hào)的MTIE/TDEV應(yīng)滿足我國頻率同步網(wǎng)的2級(jí)和3級(jí)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘漂移產(chǎn)生的要求（觀察時(shí)間待定）。

2.3 守時(shí)精度

當(dāng)時(shí)間同步輸入功能失效時(shí)，在時(shí)間同步設(shè)備內(nèi)部時(shí)鐘正常跟蹤于我國1級(jí)基準(zhǔn)時(shí)鐘的定時(shí)信號(hào)時(shí)，通過1PPS接口或PTP接口進(jìn)行觀測，在3天之內(nèi)的相對(duì)守時(shí)精度應(yīng)優(yōu)于±1μs；時(shí)間同步設(shè)備內(nèi)部時(shí)鐘無法正常跟蹤于我國1級(jí)基準(zhǔn)時(shí)鐘的定時(shí)信號(hào)時(shí)，對(duì)于內(nèi)部時(shí)鐘配置為2級(jí)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘，在1天之內(nèi)的相對(duì)守時(shí)精度應(yīng)優(yōu)于±5μs；若內(nèi)部時(shí)鐘配置為3級(jí)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘，在1天之內(nèi)的相對(duì)守時(shí)精度應(yīng)優(yōu)于±0.1ms。

3 時(shí)間同步性能測試方法

無論是對(duì)時(shí)間同步設(shè)備還是時(shí)間同步系統(tǒng)，其測試方法均可分為絕對(duì)測試方法和相對(duì)測試方法。對(duì)于單個(gè)設(shè)備的測試，也可將其視為一個(gè)單節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步系統(tǒng)，因此接下來的測試方法均以時(shí)間同步系統(tǒng)為待測對(duì)象進(jìn)行介紹。

3.1 絕對(duì)測試法

所謂絕對(duì)測試法，是指時(shí)間同步系統(tǒng)的時(shí)間源和測試儀表的時(shí)間源均來自于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS（包括北斗、GPS、GLONASS和Galileo），整個(gè)系統(tǒng)通過某種方式達(dá)到時(shí)間同步，再通過時(shí)間測試儀測試其最末端設(shè)備的時(shí)間輸出性能，其組網(wǎng)方式如圖2所示。

根據(jù)上述配置，若A地和B地位于同一地點(diǎn)，例如在同一實(shí)驗(yàn)室，則可通過GNSS多路分配器同時(shí)接入時(shí)間測試儀和時(shí)間服務(wù)器，并計(jì)算兩路接入線纜的長度差，以估量所產(chǎn)生的時(shí)延差，以達(dá)到測試的絕對(duì)時(shí)間誤差最??；若A地和B地位于不同地點(diǎn)，則應(yīng)采用共模共視法計(jì)算出時(shí)間服務(wù)器和時(shí)間測試儀分別接收GNSS信號(hào)的時(shí)間誤差，再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測試，測試后的結(jié)果應(yīng)補(bǔ)償?shù)魰r(shí)間服務(wù)器和時(shí)間測試儀的時(shí)間誤差。對(duì)于某些具有GNSS處理模塊和接口的時(shí)間同步設(shè)備，可直接利用其設(shè)備接收GNSS信號(hào)，不再需要時(shí)間服務(wù)器，但這類設(shè)備必須具備至少兩路時(shí)間輸出接口，以便運(yùn)行的同時(shí)能進(jìn)行驗(yàn)證測試?？傊捎媒^對(duì)測試法，其優(yōu)點(diǎn)就是能保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性更高，缺點(diǎn)是配置復(fù)雜，需進(jìn)行二次測試才能保證系統(tǒng)絕對(duì)時(shí)間的準(zhǔn)確。

圖2 時(shí)間系統(tǒng)的絕對(duì)測試組網(wǎng)圖

3.2 相對(duì)測試法

所謂相對(duì)測試法，是指時(shí)間同步系統(tǒng)的時(shí)間源來自于測試儀表，整個(gè)系統(tǒng)通過某種方式達(dá)到時(shí)間同步，再通過時(shí)間測試儀測試其最末端設(shè)備的時(shí)間輸出性能，其組網(wǎng)方式如圖3所示，時(shí)間測試儀表并不要求與絕對(duì)時(shí)間同步，即它的時(shí)間源可跟蹤GNSS的時(shí)間信號(hào)，也可采用內(nèi)部保持模式。

根據(jù)上述配置，時(shí)間同步系統(tǒng)的源和宿均為時(shí)間測試儀，這樣測得的結(jié)果，其誤差全來自于整個(gè)時(shí)間同步系統(tǒng)，能更方便地確定系統(tǒng)的長期輸出精度。且對(duì)于時(shí)間測試儀，是否接入GNSS對(duì)系統(tǒng)的時(shí)間輸出精度并無影響。但是，要測量系統(tǒng)的守時(shí)精度，則需接入GNSS，否則時(shí)間測試儀自身本振的準(zhǔn)確度不高，將會(huì)影響時(shí)間同步系統(tǒng)的守時(shí)精度。對(duì)于現(xiàn)網(wǎng)中的測試，設(shè)備N與設(shè)備1一般不位于同一地點(diǎn)，所以無法保證如上的配置，此時(shí)并不適用于采用相對(duì)測試組網(wǎng)?？傊鄬?duì)測試法較絕對(duì)測試法配置簡單，經(jīng)濟(jì)成本較小，但應(yīng)用場景受到一定的限制。

圖3 時(shí)間系統(tǒng)的相對(duì)測試組網(wǎng)圖

4 結(jié)束語

本文闡述了時(shí)間同步性能的幾個(gè)關(guān)鍵性能及評(píng)估指標(biāo)，并簡單探討了時(shí)間同步系統(tǒng)的兩種測試方法。隨著各行業(yè)對(duì)時(shí)間同步的要求更高，采取更好的方式保證系統(tǒng)的時(shí)間同步，利用更優(yōu)的時(shí)間同步性能評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行衡量，以及采取配置方便、誤差最小的測試方法進(jìn)行系統(tǒng)的驗(yàn)證測試將是未來時(shí)間同步領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。

1 YD/T 1012-1999.數(shù)字同步網(wǎng)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘系列及其定時(shí)特性

2 YD/T 2022-2009.時(shí)間同步設(shè)備技術(shù)要求

3 ITU-T G.8260.Definitions and Terminology for Synchronization in Packet Networks.2011

4 IEEE 1588-2008.IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems.2008

5 ITU-T G.8273.2.Timing Characteristics of Telecom Boundary Clocks and Telecom Time Slave Clocks.2015