時間傳遞技術(shù)綜述

李超

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

0　引言

時間統(tǒng)一技術(shù)，是指為各級時間用戶終端提供統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)時間的技術(shù)。時間統(tǒng)一技術(shù)從功能上可分為時間溯源（授時）、時間保持（守時）、時間傳遞（分發(fā)）三種技術(shù)，一個典型的時間統(tǒng)一系統(tǒng)組成如圖1所示。

時間溯源技術(shù)，是指獲取標(biāo)準(zhǔn)時間的技術(shù)，在大部分應(yīng)用場景下，采用協(xié)調(diào)世界時（UTC）作為溯源的標(biāo)準(zhǔn)時間。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，從實現(xiàn)難度、成本、性能等方面考慮，目前一般采用衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)作為時間溯源設(shè)備，可獲得納秒級的溯源精度，對于高可靠性系統(tǒng)可采用長波、短波等技術(shù)作為備用溯源手段。

圖1　典型的時間統(tǒng)一系統(tǒng)組成

時間保持技術(shù)，是指保持時間基準(zhǔn)的技術(shù)。時間溯源設(shè)備獲取的時間一般是非連續(xù)的，且存在一定的抖動。例如衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)輸出的時間一般為 1s一次，抖動一般在±20ns。同時，為了解決時間溯源失效時的時間同步問題，典型的時間統(tǒng)一系統(tǒng)根據(jù)精度需求，利用不同性能的頻率源進(jìn)行時間保持，并采用時間管理設(shè)備，利用溯源設(shè)備對其進(jìn)行馴服/校準(zhǔn)，并對頻率源進(jìn)行補償，提高準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。常用的頻率源準(zhǔn)確度由高到低有氫原子鐘、銫原子鐘、銣原子鐘及恒溫晶振等，對于高可靠性系統(tǒng)還可使用多臺原子鐘形成鐘組。由于芯片級銣原子鐘的普及，目前時間保持的精度一般可達(dá)5E-11量級。

時間傳遞技術(shù)，是指將時間基準(zhǔn)傳遞給時間用戶終端的技術(shù)，還可包括時間統(tǒng)一系統(tǒng)內(nèi)的時間傳遞，例如從衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)到時間保持設(shè)備的傳遞。根據(jù)用時系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及用戶終端對時間精度的不同需求，在時間統(tǒng)一系統(tǒng)里可采用不同的時間傳遞設(shè)備，為用戶終端提供時間?？梢钥闯?，在不需溯源，僅需系統(tǒng)內(nèi)時間統(tǒng)一的情況下，時間傳遞技術(shù)更為重要。本文將針對時間傳遞技術(shù)進(jìn)行分析，并介紹目前主流實用的幾種時間傳遞技術(shù)。

1　時間傳遞技術(shù)簡介

從傳遞介質(zhì)來說，時間傳遞技術(shù)可分為有線時間傳遞和無線時間傳遞。目前無線時間傳遞的方法較多，精度最高可達(dá)到納秒級，例如常用于電信系統(tǒng)的時隙同步和幀同步技術(shù)，精度能夠達(dá)到50μs。由于筆者對無線時間傳遞技術(shù)了解較少，本文主要對有線時間傳遞技術(shù)進(jìn)行介紹。

表1　常用時間傳遞技術(shù)比較

目前常用的有線時間傳遞技術(shù)主要包括以下兩類：基于Sender-Receiver的單向時間傳遞技術(shù)，以及基于 Pair-Wise的雙向時間傳遞技術(shù)。這兩類方法的時間傳遞精度、實現(xiàn)方式、所支持的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均有不同。常用的單向同步技術(shù)一般有秒脈沖傳遞技術(shù)，以及B時間碼傳遞技術(shù)；常用的雙向同步技術(shù)包括目前成熟商用的NTP技術(shù)（基于NTP協(xié)議）、PTP技術(shù)（基于IEEE1588協(xié)議）以及在PTP技術(shù)基礎(chǔ)上實現(xiàn)的光纖同步技術(shù)等[1]。對這幾種常用的時間傳遞技術(shù)進(jìn)行比較，如表1所示。

2　單向時間傳遞技術(shù)

基于Sender-Receiver的單向時間傳遞技術(shù)，是指發(fā)送端將時間信息發(fā)送給接收端，接收端對信息進(jìn)行解算，并扣除傳遞時延（也可由發(fā)送端進(jìn)行補償），得到時間信息的技術(shù)，其傳遞模型如圖 2所示。

圖2　單向時間傳遞技術(shù)模型

如圖2所示，主節(jié)點在時間T1向從節(jié)點發(fā)送包含 T1時間的時間信息，從節(jié)點在T2時刻接收到該時間信息。此時從節(jié)點只知道該報文的發(fā)送時間T1在接收時間 T2之前，并不知道報文的傳輸時延 d，因此只能對d進(jìn)行估計。按照經(jīng)驗估計，一般電纜傳輸時延約為每1米增加4納秒。因此，如果精度要求較高，需在從節(jié)點加入傳輸時延d的補償，而d值的精確測量可能受到多種因素制約，例如加工工藝、測量線延遲、環(huán)境因素等，且會增加測量成本。因此，這種方法一般用于傳輸線纜較短，或精度要求差于百納秒量級的場合。

2.1　秒脈沖時間傳遞技術(shù)

秒脈沖時間傳遞技術(shù)，是一種以秒脈沖的邊沿為準(zhǔn)時點進(jìn)行計時的單向時間傳遞技術(shù)。一般應(yīng)用時，將秒脈沖及時間報文一同傳遞，時間報文一般包含年、月、日、時、分、秒信息。秒脈沖多采用每秒1個的脈沖（1PPS），也有每秒2個（2PPS），每秒5個（5PPS），以及每秒10個（10PPS）等秒脈沖，可采用正脈沖或負(fù)脈沖信號，其中正脈沖以上升沿為準(zhǔn)時點，負(fù)脈沖以下降沿為準(zhǔn)時點。以正脈沖為例，其脈沖波形如圖3所示，其中脈沖寬度不影響指標(biāo)，從十微秒級到百毫秒級均有應(yīng)用[2]。

圖3　秒脈沖示意圖（正脈沖）

由于秒脈沖常借助成熟的電平標(biāo)準(zhǔn)，例如TTL電平、RS422電平等，上升時間一般要求不超過50ns。

2.2　B時間碼傳遞技術(shù)

B時間碼是由美國IRIG（靶場儀器組）定義的一種時間標(biāo)準(zhǔn)，因此又稱 IRIG-B時間碼。由于其具有攜帶信息量大、高分辨率、適用于遠(yuǎn)距離傳輸、接口標(biāo)準(zhǔn)化、實現(xiàn)簡便等特點，因此在國際上廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)軍用領(lǐng)域的 B時間碼依據(jù) GJB 2991A-2008《B時間碼接口終端通用規(guī)范》執(zhí)行，本文主要參照該規(guī)范進(jìn)行介紹。

B時間碼將一秒分割為100份，每份為一個碼元，周期為10ms，每個碼元的準(zhǔn)時點是該脈沖的前沿。B時間碼的碼元格式如圖4所示，其中，“1”和“0”為二進(jìn)制數(shù)，“P”為位置標(biāo)志位[3]。

圖4　B時間碼碼元格式

B時間碼每1幀數(shù)據(jù)由1個位置標(biāo)志位“PR”表示幀的開始，其上升沿為每秒的準(zhǔn)時點，而后每隔10個碼元有1個位置標(biāo)志位。每秒內(nèi)的數(shù)據(jù)均包含秒、分、時、天（表示一年里的第幾天），以BCD碼傳輸。具體數(shù)據(jù)值域及索引計數(shù)位置見表2，其中索引計數(shù)指從“PR”后第一個碼元開始計算的碼元位置。其中，“年的十位標(biāo)志”在奇數(shù)秒時為1，此時索引計數(shù)45～48代表年的十位，偶數(shù)秒時“年的十位標(biāo)志”為0，此時索引計數(shù)45～48代表年的個位。在其他的索引計數(shù)位置，還有閏秒標(biāo)志、特標(biāo)控制信息等，本文不再贅述。

表2　B時間碼編碼位置

B時間碼可在發(fā)送時采用1kHz正弦載波進(jìn)行調(diào)制，如圖5所示，其正交過零點與所調(diào)制格式碼元的前沿符合，調(diào)制比應(yīng)在2∶1～6∶1之間。調(diào)制后稱為B（AC）碼，未經(jīng)調(diào)制則稱為B（DC）碼。B（AC）碼適用于遠(yuǎn)距離傳輸，但精度降低，國軍標(biāo)規(guī)定 B（AC）碼的時間同步誤差小于±10μs，B（DC）碼時間同步誤差小于±0.2μs。在實際應(yīng)用中，B（DC）碼也可用 RS-422等電平傳輸，一般時間同步精度可達(dá)10ns量級。

圖5　B（AC）碼示意圖

3　雙向時間傳遞技術(shù)

基于 Pair-Wise的雙向時間傳遞技術(shù)，是指從節(jié)點將本地時間信息發(fā)送給主節(jié)點，主節(jié)點記錄接收時間，并將接收時間與主節(jié)點本地時間信息發(fā)回從節(jié)點，再由從節(jié)點記錄接收時間，計算傳輸時延，得到時間信息的技術(shù)，其傳遞模型如圖6所示。

圖6　雙向時間傳遞技術(shù)模型

在圖6中，設(shè)主、從節(jié)點間時間偏差為θ，則：

假設(shè)傳遞誤差d1= d2，可算出：

雙向時間傳遞技術(shù)目前應(yīng)用非常廣泛，在商用領(lǐng)域主要應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)傳遞技術(shù)，例如 NTP、IEEE1588等。

3.1　NTP時間傳遞協(xié)議

NTP協(xié)議全稱為網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（Network Time Protocol），其V1版本最早發(fā)布于1988年6月，隨后在1989年9月及1992年3月分別推出了NTP V2及V3版本，目前廣泛應(yīng)用的NTP協(xié)議一般指NTP V3版本。

NTP協(xié)議被廣泛用在以太網(wǎng)時間同步上，其設(shè)計目的就是實現(xiàn)計算機(jī)的時間同步。NTP是使用網(wǎng)絡(luò)報文交換實現(xiàn)時間同步的，其基本原理是通過服務(wù)器和客戶端之間的二次報文交換，確定主從時間誤差，完成時間同步[4]，如圖6所示，其中將本地時間插入時間同步報文的過程稱為打時間戳。由于NTP打時間戳及解析時間戳的位置均在應(yīng)用層，受到操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度、協(xié)議棧緩存等影響，因此時間戳誤差較大，同時在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中受到交換設(shè)備的帶來的傳輸時延不確定性以及鏈路不對稱性影響，進(jìn)一步降低了NTP協(xié)議的時間同步精度。雖然 NTP協(xié)議已經(jīng)對時鐘濾波算法及操作系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，但其同步精度仍只能達(dá)到毫秒量級（典型值5ms）。

SNTP協(xié)議全稱為簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（Simple Network Time Protocol），一般用于網(wǎng)絡(luò)時間終端，其時間精度為百毫秒級。由于其實現(xiàn)簡單，因此應(yīng)用較為廣泛，常用的Windows操作系統(tǒng)就直接支持SNTP協(xié)議。

由于NTP協(xié)議實現(xiàn)簡單，雖然其時間傳遞精度較低，仍然在以太網(wǎng)及其他對時間精度要求較低的場景有著較為廣泛的應(yīng)用。

3.2　IEEE1588時間傳遞協(xié)議

為克服NTP的各種缺點，PTP（Precision Time Protocol，精確時間同步協(xié)議）應(yīng)運而生，由于其協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)號為IEEE1588，因此又稱為IEEE1588協(xié)議，其最新版本是2008年發(fā)布的IEEE1588v2版本。

圖7　IEEE1588基本工作原理

PTP協(xié)議主要定義了四種多點傳送的時鐘報文類型：同步報文 Sync、跟隨報文 Follow_UP、延遲請求報文 Delay_Req 和延遲請求響應(yīng)報文Delay_Resp，其實現(xiàn)原理如如圖7所示。

IEEE1588報文通過網(wǎng)絡(luò)接口被系統(tǒng)接收，其中，IEEE1588報文會被時間戳單元記錄時間戳，記錄的時間戳連同 IEEE1588報文一起轉(zhuǎn)發(fā)到 IEEE1588的協(xié)議棧；時間戳被收集后傳遞給IEEE1588的時間恢復(fù)算法，計算主從時鐘之間的時間偏差，用于調(diào)整IEEE1588的數(shù)字鎖相環(huán)，產(chǎn)生恢復(fù)時鐘和相位信息，恢復(fù)的時鐘和相位信息會被反饋回時間戳單元來修正下一輪的時間基準(zhǔn)，如此反復(fù)，不斷逼近達(dá)到從時鐘和主時鐘的嚴(yán)格同步。

同步過程分為兩個階段：偏移測量階段和延遲測量階段。

第一階段：偏移測量階段，修正主時鐘和從時鐘之間的時間偏差。主時鐘周期性地給從時鐘發(fā)送Sync 報文，如果為Two-step模式，這個同步報文包括該報文離開主時鐘的時間估計值，并隨后發(fā)送follow-up報文，該報文攜帶Sync報文準(zhǔn)確的發(fā)送時刻t1。如果為One-step模式，則由Sync報文攜帶發(fā)送時刻t1。從時鐘在收到Sync報文后記下報文的精確到達(dá)時間t2。根據(jù)t1和t2可計算出主時鐘和從時鐘之間的時間偏差（Tof）,由于此時對同步報文的傳輸延時未知，先假設(shè)為零。

第二階段：延遲測量階段。從時鐘向主時鐘發(fā)送一個延遲詢問報文delay_req，同時記錄該報文的實際發(fā)送時間t3。主時鐘記錄延遲詢問報文到達(dá)的準(zhǔn)確時間t4，然后在延遲應(yīng)答報文delay_resp中把t4送回到從時鐘。并把(t3, t4)時間戳對傳遞到時鐘恢復(fù)算法模塊進(jìn)行誤差的計算和修正，再次對本地時鐘進(jìn)行調(diào)整。延遲測量是不規(guī)則進(jìn)行的，其測量間隔時間為4～60s之間的隨機(jī)值，這樣可以使網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷不會太大。

將主從時鐘之間的時間偏差記為Tof，將主時鐘時間記為tMaster，從時鐘時間記為tSlave，則主時鐘時間與從時鐘時間之間的關(guān)系可以表示為：

將主時鐘到從時鐘方向的傳輸延遲記為 Dms，從時鐘到主時鐘方向的傳輸延遲記為 Dsm，假設(shè)Dms= Dsm，則對Tof的計算與式（3）對θ的計算相同。

但是，在真實網(wǎng)絡(luò)中存在很多因素導(dǎo)致從主時鐘到從時鐘方向的傳輸延時和從時鐘到主時鐘方向的傳輸延時不一致，即Dms≠ Dsm，這種不一致通常稱之為非對稱性。這種非對稱型主要分為兩種：

（1）隨機(jī)非對稱（例如，不同網(wǎng)絡(luò)上下行負(fù)載不一致導(dǎo)致的傳輸非對稱）；

（2）確定性的非對稱（例如，上下行方向經(jīng)過的傳輸路徑不一致導(dǎo)致的非對稱）。

針對隨機(jī)性的非對稱性，IEEE1588的時鐘恢復(fù)算法可以通過對接收到的大量的時間數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計{ t1(k), t2(k), t3(k), t4(k),k = 1,.., N }，并利用這些統(tǒng)計數(shù)據(jù)設(shè)計濾波器來濾掉噪聲以實現(xiàn)高性能的時間同步。針對確定性的非對稱，可以通過測量計算等收到得到準(zhǔn)確的非對稱性的數(shù)據(jù)，然后通過人為的加上偏差ε = (Dsm- Dms) / 2進(jìn)行補償來消除。

與NTP相比，PTP協(xié)議針對NTP的誤差來源，還作出了以下兩點改進(jìn)：

（1）PTP協(xié)議打時間戳的位置在網(wǎng)絡(luò)鏈路層，這就避免了線程調(diào)度及協(xié)議棧緩存的誤差。

（2）采用了支持PTP協(xié)議的交換設(shè)備，可在報文中記錄在交換設(shè)備中路由所消耗的時間。

采用以上手段，PTP協(xié)議的時間同步精度可達(dá)百納秒量級，目前已廣泛應(yīng)用在通信、電力、雷達(dá)等領(lǐng)域。同時，在PTP協(xié)議基礎(chǔ)上發(fā)展的光纖專線時間傳遞技術(shù)，即在各站點間通過點對點光纖進(jìn)行雙向時間傳遞的技術(shù)，由于其網(wǎng)絡(luò)延遲低、對稱性好，時間傳遞精度已可達(dá)±1ns。

4　結(jié)論

隨著通信、雷達(dá)、電力等領(lǐng)域技術(shù)的進(jìn)步，對時間精度的要求越來越高，例如通信領(lǐng)域?qū)r隙的嚴(yán)格要求，雷達(dá)領(lǐng)域?qū)π盘柤墧?shù)據(jù)融合的要求等，目前在實際應(yīng)用中對時間精度要求已達(dá)百微秒量級。由于衛(wèi)導(dǎo)系統(tǒng)及高精度頻率源的迅猛發(fā)展，目前時間溯源技術(shù)及時間保持技術(shù)已可達(dá)到較高精度，時間傳遞技術(shù)往往成為瓶頸。

為了滿足更高的時間傳遞精度，應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用中的時間終端特點及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞纫蛩?，結(jié)合各種時間傳遞技術(shù)的特點，進(jìn)行綜合考慮，以滿足應(yīng)用需求。