WR技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

彭程錦 楊 軍 張 明 李世光

（1.北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京100039；2.中國(guó)航天科工集團(tuán)第二研究院研究生院，北京100039； 3.計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100039）

1 引 言

白兔技術(shù)（WR）是歐洲核子研究中心(CERN)和德國(guó)重離子研究中心(GSI)共同提出并發(fā)明的一項(xiàng)技術(shù)，旨在解決大型對(duì)撞機(jī)中由于時(shí)間傳遞精度過低而導(dǎo)致的誤差問題。對(duì)作為一項(xiàng)提出不過10年的新技術(shù)，如今WR現(xiàn)在不止作為粒子加速器和對(duì)撞機(jī)等科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施的主要時(shí)間提供者系統(tǒng)，更因?yàn)槠溟L(zhǎng)距離、多節(jié)點(diǎn)和高精度的巨大優(yōu)勢(shì)使之可應(yīng)用于較長(zhǎng)距離的多節(jié)點(diǎn)時(shí)間傳遞上，如在大型高空空氣簇射天文臺(tái)的探測(cè)器陣列中對(duì)簇射粒子的到達(dá)時(shí)間進(jìn)行測(cè)量；或在通信、智能電網(wǎng)或金融等不同的分布場(chǎng)景下部署這種同步協(xié)議，像5G通信等。

2 WR技術(shù)由來(lái)

2.1 時(shí)間同步

物理學(xué)家一直都十分重視“時(shí)間”的重要性，多年來(lái)已經(jīng)發(fā)明了各種測(cè)量時(shí)間的方法。從簡(jiǎn)單的天文觀測(cè)（日晷、測(cè)星儀）到復(fù)雜的量子效應(yīng)（原子鐘），科學(xué)家一直都在為開發(fā)更精確的時(shí)鐘而努力。2010年2月，由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局研制的鋁離子光鐘已達(dá)到37億年誤差不超過1s的驚人水平，成為世界上最準(zhǔn)的原子鐘［1］。這種精度在許多應(yīng)用中至關(guān)重要，例如保存國(guó)家計(jì)量實(shí)驗(yàn)室時(shí)標(biāo)。

不過，這些極為精確的時(shí)鐘非常昂貴、脆弱，并且體積龐大，所以許多實(shí)際應(yīng)用中并不常見。由晶體振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘已經(jīng)可以應(yīng)用到生活中的大多數(shù)電子產(chǎn)品上。但在許多其它需要同步通信或協(xié)同全局時(shí)間來(lái)同步工作的領(lǐng)域（分布式儀器）中，這些彼此互不相連且自由運(yùn)行的時(shí)鐘就無(wú)法使用了。雖然設(shè)計(jì)人員可通過安裝較好的晶振來(lái)局部解決該問題，但在總體上并沒有解決時(shí)間的同步，即便存在微小的頻率偏差，也會(huì)讓這種方法失效。

如果在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)分布上都使用高精度時(shí)鐘（如芯片級(jí)原子鐘），成本太高。在這些情況下，最好的解決方法就是用少量的高精度時(shí)鐘將時(shí)鐘信息從基準(zhǔn)時(shí)鐘（高穩(wěn)定、一般價(jià)格昂貴）分配給網(wǎng)絡(luò)中其它需要準(zhǔn)確同步的從時(shí)鐘部分。問題是如何才能做到？

2.2 網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的誕生—網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（Network Time Protocol，NTP）

NTP技術(shù)作為該問題的解決辦法于1988年6月提出。NTP是使網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)計(jì)算機(jī)時(shí)間同步的一種協(xié)議［2］。它的用途是將精密的時(shí)鐘信息（世界協(xié)調(diào)時(shí)UTC）同步到各計(jì)算機(jī)中，在局域網(wǎng)內(nèi)其精度可達(dá)0.1ms，在互聯(lián)網(wǎng)上絕大多數(shù)的地方其精度可以達(dá)到 1ms～50ms［3］。它可以使計(jì)算機(jī)對(duì)其服務(wù)器或時(shí)鐘源進(jìn)行時(shí)間同步，并提供高精準(zhǔn)度的時(shí)間校正。

在NTP中規(guī)定了時(shí)間按照服務(wù)器的等級(jí)傳播，以離外部UTC源遠(yuǎn)近將所有的服務(wù)器分成不同的Stratum（層級(jí)），但層級(jí)總數(shù)一般不大于16層。如圖1所示，Stratum-1的NTP服務(wù)器一般直接通過GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）獲得標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，而下一層級(jí)Stratum-2則從Stratum-1中獲取時(shí)間信息，所有這些服務(wù)器在邏輯上形成階梯式的架構(gòu)相互連接，而Stratum-1的時(shí)間服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)［4］。

2.3 WR的前身—精密時(shí)間協(xié)議（Picture Transfer Protocol，PTP）

網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議NTP自1988年被提出以來(lái)沿用至今，在一些不需要高精度時(shí)間的場(chǎng)所，如個(gè)人電腦上提供誤差在亞毫秒級(jí)到毫秒級(jí)的時(shí)鐘。在日益增強(qiáng)的對(duì)高精度時(shí)鐘的需求下，PTP（又稱IEEE 1588協(xié)議［5］）于 2002年發(fā)布，在 2008年發(fā)布第二版，該協(xié)議相比于NTP，由于時(shí)間戳通過物理層發(fā)送，精度提升至亞微秒級(jí)（＜1μs）。

即使如此，PTP也有其難以克服的缺點(diǎn)，其局限性主要體現(xiàn)在以下三方面：

1）所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘都是獨(dú)立運(yùn)行的，各自的振蕩器頻率存在一定偏差，為了避免主從節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)較大的時(shí)間偏差，同步報(bào)文交換的頻率必須足夠高以及時(shí)補(bǔ)償偏差，這給通訊鏈路帶來(lái)了較大的負(fù)荷。

2）時(shí)間戳的分辨力會(huì)導(dǎo)致主從時(shí)鐘時(shí)間信息的偏差。

3）PTP假定主從往返鏈路是完全對(duì)稱的，未考慮傳輸介質(zhì)的非對(duì)稱性［6］。

WR技術(shù)是基于PTP協(xié)議之上，運(yùn)用各種手段克服以上三點(diǎn)局限性，將PTP無(wú)法跨越的8ns誤差（傳輸頻率最高為125MHz，所以最小周期為8ns）縮短至亞納秒級(jí)（＜1ns），以基于802.3標(biāo)準(zhǔn)的千兆以太網(wǎng)技術(shù)，可滿足大部分科學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)于時(shí)間精度的要求［7］。

2.4 WR的提出

CERN的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（Large Hadron Collider，LHC）要求傳感器和執(zhí)行器具有非常高的定時(shí)精度，以協(xié)作完成對(duì)粒子束流的監(jiān)測(cè)和控制［8］。然而該系統(tǒng)存在兩方面的局限性：一、基于單向的時(shí)間消息分發(fā)導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法測(cè)量路徑的傳輸延時(shí)，因而無(wú)法對(duì)路徑延時(shí)的變化做自動(dòng)補(bǔ)償和校正，不得不采用手動(dòng)標(biāo)定的方式；二、目前的總線帶寬僅為500kbps，只能勉強(qiáng)滿足定時(shí)功能的需求，而控制命令和監(jiān)控消息的傳輸需要額外增加鏈路。

基于此，2006年，CERN開始考慮更新LHC的時(shí)鐘系統(tǒng)［9］。與此同時(shí)，GSI也在考慮其反質(zhì)子與離子加速器中心（Facility for Antiproton and Ion Research，F(xiàn)AIR）的時(shí)鐘系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，而兩者對(duì)于時(shí)鐘系統(tǒng)的性能需求有很高的契合度，因此，CERN和GSI于2008年提出了一種基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的亞納秒時(shí)鐘同步技術(shù)White Rabbit（WR）［10］。WR節(jié)點(diǎn)傳輸框架如圖2所示，其技術(shù)支持多節(jié)點(diǎn)（＞1000）、長(zhǎng)距離（10km）的頻率分布和時(shí)間同步，旨在實(shí)現(xiàn)優(yōu)于100ps的抖動(dòng)和亞納秒級(jí)的偏差［11］。

該“White Rabbit”的名字來(lái)源于《愛麗絲夢(mèng)游仙境》中，那只永遠(yuǎn)擔(dān)心要遲到，永遠(yuǎn)急急忙忙地趕時(shí)間的白兔先生，為以示時(shí)間的寶貴而取其作為該項(xiàng)目的吉祥物如圖3所示。

圖2 WR節(jié)點(diǎn)傳輸框架圖Fig.2 WR node transmission framework diagram

圖3 White Rabbit的原型與WR技術(shù)如今的標(biāo)識(shí)Fig.3 White Rabbit's prototype and WR technology today's logo

3 WR的原理

WR技術(shù)起源于電信技術(shù)，其中頻率通過分級(jí)通信時(shí)鐘恢復(fù)來(lái)調(diào)整。然而，為了調(diào)整絕對(duì)時(shí)間，需要第二套協(xié)議。在WR技術(shù)中，第二套協(xié)議是IEEE 1588協(xié)議，但該協(xié)議不能在同步中提供足夠好的相位分辨力。

此外，為了避免CERN加速器軌道中高能場(chǎng)的電磁干擾，WR選擇了光傳輸。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概述如圖4所示。

整個(gè)WR網(wǎng)絡(luò)被分層，并且將時(shí)間和頻率信息從主時(shí)鐘向下傳播到大量節(jié)點(diǎn)。主時(shí)鐘與GPS或原子鐘同步，中間的WR交換機(jī)（White Rabbit switch）類似于PTP協(xié)議中定義的邊界時(shí)鐘(boundary clock)，一方面作為從時(shí)鐘與上級(jí)時(shí)鐘進(jìn)行同步(上級(jí)時(shí)鐘可以是全局主時(shí)鐘也可以是WR交換機(jī))；另一方面作為主時(shí)鐘與下級(jí)時(shí)鐘進(jìn)行同步(下級(jí)時(shí)鐘可以是WR交換機(jī)也可以是WR節(jié)點(diǎn))［7］。

在WR網(wǎng)絡(luò)中,除了主時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)外的所有節(jié)點(diǎn)都以其上級(jí)節(jié)點(diǎn)為參考源進(jìn)行同步過程。時(shí)鐘同步過程包括三部分：一是時(shí)鐘頻率同步；二是時(shí)間戳的同步；三是時(shí)間戳相位的同步。其中同步以太網(wǎng)技術(shù)（SyncE）完成了時(shí)鐘頻率分布,而精密時(shí)間協(xié)議（PTP）和數(shù)字雙混頻時(shí)差法（DDMTD）完成對(duì)時(shí)間戳及其相位的同步。對(duì)于高精度節(jié)點(diǎn)，運(yùn)用光纖傳輸千兆以太網(wǎng)，由于鏈路上的不對(duì)稱性可以被計(jì)算，因此需要進(jìn)行高精度延遲補(bǔ)償計(jì)算［7,12］。

圖4 WR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 System structure of WR

3.1 利其器——頻率同步：同步以太網(wǎng)技術(shù)（SyncE）

同步以太網(wǎng)技術(shù)是在PTP進(jìn)行同步之前，對(duì)主從時(shí)鐘的頻率提前進(jìn)行同步的一項(xiàng)技術(shù)，現(xiàn)在一些PTP網(wǎng)卡，諸如AR8031，在支持PTP傳輸?shù)耐瑫r(shí)也支持SyncE，用戶可根據(jù)需要自行設(shè)置。

同步以太網(wǎng)（SyncE）是實(shí)現(xiàn)WR時(shí)間傳遞的基礎(chǔ)。同步以太網(wǎng)是一種采用以太網(wǎng)鏈路碼流恢復(fù)時(shí)鐘的技術(shù)。標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)和同步以太網(wǎng)的對(duì)比如圖5所示。在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘都是利用本地晶振獨(dú)立運(yùn)行的。而在同步以太網(wǎng)中，所有節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，子節(jié)點(diǎn)或子交換機(jī)利用時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù)從數(shù)據(jù)鏈路中恢復(fù)出時(shí)鐘，這樣整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘頻率都與主節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘頻率精確同步［10］。

3.2 善其事——時(shí)間同步：精密時(shí)間協(xié)議（PTP）

PTP對(duì)于NTP的優(yōu)越性在于時(shí)鐘信息由主從時(shí)鐘間的信息包傳遞，每一次對(duì)時(shí)都將信息包中的發(fā)出和接收時(shí)間進(jìn)行記錄，并收集各時(shí)間標(biāo)簽。通過時(shí)間標(biāo)簽，從時(shí)鐘就可以計(jì)算出自己與主時(shí)鐘的時(shí)間偏差以及傳輸延遲，從而進(jìn)行時(shí)間的校準(zhǔn)同步。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)和同步以太網(wǎng)的對(duì)比Fig.5 Comparison between standard ethernet and synchronom ethernet

PTP協(xié)議中包含了4種信息包：同步信息包Sync、帶有Sync時(shí)間戳信息的Follow_Up、延時(shí)測(cè)量信息包Delay_Req和Delay_Req的延時(shí)應(yīng)答包Delay_Resp。一些性能較好的PHY可以實(shí)現(xiàn)在發(fā)送Sync的同時(shí)加入時(shí)間戳，這樣可以把Sync與Follow_Up合并成一步。同步過程如圖6所示，主時(shí)鐘發(fā)送Sync，記錄發(fā)送時(shí)刻t1，并讓Follow_Up信息包記錄此時(shí)間發(fā)送給從時(shí)鐘，從時(shí)鐘接收到Sync的時(shí)刻記錄為t2；過一小段時(shí)間，從時(shí)鐘發(fā)送Delay_Req并記錄發(fā)送時(shí)間t3，主時(shí)鐘接收到Delay_Req后記錄接收時(shí)間t4，并將t4經(jīng)由Delay_Resp返回給從時(shí)鐘［10］。

圖6 PTP的基本原理Fig.6 Basic principle of PTP

3.3 工乃精——相位同步：數(shù)字雙混頻時(shí)差（DDMTD）法

數(shù)字雙混頻時(shí)差(Digital Dual Mixer Time Difference,DDMTD)測(cè)量是WR協(xié)議能夠達(dá)到亞納秒級(jí)精度的根本技術(shù)。數(shù)字雙混頻時(shí)差測(cè)量的結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 數(shù)字雙混頻時(shí)差測(cè)量結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure diagram of DDMTD

數(shù)字信號(hào)輸入為方波信號(hào)，運(yùn)用D觸發(fā)器代替混頻器進(jìn)行混頻，時(shí)鐘CLKA或CLKB輸入的測(cè)試信號(hào)與偏置時(shí)鐘CLKoff進(jìn)行混頻，其中CLKA與CLKB的時(shí)鐘頻率等于f0，CLKoff的時(shí)鐘頻率為偏置時(shí)鐘CLKoff的作用是將A、B兩個(gè)時(shí)鐘之間極小的相位差放大N倍，方便測(cè)量，這一原理與游標(biāo)卡尺非常類似［10］。

根據(jù)數(shù)學(xué)運(yùn)算，數(shù)字雙混頻時(shí)差法的測(cè)量分辨力為：

式中：ncycles——該系統(tǒng)輸出的相差周期個(gè)數(shù)。

通過DDMTD得到t2、t4的精細(xì)時(shí)間戳后得到t2p、t4p，帶入式（1）、式（2）進(jìn)行計(jì)算，得出主從時(shí)鐘的傳輸延遲delayms和時(shí)鐘偏移offsetns為：

3.4 WR同步流程

WR網(wǎng)絡(luò)主從時(shí)鐘同步流程可分為初始化同步和相位跟蹤兩個(gè)過程。如圖8所示［13］，初始化同步過程計(jì)算offsetms和phases的值，并利用phases對(duì)時(shí)鐘偏移進(jìn)行補(bǔ)償，完成主從間的同步。相位跟蹤過程隨時(shí)監(jiān)視著phasemm的變化，并針對(duì)性的調(diào)節(jié)相位補(bǔ)償量phases，從而保持主從時(shí)鐘間的持續(xù)高精度時(shí)間同步。

圖8 WR具體同步流程Fig.8 WR specific synchronization flow

3.5 為什么要使用WR——WR的優(yōu)點(diǎn)

市場(chǎng)上雖然已經(jīng)存在其他能夠帶來(lái)精確定時(shí)和高同步的解決方案，但是大多數(shù)都存在功能有限或者不標(biāo)準(zhǔn)的問題，而WR技術(shù)被認(rèn)為是一項(xiàng)長(zhǎng)期而穩(wěn)定的解決方案。

1）WR和SPEC使用FPGA進(jìn)行控制，因此它們的硬件可以很容易地重新編程；

2）因?yàn)閃R標(biāo)準(zhǔn)模塊是按照“開放式硬件”設(shè)計(jì)的，技術(shù)人員可以自由地改進(jìn)或重新設(shè)計(jì)電路板；

3）WR協(xié)議是由CERN提出的，這是科研領(lǐng)域中最好的科學(xué)機(jī)構(gòu)之一，CERN的參與意味著整個(gè)WR的耐用性和質(zhì)量；

4）WR中的所有元素都盡可能被設(shè)計(jì)成模塊化，以降低維護(hù)和升級(jí)的成本；

5）WR可以混合其他網(wǎng)絡(luò)，WR交換機(jī)可以用作普通交換機(jī)直接連接到PC，以便快速地連接到網(wǎng)絡(luò)中。如果不需要WR協(xié)議的特定功能，則不需要使用特定的網(wǎng)卡。如果只需要毫秒精度，使用者也可以僅使用WR中的PTP功能；

6）WR協(xié)議是開放的，可以在此之上擴(kuò)展其他協(xié)議，如IEEE 1588或SyncE。

4 WR的硬件組成

本文以一款通用的WR時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)（Compact Universal Timing Endpoint based on the White Rabbit）為例進(jìn)行對(duì) WR 的硬件介紹［6,11］。CUTEWR是一款符合FMC規(guī)范（FPGA Mezzanine Card Stadard,FPGA中間層板卡）的通用子卡，可以通過FMC接插件與母板集成。這種基于FMC規(guī)范的設(shè)計(jì)架構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)的單板設(shè)計(jì)方式具有更高的靈活性和通用性。用戶在不改變母板硬件和大部分功能設(shè)計(jì)的情況下，通過加載不同類型的通用FMC子卡（ADC、TDC、DAC等）實(shí)現(xiàn)特定的系統(tǒng)功能［10］。

CUTE-WR的硬件設(shè)計(jì)如圖9所示。分為以下四個(gè)部分。

圖9 WR核心電路板塊Fig.9 WR core circuit board

1）Xilinx公司的Spartan6FPGA作為最核心的部件完成時(shí)鐘同步和數(shù)據(jù)傳輸?shù)冗壿嫻δ埽?/p>

2）由FPGA內(nèi)部邏輯實(shí)現(xiàn)的DDMTD鑒相器、PI控制器和外部DAC芯片以及25MHz的壓控振蕩器構(gòu)成了CUTE-WR本地時(shí)鐘的鎖相環(huán)電路，F(xiàn)PGA通過調(diào)節(jié)DAC的輸入?yún)?shù)完成本地時(shí)鐘的相位鎖定和相位補(bǔ)償功能；

3）時(shí)鐘通過一塊外部鎖相環(huán)芯片倍頻至125MHz，并扇出至FPGA專用時(shí)鐘輸入引腳和GTP模塊的時(shí)鐘輸入引腳；另一通道的DAC和20MHz壓控振蕩器構(gòu)成了DDMTD參考時(shí)鐘的鎖相環(huán)電路；

4）SFP接口，F(xiàn)PGA的GTP模塊的高速串行收發(fā)電路通過它與光電收發(fā)器連接。

這些構(gòu)成了WR子節(jié)點(diǎn)的基本電路。CUTEWR還使用32MbFlash和64KbEEPROM分別存儲(chǔ)FPGA固件和CUTE-WR的相關(guān)配置參數(shù)，包括工作模式、硬件延時(shí)參數(shù)、光纖非對(duì)稱系數(shù)和IP地址等。此外，CUTE-WR還帶有兩個(gè)SMA/LEMO接口的通用IO、用于本地調(diào)試和配置的USB接口、四個(gè)LED指示燈以及FMC接插件。FMCLPC（Low Pin Count）連接器共有160個(gè)引腳，除了定義電源、JTAG接口外，還提供了超過30對(duì)通用差分信號(hào)，每對(duì)差分信號(hào)也可當(dāng)作兩路單端信號(hào)使用，傳輸速率高達(dá)2Gbps。

5 WR的科學(xué)應(yīng)用

高精度時(shí)間分配用的最多要求最為嚴(yán)格的地方莫過于科研機(jī)構(gòu)了。加速器、大型射電天文分布式設(shè)施、宇宙射線探測(cè)器，所有這些離不開對(duì)時(shí)間與頻率的超高精度分配。

5.1 加速器、同步加速器和散裂源:

5.1.1 CSNS（The China Spallation Neutron Source）

CSNS是一種基于加速器的脈沖散裂中子源，位于中國(guó)南方，其鳥瞰圖如圖10所示。作為研究材料微觀結(jié)構(gòu)的“超級(jí)顯微鏡”，CSNS有著廣泛的應(yīng)用前景，包括生命科學(xué)、物理、化學(xué)、資源和環(huán)境以及新能源。CSNS的儀器控制系統(tǒng)基于白兔網(wǎng)絡(luò)，提供同步和實(shí)時(shí)控制。在CSNS中，需要測(cè)量質(zhì)子撞擊目標(biāo)的精確時(shí)間(T0)。測(cè)量的時(shí)間被發(fā)送到目標(biāo)站和中子儀器，這樣這些設(shè)備可以相對(duì)于T0工作。同時(shí)T0也要用來(lái)測(cè)量中子飛行時(shí)間［14］。

圖10 CSNS鳥瞰圖Fig.10 View of CSNS

5.1.2 GSI（德國(guó)重離子研究中心）

GSI亥姆霍茲重離子研究中心是一個(gè)重離子實(shí)驗(yàn)室，從事物理學(xué)和相關(guān)科學(xué)學(xué)科的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，它位于德國(guó)達(dá)姆施塔特。GSI的加速器復(fù)合體正隨著一個(gè)新的反質(zhì)子和離子研究設(shè)施而擴(kuò)展。FAIR將是世界上最大、最復(fù)雜的加速器設(shè)施之一，其最大的加速器周長(zhǎng)為110m。

FAIR要求中央控制器在500μs內(nèi)觸發(fā)2000-3000子系統(tǒng)中的任何一個(gè)子系統(tǒng)中。雖然絕大多數(shù)只需要大約1μs的精度，但是許多子系統(tǒng)，如射頻、光束儀器和實(shí)驗(yàn)需要1ns～5ns準(zhǔn)度和10ps的精度，這些將通過使用WR網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)［15］。

5.2 中微子/宇宙射線探測(cè)器

5.2.1 LHAASO（中國(guó)）

2015年12月獲批立項(xiàng)，在海拔4400m處建設(shè)的大型高海拔空氣簇射觀測(cè)站（Large High Altitude Air Shower Observatory，LHAASO）,該觀測(cè)站 1.36km2的地面探測(cè)器陣列需要對(duì)簇射粒子的到達(dá)時(shí)間進(jìn)行精確的測(cè)量，為了獲得好于0.5°的宇宙線入射角分辨力，要求在寬溫環(huán)境下保證5635個(gè)探測(cè)器記錄精度達(dá)0.5ns的時(shí)間測(cè)量準(zhǔn)確度［10,12］。

LHAASO項(xiàng)目已通過WR的鑒定驗(yàn)收，目前使用超過500臺(tái)的WRS交換機(jī)，連接所有探測(cè)器節(jié)點(diǎn)［16］。

5.2.2 立方千米中微子望遠(yuǎn)鏡（KM3NeT）

KM3NeT是位于地中海底部的新一代中微子望遠(yuǎn)鏡研究機(jī)構(gòu)。KM3NeT將致力于發(fā)現(xiàn)和后續(xù)研究宇宙中的高能中微子源，并確定中微子的質(zhì)量等級(jí)。通過關(guān)聯(lián)不同“數(shù)字光學(xué)模塊”( DOMs )的探測(cè)時(shí)間，從中研究中微子的性質(zhì)和軌跡，從而研究中微子的來(lái)源。測(cè)量所需的角度分辨率為0.1°，將其轉(zhuǎn)化為所有DOMs的同步上，時(shí)間精度為1 ns，抖動(dòng)數(shù)為100ps。

KM3NeT中使用WR作為同步系統(tǒng)。它將DOMs ( WR節(jié)點(diǎn))與岸上時(shí)鐘參考同步，以允許使用基于FPGA的1ns分辨力的時(shí)間-數(shù)字轉(zhuǎn)換器對(duì)光子的到達(dá)時(shí)間打上時(shí)間戳。

5.3 國(guó)家時(shí)間實(shí)驗(yàn)室

5.3.1 MIKES（芬蘭計(jì)量認(rèn)證中心）

MIKES是芬蘭有限公司VTT技術(shù)研究中心的一部分。自2013年起，它一直運(yùn)營(yíng)著一條長(zhǎng)950km的WR鏈路——這是目前為止最長(zhǎng)的WR鏈路——來(lái)研究WR在長(zhǎng)距離時(shí)間傳輸中的應(yīng)用，并與基于GNSS的時(shí)間傳輸方法(如GPS精確點(diǎn)定位)進(jìn)行比較。最近，它還運(yùn)行了一條50km長(zhǎng)的WR鏈路，研究用于大地測(cè)量應(yīng)用的中距離低抖動(dòng)和低不對(duì)稱時(shí)間傳輸( IGS參考站、VLBI和衛(wèi)星激光測(cè)距)［17］。

5.3.2 LNE-SYRTE（法國(guó)國(guó)家計(jì)量研究所）

LNE-SYRTE是法國(guó)國(guó)家計(jì)量實(shí)驗(yàn)室，負(fù)責(zé)時(shí)間和頻率，受國(guó)家計(jì)量研究所的委托。它是巴黎天文臺(tái)錫爾特部門的一部分。目前，WR在LNE -SYTRE (巴黎天文臺(tái))用于在內(nèi)部傳播UTC。在未來(lái)一年內(nèi)，巴黎天文臺(tái)會(huì)完成在巴黎地區(qū)的實(shí)地部署。具體而言，巴黎天文臺(tái)正在參與歐盟項(xiàng)目WRITE - EURAMET EMPiR，其目的是為了給工業(yè)上的合作伙伴提供頻率和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)［18］。

6 WR未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

電信和信息科學(xué)的高速發(fā)展正使得工業(yè)時(shí)間的傳輸要求越來(lái)越接近科研機(jī)構(gòu)的水平。例如，亞微秒精度的智能電網(wǎng)，即將到來(lái)的100G以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，精度要求在幾納秒內(nèi)的5G移動(dòng)電信以及高頻率交易等，這些終端應(yīng)用領(lǐng)域的時(shí)間同步都可以通過WR技術(shù)加以解決。

WR能解決相位同步等問題，同時(shí)還能在大范圍和多設(shè)備的情況下以亞納秒精度同步時(shí)鐘。此外，加上其良好的可擴(kuò)展性，WR將有助于開發(fā)整個(gè)世界范圍的地面同步機(jī)制，其不僅可用作GPS 解決方案（基于地面衛(wèi)星接收站天線）的后臺(tái)技術(shù)，而且還能開啟自動(dòng)駕駛汽車或室內(nèi)導(dǎo)航等全新應(yīng)用的大門。

6.1 智能電網(wǎng)

世界上最好的技術(shù)大學(xué)之一，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院( EPFL )的分布式電氣系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室正在試驗(yàn)運(yùn)營(yíng)著自己的智能電網(wǎng)。他們目前正運(yùn)用WR來(lái)提高PMU（Power Management Unit，電源管理單元）的穩(wěn)態(tài)精度，以此避免目前使用基于GPS的PMU的缺點(diǎn):空間視野的局限性及GPS信號(hào)的不穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，WR - PMU的性能受到PMU硬件的限制，而不是WR的性能；對(duì)于基于GPS的PMU來(lái)說(shuō)，WR未來(lái)將是一種合適的替代方案［19］。

6.2 交易所

高頻率交易離不開經(jīng)過認(rèn)證的精確時(shí)序，其需要通過可靠的機(jī)制從認(rèn)證機(jī)構(gòu)將時(shí)間戳（一般指股票交易時(shí)間）分配給業(yè)務(wù)中心。

德意志交易所是股票和其他證券交易的市場(chǎng)組織者，也是交易服務(wù)提供商。德意志交易所內(nèi)部在同地2.0網(wǎng)絡(luò)中使用WR來(lái)同步所有的網(wǎng)絡(luò)捕獲和時(shí)間戳的設(shè)備。其使用同一時(shí)間源來(lái)保證讓客戶能夠?qū)r(shí)鐘同步到德意志交易所。他們正使用WR運(yùn)行高精度時(shí)間同步試點(diǎn)項(xiàng)目，以確定WR是當(dāng)前PTP時(shí)間同步協(xié)議的替代方案還是附加方案。

6.3 100G高速以太網(wǎng)的測(cè)試

急速增加的帶寬需求驅(qū)動(dòng)100G以太網(wǎng)盡快地投入應(yīng)用，支撐100G以太網(wǎng)接口的關(guān)鍵技術(shù)，主要包含物理層通道匯聚技術(shù)、多光纖通道及波分復(fù)用(WDM)技術(shù)［20］。

傳統(tǒng)的測(cè)試儀表，一般的測(cè)試系統(tǒng)為10G以下，測(cè)量精度20ns。64字節(jié)的以太網(wǎng)幀共有672比特的數(shù)據(jù)傳輸，在10G線路上傳輸一個(gè)1比特需要0.1ns，所以64字節(jié)需要67.2ns，20ns的測(cè)量精度足以將唯一時(shí)間戳標(biāo)記給發(fā)送的每一幀標(biāo)。

而對(duì)于100G的系統(tǒng)測(cè)試，傳輸一個(gè)64字節(jié)的數(shù)據(jù)幀僅需要前者的十分之一，也就是6.72ns，20ns的測(cè)量精度完全無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別每個(gè)幀的發(fā)送時(shí)間，并且在多機(jī)框測(cè)試或異地測(cè)試中，機(jī)框之間的時(shí)間必須準(zhǔn)確同步［20］。

基于以上兩點(diǎn)要求，WR能在亞納秒精度下對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行打戳的同時(shí)，還能準(zhǔn)確的同步測(cè)試機(jī)框直接的時(shí)鐘，該項(xiàng)技術(shù)能完全地滿足100G以太網(wǎng)的測(cè)試需求。

6.4 無(wú)人駕駛

近些年來(lái)基礎(chǔ)駕駛、ADAS（高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)）和無(wú)人駕駛對(duì)地圖精度的要求越來(lái)越高。普通地圖的定位精度在（5～10）m左右，而這對(duì)無(wú)人駕駛來(lái)說(shuō)仍舊誤差太大，其需要精度在（10～20）cm的“高精度地圖”［21］。無(wú)人駕駛汽車最關(guān)鍵的技術(shù)在于如何在復(fù)雜的路況中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定位和與其他路面單位的交互。WR系統(tǒng)下小于1ns的時(shí)鐘誤差反應(yīng)到定位誤差不會(huì)超過30cm。

在未來(lái)，所有的無(wú)人駕駛汽車都將連成無(wú)人交通網(wǎng)絡(luò)，這需要將同一GPS信號(hào)傳輸?shù)剿薪K端的無(wú)人汽車上。若WR將來(lái)能實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，超高精度時(shí)間的傳輸以及無(wú)損的全面數(shù)據(jù)傳輸對(duì)于每輛車的高精度定位與控制有著極大地幫助。

7 結(jié)束語(yǔ)

從2008年1月21日的第一代WR面世，到2012年WR技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)時(shí)間傳遞上的應(yīng)用，再到2018年10月在CERN召開的第十屆WR技術(shù)研討會(huì)，關(guān)于IEEE 1588—2008標(biāo)準(zhǔn)的WR擴(kuò)展正被推廣到即將發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)文本中一事宜，WR技術(shù)已經(jīng)進(jìn)化成為了精密時(shí)鐘協(xié)議（PTP）的延伸，被稱作WR-PTP，其標(biāo)準(zhǔn)化過程會(huì)在IEEE-1588V3 中得以完善，之后它將極易地適應(yīng)多家廠商而不僅僅是科研機(jī)構(gòu)。如今WRPTP以快速、確定、安全和多節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)將在計(jì)量、天文和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)阮I(lǐng)域大放光彩，WR技術(shù)的推廣將成為科技與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的助力器。