White Rabbit技術(shù)在時敏領域應用綜述

李 恩，羅青松，鐘震林

(中國電子科技集團公司第三十四研究所，廣西 桂林 541004)

0 引言

White Rabbit(簡稱WR)同步技術(shù)最初誕生于歐洲物理粒子研究所(CERN)，用于實現(xiàn)大型物理實驗裝置內(nèi)部各分系統(tǒng)的精確時頻同步及時間戳標記。該技術(shù)在兼容千兆光纖以太網(wǎng)標準前提下，綜合運用物理層同步、時間戳對準、相位測量和補償、延遲自動校準等多種技術(shù)，能有效解決大規(guī)模網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換及亞納秒級時頻同步一體化的問題。由于其完全開源、通用性強、精度高、互聯(lián)互通等特點，逐漸在較多需要超高性能的時間敏感領域得到應用。

1 組網(wǎng)架構(gòu)及優(yōu)勢

1.1 組網(wǎng)架構(gòu)

WR網(wǎng)絡通常包含外部參考時鐘、WR主端、WR交換機和WR節(jié)點，典型組網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。

參考時鐘使用銣/銫原子鐘作為外部頻率參考，GPS/北斗/GLONASS接收機作為外部時間參考。時間頻率信號發(fā)送給WR主端，WR主端通過下行連接通道將數(shù)據(jù)和時鐘分發(fā)給WR交換機；WR交換機將數(shù)據(jù)和時鐘直接傳輸?shù)浇K端的WR節(jié)點，或者繼續(xù)傳至下一級WR交換機，直至終端的WR節(jié)點[1]。為確保時頻和數(shù)據(jù)傳輸可靠性，網(wǎng)絡中增加了備用WR主端；通過快速生成樹協(xié)議可實現(xiàn)主鏈路故障時快速切換到備用鏈路。

圖1 WR典型組網(wǎng)架構(gòu)Fig.1 Typical networking structure of WR

1.2 優(yōu)勢分析

傳統(tǒng)SyncE+IEEE1588v2技術(shù)因其標準化和便于組網(wǎng)的特點，已在現(xiàn)有商用4G/5G網(wǎng)絡廣泛使用。但受限于時間戳精度原因，即便在點對點連接情況下，其同步精度也僅能達到納秒級；而且隨著節(jié)點數(shù)的增加，性能劣化較為明顯[2]。WR則采用數(shù)字雙混頻鑒相測量(DDMTD)，時間戳精度優(yōu)于IEEE1588v2至少一個量級，在同步精度上也優(yōu)于其一個量級；而且數(shù)據(jù)傳輸具有確定性時延，非常適用于定時控制領域。

專用光纖授時技術(shù)雖然在時頻同步方面性能顯著，但大多基于私有同步協(xié)議，在標準化、開放性、組網(wǎng)能力、數(shù)據(jù)傳輸方面存在明顯短板，難以實現(xiàn)規(guī)?；瘧?。相比較而言，WR在標準化、通用化、便捷組網(wǎng)等方面優(yōu)勢明顯，能夠很好地適應層級化、分布式的復雜網(wǎng)絡架構(gòu)，節(jié)點數(shù)量可達數(shù)千個；同步數(shù)據(jù)格式兼容于以太網(wǎng)標準，不影響正常分組數(shù)據(jù)傳輸；所有節(jié)點時間頻率均溯源至參考時鐘，并確保超高的時頻同步性能。

2 應用方式

目前，WR技術(shù)仍主要應用于國家時頻實驗室、粒子加速器、同步加速器、裂變源、中微子檢測、宇宙射線探測等需要超高時頻及定時同步性能的時間敏感領域，具體應用情況如表1所示。

表1 WR技術(shù)時敏領域應用情況Table.1 Applications of WR technology in time sensitive field

續(xù)表

經(jīng)過優(yōu)化和改進，WR逐步拓展到高精度時頻傳遞、精準時間戳標記、射頻信號分布傳輸、定時觸發(fā)控制等多種應用方式。

2.1 時間頻率傳遞

時間頻率傳遞是WR技術(shù)最普遍和基礎的應用，即采用WR交換機/節(jié)點將時間頻率傳遞至其他的交換機/節(jié)點，使得網(wǎng)絡中各交換機/節(jié)點輸出與主時鐘同步的1 PPS秒信號和頻率信號。通常情況下，將天基授時設備和原子鐘的時頻信號輸入到WR主時鐘，則WR網(wǎng)絡傳輸?shù)臅r間頻率即可溯源于國際原子時(TAI)和協(xié)調(diào)世界時(UTC)。

全球多家國家時頻實驗室采用WR技術(shù)實現(xiàn)官方UTC時間的分發(fā)及時鐘比對。2016年，芬蘭MIKES實驗室建設了950 km雙纖長距離WR時頻傳遞系統(tǒng)，如圖2所示。雙向均使用相同的DWDM波長，鏈路經(jīng)過10個光放大節(jié)點，系統(tǒng)時間同步精度達到±2 ns，千秒級穩(wěn)定度達到20 ps[3]。

荷蘭VSL實驗室建設了2×137 km單纖雙向WR時頻傳遞鏈路，如圖3所示。雙向傳輸波長分別為1 470/1 490 nm，系統(tǒng)時間同步精度優(yōu)于8 ns，千秒級穩(wěn)定度達到10 ps[3]。

圖2 950 km雙纖長距離WR時頻傳遞系統(tǒng)Fig.2 950 km double fiber long-distance time-frequency transmission system of WR

圖3 2×137 km單纖雙向WR時頻傳遞系統(tǒng)Fig.3 2×137 km single fiber bidirectional time-frequency transmission system of WR

2017年，法國LNE-SYRTE實驗室建設了4×125 km的雙纖WR級聯(lián)式時頻傳遞系統(tǒng)，如圖4所示。其中WR主時鐘經(jīng)過了時頻性能改進，中間鏈路經(jīng)過3級WR交換機，各光纖段分別使用不同波長(1 510/1 541/1 610/1 560 nm)，末端節(jié)點24小時時間同步精度最高達優(yōu)于400 ps，14天內(nèi)同步精度在2.5 ns以內(nèi)，秒級穩(wěn)定度達到5.5 ps[4]。

圖4 4×125 km的雙纖WR級聯(lián)式時頻傳遞系統(tǒng)Fig.4 4×125 km double fiber cascade time-frequency transmission system of WR

2018年，美國國家標準與技術(shù)研究院局NIST在其分院間建立了10 km的單纖雙向WR時頻傳遞系統(tǒng)，節(jié)點時間同步精度優(yōu)于200 ps，秒級穩(wěn)定度達到20 ps[5]。

2018年，英國國家物理實驗室(NPL)搭建了2×80 km的雙纖WR傳輸鏈路，時間同步精度優(yōu)于1 ns，千秒級穩(wěn)定度達到1.7 ps[6]。

2019年，澳大利亞/南非的平方公里陣列射電望遠鏡(SKA)裝置中建設了基于單纖雙向WR同步系統(tǒng)，如圖5所示。系統(tǒng)包含4級WR交換機，11個末端節(jié)點，用于分發(fā)同步1 PPS秒信號。在對光纖溫度效應、波長不對稱時延、Sagnac不對稱時延進行補償后，WR末端節(jié)點的同步精度優(yōu)于211 ps，秒級穩(wěn)定度達到23.1 ps，千秒級穩(wěn)定度達到7.3 ps[7]。

實際應用表明，采用WR技術(shù)傳遞時間頻率，其同步精度和穩(wěn)定度性能較好。目前各國國家時間實驗室仍在不斷研究WR在各種傳輸制式、傳輸波長、光纖類型及長度等情況下的時頻傳遞效果，并逐步提升其性能指標。

圖5 SKA裝置單纖雙向WR同步系統(tǒng)Fig.5 Single fiber bidirectional of WR synchronization system in SKA instruments

2.2 精準時間戳標記

精準時間戳標記是WR的關鍵技術(shù)之一，其原理是采用數(shù)字雙混頻鑒相測量(DDMTD)與時間數(shù)字轉(zhuǎn)換(TDC)相結(jié)合，實現(xiàn)最高皮秒級的時間戳標記精度。

我國四川稻城的大型高海拔空氣簇射觀測站(LHAASO)位于海拔4 410 m，是世界海拔最高、規(guī)模最大的宇宙射線探測裝置，其6 800多個探測節(jié)點均勻分布于約1 km2范圍內(nèi)。LHAASO采用WR技術(shù)建立了專用的數(shù)據(jù)傳輸與同步網(wǎng)絡，架構(gòu)如圖6所示。為適應當?shù)貝毫拥臍夂颦h(huán)境(-23～+21 ℃)，系統(tǒng)還增加了溫度補償功能，可實現(xiàn)寬溫變化情況下各節(jié)點的時間戳標記精度優(yōu)于500 ps(RMS)[8-9]。

圖6 LHAASO數(shù)據(jù)傳輸與同步網(wǎng)絡架構(gòu)Fig.6 LHAASO network structure for data transmission and synchronization

俄羅斯在西伯利亞100 km2范圍內(nèi)建設了HiSCORE實驗裝置，均勻分布著2 000多個契倫科夫探測站，為了在高能區(qū)獲得0.1°的角分辨率，探測站之間采用WR網(wǎng)絡實現(xiàn)時間同步和數(shù)據(jù)交互，其同步系統(tǒng)平均時間戳標記精度優(yōu)于1 ns[10]。

位于地中海海底的立方千米中微子望遠鏡(KM3NeT)裝置由數(shù)千個數(shù)字化光學模塊(DOMs)組成，其中4 000多個DOMs分布在離意大利海岸100 km的3 500 m海底，2 000多個DOMs分布在離法國海岸40 km的2 400 m海底。在該裝置中，岸端的時頻基準通過WR網(wǎng)絡實現(xiàn)6 000多個DOMs模塊的同步，最終整網(wǎng)的時間同步精度優(yōu)于1 ns，秒級穩(wěn)定度優(yōu)于100 ps[11-12]。

在上述科研領域，WR精準時間戳標記功能有效解決了大規(guī)模、分布式時間戳標記的難題；同時，時間戳標記值還可通過WR數(shù)據(jù)傳輸功能，集中至計算機進行數(shù)據(jù)分析。

2.3 射頻信號分布傳輸

WR技術(shù)分布式傳輸射頻時鐘信號的原理是在WR主端輸入射頻時鐘信號，經(jīng)數(shù)字化后傳輸至末端節(jié)點，末端節(jié)點通過數(shù)模轉(zhuǎn)換恢復出射頻信號。

2015年，歐洲物理粒子研究所(CERN)的大型強子對撞機(LHC)裝置采用了WR技術(shù)，用于352 MHz射頻時鐘信號的分布式傳輸，如圖7所示。

圖7 LHC射頻信號分發(fā)網(wǎng)絡Fig.7 RF signal distribution network in LHC

經(jīng)數(shù)字化傳輸后，WR從節(jié)點DDS恢復出的射頻信號相位同步偏差小于1 ns，相位抖動小于20 ps(RMS)。未來CERN的超級質(zhì)子同步加速器(SPS)裝置也將采用WR技術(shù)，實現(xiàn)200 MHz射頻信號的分布式傳輸，并要求末端節(jié)點頻率信號相位偏差優(yōu)于10 ps，相位抖動小于0.25 ps(RMS)[13]。

2017年，位于法國的歐洲同步輻射光源(ESRF)裝置同樣采用WR技術(shù)實現(xiàn)1 km范圍內(nèi)的射頻信號分發(fā)。一路352 MHz的射頻信號輸入主端，經(jīng)過1臺WR 交換機分發(fā)至7個末端節(jié)點。經(jīng)測試，所有末端節(jié)點射頻信號的相位抖動均小于10 ps(RMS)[14]。

WR技術(shù)不但可多路分發(fā)射頻信號，通過調(diào)整直接數(shù)字合成單元(DDS)控制字在數(shù)字域內(nèi)實時補償溫度變化引起的時延波動，還可實現(xiàn)射頻信號的穩(wěn)相傳輸。

2.4 定時觸發(fā)控制

定時觸發(fā)控制功能在粒子加速器和同步加速器裝置中具有重要作用，其原理是裝置中的控制器確定關聯(lián)的動作后，分發(fā)給眾多空間上分散的分系統(tǒng)，各分系統(tǒng)再依據(jù)預定的時間自動執(zhí)行對應的觸發(fā)動作。

2015年，德國重離子研究中心(GSI)的FAIR粒子加速器中建立了基于WR的通用機器時間(GTM)系統(tǒng)，包含3個WR交換層級和30個末端節(jié)點，光纖鏈路小于2 km，網(wǎng)絡架構(gòu)如圖8所示。系統(tǒng)中各節(jié)點定時觸發(fā)控制的同步偏差在1～5 ns，穩(wěn)定度優(yōu)于10 ps[15]。2017年，系統(tǒng)已擴展至5個交換層級，定時觸發(fā)同步偏差優(yōu)于1 ns[16]。

圖8 GTM定時觸發(fā)控制網(wǎng)絡架構(gòu)Fig.8 Network structure of GTM timing trigger control

綜上所述，WR技術(shù)僅在長距離時頻傳遞時，同步精度劣化至納秒量級；而在其他應用場景下，基本在100 ps量級。普適性應用條件下，WR技術(shù)秒級穩(wěn)定度均達到10 ps量級，千秒級穩(wěn)定度達到皮秒量級。

3 未來發(fā)展趨勢

隨著逐漸多樣化的場景應用，WR技術(shù)增加了光纖物理鏈路不對稱時延補償、群速率差異不對稱時延補償、Sagnac不對稱時延補償、光纖溫度時延波動補償、低抖動時鐘處理、低噪聲DDS等功能，逐步向更多層級/節(jié)點組網(wǎng)、多因素智能自動補償、復雜環(huán)境適應、超高同步性能等方向發(fā)展。得益于WR技術(shù)的開源屬性，其各項性能指標還將不斷得到提升。隨著新的硬件優(yōu)化和各類補償算法等措施的采用，WR對應的同步精度均能突破100 ps的限制，其千秒級穩(wěn)定度也將穩(wěn)步跨入飛秒量級。此外，針對不同應用場景開發(fā)多功能應用軟件顯得尤為重要；WR技術(shù)與數(shù)據(jù)分析、可視化管理相結(jié)合，更有利于拓展應用面和提升應用效果。

2019年,P1588工作組在新的1588標準草案(IEEE1588-2019 draft)中引入了WR技術(shù)的一些概念，包括物理層相位同步、DDMTD測量等，并增加了針對高精度應用的PTP Profile[17]。未來極有可能形成新的IEEE1588v3標準，更好地推進WR技術(shù)的規(guī)?；瘧谩?/p>

4 結(jié)束語

針對大范圍、多節(jié)點、分布式系統(tǒng)中實現(xiàn)時頻信號傳遞、定時控制、時間戳標記、射頻信號分發(fā)等時敏領域應用，WR具有極佳的技術(shù)優(yōu)勢，并已在多個裝置和系統(tǒng)中得到驗證。隨著科技的發(fā)展，在通信、電力、金融、交通及科研等眾多領域，時間敏感方面的應用需求與日俱增。例如，在現(xiàn)代工業(yè)領域，5G通信網(wǎng)絡、廣域智能電網(wǎng)、金融交易系統(tǒng)、智能交通、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等均需要數(shù)據(jù)傳輸及時頻同步；在航天測控、精準反導、雷達組網(wǎng)、導航定位等系統(tǒng)往往需要納秒級甚至更高的同步精度；在科學研究領域，諸多大型科學實驗裝置需要密集多節(jié)點的精準時頻同步及定時控制。鑒于WR的卓越性能和多樣用途，在可預見的未來，其必將擁有廣闊的應用前景。