時鐘同步技術概述

1 引言

　　作為數字通信網的基礎支撐技術，時鐘同步技術的發展演進始終受到通信網技術發展的驅動。在網絡方面，通信網從模擬發展到數字，從TDM網絡為主發展到以分組網絡為主;在業務方面，從以TDM話音業務為主發展到以分組業務為主的多業務模式，從固定話音業務為主發展到以固定和移動話音業務并重，從窄帶業務發展到寬帶業務等等。在與同步網相關性非常緊密的傳輸技術方面，從同軸傳輸發展到PDH，SDH，WDM和DWDM，以及最新的OTN和PTN技術。隨著通信新業務和新技術的不斷發展，其同步要求越來越高，包括鐘源、鎖相環等基本時鐘技術經歷了多次更新換代，同步技術也在不斷地推陳出新，時間同步技術更是當前業界關注的焦點。

　　2 時鐘技術發展歷程

　　時鐘同步涉及的最基本技術包括鐘源技術和鎖相環技術，隨著應用需求的不斷提高，技術、工藝的不斷改進，鐘源技術和鎖相環技術也得到了快速的演進和發展。

　　(1) 鐘源技術

　　時鐘振蕩器是所有數字通信設備的基本部件，按照應用時間的先后，鐘源技術可分為普通晶體鐘、具有恒溫槽的高穩晶振、原子鐘、芯片級原子鐘。

　　一般晶體振蕩器精度在nE-5~nE-7之間，由于具有價格便宜、尺寸小、功耗低等諸多優點，晶體振蕩器在各個行業和領域中得到廣泛應用。然而，普通晶體鐘一般受環境溫度影響非常大，因此，后來出現了具有恒溫槽的晶體鐘，甚至具有雙恒溫槽的高穩晶體鐘，其性能得到很大改善。隨著通信技術的不斷發展，對時鐘精度和穩定性提出了更高的要求，晶體鐘源已經難以滿足要求，原子鐘技術開始得到應用，銣鐘和銫鐘是其中最有代表性的原子鐘。一般來說，銣鐘的精度能達到或優于nE-10的量級，而銫鐘則能達到或優于1E-12的量級。

　　然而，由于尺寸大、功耗高、壽命短，限制了原子鐘在一些領域的應用，芯片級原子鐘有望解決這個難題。目前民用的芯片級原子鐘基本上處于試驗階段，其尺寸只有立方厘米量級，耗電只有百毫瓦量級，不消耗原子，延長了使用壽命，時鐘精度在nE-10量級以上，具有很好的穩定性。芯片級原子鐘將在通信、交通、電力、金融、國防、航空航天以及精密測量等領域有著廣泛的應用前景。

　　(2) 鎖相環技術

　　鎖相環技術是一種使輸出信號在頻率和相位上與輸入信號同步的電路技術，即當系統利用鎖相環技術進入鎖定狀態或同步狀態后，系統的震蕩器輸出信號與輸入信號之間相差為零，或者保持為常數。鎖相環路技術是時鐘同步的核心技術，它經歷了模擬鎖相環路技術和數字鎖相環路技術的時代，直至發展到今天的智能鎖相環路技術。

　　模擬鎖相環的各個部件都是由模擬電路實現，一般由鑒相器、環路濾波器、壓控振蕩器等3部分組成，其中鑒相器用來鑒別輸入信號與輸出信號之間的相位差 ，并輸出電壓誤差，其噪聲和干擾成分被低通性質的環路濾波器濾除，形成壓控振蕩器的控制電壓，其作用于壓控振蕩器的結果是把它的輸出振蕩頻率拉向環路輸入信號頻率，當二者相等時，即完成鎖定。

　　與模擬鎖相環相比，數字鎖相環中的誤差控制信號是離散的數字信號，而不是模擬電壓，因此受控的輸出電壓的改變是離散的而不是連續的。另外，環路組成部件也全用數字電路實現，改善了模擬鎖相環穩定性差的問題。隨著數字技術的發展，出現了智能鎖相環路技術，即直接數字頻率合成(DDS—Digital Direct Frequency Synthesis)技術。智能全數字鎖相環在單片FPGA中就可以實現。借助鎖相環狀態監測電路，通過CPU可以縮短鎖相環鎖定時間，并逐漸改進其輸出頻率的抖動特性，達到最佳的鎖相和頻率輸出效果。

　　3 同步技術現狀分析

　　同步技術包括頻率同步技術和時間同步技術兩個方面，其中頻率同步技術比較成熟不再贅述，下面將就通信領域對時間同步的需求和在通信領域中得到應用的現有時間同步技術展開分析。

　　3.1 時間同步需求

　　時間同步在通信領域中有著越來越廣泛的需求，各種通信系統對時間同步的需求可分為高精度時間需求(微秒級和納秒級)和普通精度時間需求(毫秒級和秒級)。

　　(1)高精度時間需求

　　對于CDMA基站和cdma2000基站，時間同步的要求是10μs;對于TD-SCDMA基站，時間同步的要求是3μs;對于WiMAX系統和LTE，時間同步的要求是1μs 甚至亞微秒量級，這就要求時間同步服務等級需達到100ns量級。如果基站與基站之間的時間同步不能達到上述要求，將可能導致在選擇器中發生指令不匹配，導致通話連接不能正常建立。

　　對于3G網絡中基于位置定位的服務，若是利用手機接收附近多個基站發送的無線信號進行定位，則要求基站必須是時間同步的。一般來說10ns的時間同步誤差將引起數米的位置定位誤差，不同精度的位置服務要求的時間精度也不相同。

　　(2)普通精度時間需求

　　對于No.7信令監測系統，為避免因信令出現先后順序的錯誤而產生虛假信息，必須要求所有信令流的時間信息是準確無誤的，時間同步的要求是1ms。對于各種交換網絡的計費系統，為避免交換機之間大的時間偏差可能會導致出現有相互矛盾的話單，時間同步的要求是0.5s。對于各種業務的網管系統，為有效分析出故障的源頭及引起的后果，進行故障定位和查找故障原因，時間同步的要求是0.5s。

　　對于基于IP網絡的流媒體業務中RSTP，它是為流媒體實現多點傳送和以點播方式單一傳送提供健壯的協議，RTSP采用了時間戳方法來保證流媒體業務的QoS。對于基于IP網絡的電子商務等，為保障SSL協議的安全性，采用“時間戳”方式來解決“信息重傳”的攻擊方法，其對時間同步的要求至少是0.1s左右。通信網絡中大量的基于計算機的設備及應用系統(例如移動營業系統、綜合查詢系統、客服系統等)普遍支持NTP，時間同步的要求在秒級或者分鐘級。

　　3.2 現有時間同步技術

　　針對不同精度的時間同步需求，在通信網中主要應用了以下幾種時間同步技術：

　　(1) IRIG-B(Inter Range InstrumentaTIon Group)和DCLS (DC Level Shift)

　　IRIG編碼源于為磁帶記錄時間信息，帶有明顯的模擬技術色彩，從20世紀50年代起就作為時間傳遞標準而獲得廣泛應用。IRIG-A和IRIG- B都是于1956年開發的，它們的原理相同，只是采用的載頻頻率不同，故其分辨率也不一樣。IRIG-B采用1kHz的正弦波作為載頻進行幅度調制，對最近的秒進行編碼。IRIG-B的幀內包括的內容有天、時、分、秒及控制信息等，可以用普通的雙絞線在樓內傳輸，也可在模擬電話網上進行遠距離傳輸。到了20世紀90年代，為了適應世紀交替對年份表示的需要，IEEE 1344-1995規定了IRIG-B時間碼的新格式，要求編碼中還包括年份，其它方面沒有改變。

　　DCLS是IRIG碼的另一種傳輸碼形，即用直流電位來攜帶碼元信息，等效于IRIG調制碼的包絡。DCLS技術比較適合于雙絞線局內傳輸，在利用該技術進行局間傳送時間時，需要對傳輸系統介入的固定時延進行人工補償，IRIG的精度通常只能達到10微秒量級。

　　(2) NTP(Network Time Protocal)

　　在計算機網絡中傳遞時間的協議主要有時間協議(Time Protocol)、日時協議(Daytime Protocol)和網絡時間協議(NTP)3種。另外，還有一個僅用于用戶端的簡單網絡時間協議 (SNTP)。網上的時間服務器會在不同的端口上連續的監視使用以上協議的定時要求，并將相應格式的時間碼發送給客戶。在上述幾種網絡時間協議中，NTP協議最為復雜，所能實現的時間準確度相對較高。在RFC-1305中非常全面地規定了運行NTP的網絡結構、數據格式、服務器的認證以及加權、過濾算法等。NTP技術可以在局域網和廣域網中應用，精度通常只能達到毫秒級或秒級。

　　近幾年來還出現了改進型NTP。與傳統的NTP不同，改進型NTP在物理層產生和處理時戳標記，這需要對現有的NTP接口進行硬件改造。改進型 NTP依舊采用NTP協議的算法，可以與現有NTP接口實現互通。與原有NTP相比，其時間精度可以得到大幅度提升。目前支持改進型NTP的設備還較少，其精度和適用場景等還有待進一步研究。改良行NTP號稱能達到十微秒量級。