時鐘同步技術現(xiàn)狀及發(fā)展

　1 引言

　　作為數(shù)字通信網(wǎng)的基礎支撐技術，時鐘同步技術的發(fā)展演進始終受到通信網(wǎng)技術發(fā)展的驅動。在網(wǎng)絡方面，通信網(wǎng)從模擬發(fā)展到數(shù)字，從TDM網(wǎng)絡為主發(fā)展到以分組網(wǎng)絡為主;在業(yè)務方面，從以TDM話音業(yè)務為主發(fā)展到以分組業(yè)務為主的多業(yè)務模式，從固定話音業(yè)務為主發(fā)展到以固定和移動話音業(yè)務并重，從窄帶業(yè)務發(fā)展到寬帶業(yè)務等等。在與同步網(wǎng)相關性非常緊密的傳輸技術方面，從同軸傳輸發(fā)展到PDH，SDH，WDM和DWDM，以及最新的OTN和PTN技術。隨著通信新業(yè)務和新技術的不斷發(fā)展，其同步要求越來越高，包括鐘源、鎖相環(huán)等基本時鐘技術經(jīng)歷了多次更新?lián)Q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(yè)界關注的焦點。

　　2 時鐘技術發(fā)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(huán)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(huán)技術也得到了快速的演進和發(fā)展。

　　(1) 鐘源技術

　　時鐘振蕩器是所有數(shù)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(wěn)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(yōu)點，晶體振蕩器在各個行業(yè)和領域中得到廣泛應用。然而，普通晶體鐘一般受環(huán)境溫度影響非常大，因此，后來出現(xiàn)了具有恒溫槽的晶體鐘，甚至具有雙恒溫槽的高穩(wěn)晶體鐘，其性能得到很大改善。隨著通信技術的不斷發(fā)展，對時鐘精度和穩(wěn)定性提出了更高的要求，晶體鐘源已經(jīng)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(yōu)于nE-10的量級，而銫鐘則能達到或優(yōu)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(wěn)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(huán)技術

　　鎖相環(huán)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(tǒng)利用鎖相環(huán)技術進入鎖定狀態(tài)或同步狀態(tài)后，系統(tǒng)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(shù)。鎖相環(huán)路技術是時鐘同步的核心技術，它經(jīng)歷了模擬鎖相環(huán)路技術和數(shù)字鎖相環(huán)路技術的時代，直至發(fā)展到今天的智能鎖相環(huán)路技術。

　　模擬鎖相環(huán)的各個部件都是由模擬電路實現(xiàn)，一般由鑒相器、環(huán)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(huán)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(huán)路輸入信號頻率，當二者相等時，即完成鎖定。

　　與模擬鎖相環(huán)相比，數(shù)字鎖相環(huán)中的誤差控制信號是離散的數(shù)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(xù)的。另外，環(huán)路組成部件也全用數(shù)字電路實現(xiàn)，改善了模擬鎖相環(huán)穩(wěn)定性差的問題。隨著數(shù)字技術的發(fā)展，出現(xiàn)了智能鎖相環(huán)路技術，即直接數(shù)字頻率合成(DDS—Digital Direct Frequency Synthesis)技術。智能全數(shù)字鎖相環(huán)在單片F(xiàn)PGA中就可以實現(xiàn)。借助鎖相環(huán)狀態(tài)監(jiān)測電路，通過CPU可以縮短鎖相環(huán)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(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)生指令不匹配，導致通話連接不能正常建立。

　　對于3G網(wǎng)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(fā)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(shù)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(jiān)測系統(tǒng)，為避免因信令出現(xiàn)先后順序的錯誤而產(chǎn)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(wǎng)絡的計費系統(tǒng)，為避免交換機之間大的時間偏差可能會導致出現(xiàn)有相互矛盾的話單，時間同步的要求是0.5s。對于各種業(yè)務的網(wǎng)管系統(tǒng)，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(wǎng)絡的流媒體業(yè)務中RSTP，它是為流媒體實現(xiàn)多點傳送和以點播方式單一傳送提供健壯的協(xié)議，RTSP采用了時間戳方法來保證流媒體業(yè)務的QoS。對于基于IP網(wǎng)絡的電子商務等，為保障SSL協(xié)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(wǎng)絡中大量的基于計算機的設備及應用系統(tǒng)(例如移動營業(yè)系統(tǒng)、綜合查詢系統(tǒng)、客服系統(tǒng)等)普遍支持NTP，時間同步的要求在秒級或者分鐘級。

　　3.2 現(xiàn)有時間同步技術

　　針對不同精度的時間同步需求，在通信網(wǎng)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(fā)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(wǎng)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(guī)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(tǒng)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(wǎng)絡中傳遞時間的協(xié)議主要有時間協(xié)議(Time Protocol)、日時協(xié)議(Daytime Protocol)和網(wǎng)絡時間協(xié)議(NTP)3種。另外，還有一個僅用于用戶端的簡單網(wǎng)絡時間協(xié)議 (SNTP)。網(wǎng)上的時間服務器會在不同的端口上連續(xù)的監(jiān)視使用以上協(xié)議的定時要求，并將相應格式的時間碼發(fā)送給客戶。在上述幾種網(wǎng)絡時間協(xié)議中，NTP協(xié)議最為復雜，所能實現(xiàn)的時間準確度相對較高。在RFC-1305中非常全面地規(guī)定了運行NTP的網(wǎng)絡結構、數(shù)據(jù)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(wǎng)和廣域網(wǎng)中應用，精度通常只能達到毫秒級或秒級。

　　近幾年來還出現(xiàn)了改進型NTP。與傳統(tǒng)的NTP不同，改進型NTP在物理層產(chǎn)生和處理時戳標記，這需要對現(xiàn)有的NTP接口進行硬件改造。改進型 NTP依舊采用NTP協(xié)議的算法，可以與現(xiàn)有NTP接口實現(xiàn)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。