关于时间同步技术的整理

发表时间:2018-08-08 10:54
文章附图

时间概念

 时间与频率之间互为倒数关系,两者密不可分,时间标准的基础是频率标准,由晶体振荡器决定时间的精度。

   4种实用的时间频率标准源包括晶体钟、铷原子钟、氢原子钟和铯原子钟。

 常用的时间坐标系,时间包含时刻(点)和时间间隔(段),常用的时间坐标系有时间时(UT)、地方时、原子时(AT)、协调世界时(UTC)和GPS时。定时是指根据参考时间标准对本地钟进行校准的过程。时间同步是在母钟与子钟之间时间一致的过程,又称时间统一。守时是指将本地时钟已校准的时间保持下去的过程,国内外守时中心一般都采用由多台铯原子和氢原子钟组成的守时钟组来进行守时,守时钟组长期运行性能表现最好的一台被定为主钟(MC-Main Clock)。

时钟同步技术

 时钟同步涉及最基本的技术包括时钟源技术和锁相环技术。

1、时钟源技术

 时钟振荡器是所有数字通信设备中最基本的部件,时钟源技术可以分为普通晶体时钟、高稳定晶振、原子钟和芯片级原子钟。

 一般晶体振荡器精度在1e-5到1e-7之间,铷钟精度可以达到1e-10,铯钟可以达到1e-12量级。芯片级原子钟可以达到1e-10量级以上的精度,具有很好的稳定性。

2、锁相环技术

 锁相环技术是一种使得输出信号在频率和相位上与输入信号同步的电路技术,利用锁相环技术进入锁定状态或者同步状态后,系统的振荡器输出信号与输入信号之间的相差为零。锁相环技术是时钟同步的核心技术。

 模拟锁相环由检相器、环路滤波器和压控振荡器3个部分组成。而数字锁相环中的误差控制信号使用离散的数字信号,而不是模拟电压。智能锁相环路技术,即直接数字频率合成(DDS-Digital Direct Frequency Synthesis)技术,在单片FPGA中就可以实现。

3、时间同步需求

 时间同步需求可分为高精度时间需求(微秒级和纳秒级)和普通精度时间需求(毫秒级和秒级)。

高精度时间需求

 对于CDMA基站和CDMA 2000基站,时间同步的要求是10us,对于TD-SCDMA基站时间同步要求为3us,对于LTE时间同步要求为1us甚至是微秒量级,这要求时间同步服务器等级需要达到100ns量级。如果基站与基站之间的时间同步不能达到要求,将可能导致在选择器中发生指令不匹配,导致通话连接不能正常建立。

 对于No.7信令监测系统,为了避免因为信令出现先后次序的错误而产生虚假信息,必须要求所有信令流的时间信息是准确无误的,时间同步要求是1ms。对于各种交换网络的计费系统,为了避免交换机之间大的时间偏差可能会导致出现有相互矛盾的话单,时间同步要求是0.5s。对于各种业务的网管系统,为了有效分析出故障的源头及其引起的后果,进行故障定位和查找故障原因,时间同步要求为0.5s。对于IP网络流媒体业务中RSTP,采用时间戳方式来保证流媒体的QoS。对于IP网络的电子商务,为了保障SSL协议的安全性,采用时间戳方式来解决信息重传的攻击方式,它们对时间同步的要求至少是0.1s左右。通信网络中大量基于计算机的设备和应用系统普遍支持NTP同步,时间同步的要求在秒级或者分钟级。

时间同步技术

 针对不同精度的时间同步需求,在通信网中主要应用以下几种同步技术:

1、IRIG-B和DCLS

DCLS是IRIG码的另一种传输码形,使用直流电携带码元信息,等效于IRIG调制码的包络。它比较适合双绞线局内传输,需要对传输系统介入固定时延人工补偿,IRIG精度通常只能达到10us量级。

2、NTP

在计算机网络中传递时间的协议有时间协议(TP)、日时协议(DP)、网络时间协议(NTP)和精确同步时钟协议(PDP)4种。另外,还有一个仅用于用户端的简单网络时间协议(SNTP)。NTP技术(RFC-1305规范)可以在局域网和广域网中应用,精度通常只能达到毫秒级或者秒级。改进型NTP在物理层产生和处理时间标记,精度号称可以达到10微秒量级。

 中国移动制定1PPS+TOD接口规范,ToD信息采用二进制协议,可以用于局内时间传送,需要人工补偿时延,其精度只能达到100ns量级。

3、PTP(精确时间协议)

   PTP和NTP的实现原理均基于双向对等传输时延,最大的不同是时间标签的产生和处理环节。PTP通过物理层的时间戳标记获得远高于NTP的时间精度。基于IEEE-1588的PTP技术原先用于需要严格时序配合的工业控制,已经发展到版本2,并且在同步设备、光传输设备和3G基站设备上得到应用,精度可以达到微秒级。

通用定时接口技术和光纤时间同步技术

 在ITU-T J.211标准中规定一种新型的定时接口,DTI(DOCSIS Timing Interface

,将逐渐应用于通信领域,即通用定时接口技术。这两种技术的标准化和具体实现还有待进一步研究。

1、频率同步技术

 已提出静止轨道激光同步(LASSO)和航天飞机实验等时间频率同步的新建议。利用同步卫星上的激光反射器,将一个地球站向卫星发射的激光脉冲发射到另一个地球站进行时间频率同步,预期同步精度将优于1ns。频率同步技术相对于成熟,但是还有待于实际使用验证。

2、GPS

 为了得到精密的GPS时间,使它的准确度达到100ns,每个GPS卫星上装有铯钟作为星载钟,GPS全部卫星于地面监控站构成一个闭环自动修正系统,采用UTC作为参考基准。基于用户端精确测定和扣除GPS时间信号的传输时延,以达到对本地时钟的定时和校准。GPS定时准确度取决于信号发射端、信号传输过程和接收端引入的误差。在设备上安装全球定位系统(Global Position System)模块进行时间同步,必须使用天线或者空旷的地方获取GPS的时钟信息,精度可以达到100纳秒级。

---------------------

作者:fan_hai_ping

原文:https://blog.csdn.net/fan_hai_ping/article/details/7989029?utm_source=copy

浙ICP备13009760号-1      ©2020 浙江赛思电子科技有限公司 版权所有