通信網(wǎng)中的時(shí)間同步問題分析

 1、問題的描述和分析

目前通信網(wǎng)中的各種設(shè)備之間的時(shí)間誤差非常大。通信網(wǎng)的計(jì)費(fèi)，運(yùn)營(yíng)管理，事件記錄和故障判別需要統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)代通信網(wǎng)設(shè)備日益采用計(jì)算機(jī)平臺(tái)，日益IP化。采用軟交換技術(shù)，時(shí)間同步采用TCP/IP時(shí)間協(xié)議NTP協(xié)議成為趨勢(shì)。

通信網(wǎng)內(nèi)獲得時(shí)間同步，要按照不同精度要求和穩(wěn)定要求選擇時(shí)間源，選擇合適的時(shí)間傳輸技術(shù)和校準(zhǔn)方法。

2、時(shí)間源的選擇

現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源是原子鐘。原子鐘是原子頻率的簡(jiǎn)稱，是根據(jù)原子物理學(xué)和量子力學(xué)原理制造的高準(zhǔn)確度和高穩(wěn)定度的振蕩器。物理原理是原子躍遷頻率只取決于其內(nèi)部特征而與外界電磁場(chǎng)無關(guān)，可以利用量子躍遷實(shí)現(xiàn)頻率控制。

因?yàn)樵�子鐘振蕩頻率存在著系統(tǒng)的和隨機(jī)誤差，人們通常采用一組原子鐘，用統(tǒng)計(jì)方法構(gòu)成一個(gè)“平均原子鐘”，取得原子時(shí)。現(xiàn)在國(guó)際原子時(shí)由50多個(gè)原子鐘計(jì)算得到。

按照廣義相對(duì)論四維時(shí)空框架，世界各國(guó)的原子鐘按照規(guī)定的方法進(jìn)行相互比對(duì)，其數(shù)據(jù)再由專門的國(guó)際機(jī)構(gòu)進(jìn)行處理，求出全世界統(tǒng)一的國(guó)際原子時(shí)（IAT）。UTC（Coordinated Universal Time協(xié)調(diào)世界時(shí)）是一個(gè)復(fù)合的時(shí)間標(biāo)度，由原子鐘驅(qū)動(dòng)的時(shí)間標(biāo)度和地球旋轉(zhuǎn)速率為基準(zhǔn)的時(shí)間標(biāo)度組成。UTC時(shí)間可由國(guó)內(nèi)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星得到。

銫原子鐘有很高的準(zhǔn)確度，穩(wěn)定度和均勻度，準(zhǔn)確度達(dá)到±3×10-15，長(zhǎng)期穩(wěn)定度±2×10-15，因此成為現(xiàn)代最高標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源，銣原子鐘穩(wěn)定性不夠，但是成本低，GPS可校正銣原子鐘，二者配合使用。

我國(guó)電信系統(tǒng)采用的時(shí)間源有兩種，一個(gè)是國(guó)內(nèi)的原子時(shí)間源，在武漢和北京的銫原子鐘，一個(gè)是GPS。全球定位系統(tǒng)GPS是美國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)， GPS發(fā)送美國(guó)海軍天文臺(tái)的UTC（USTU），為全世界用戶提供時(shí)間服務(wù)，美國(guó)海軍天文臺(tái)的UTC由20多個(gè)銫原子鐘形成，這種時(shí)間源完全能夠達(dá)到電信網(wǎng)內(nèi)各種設(shè)備時(shí)間同步的精度要求。GPS時(shí)鐘與地面鐘不同，要考慮狹義相對(duì)論中的衛(wèi)星和接收機(jī)相對(duì)于地心慣性坐標(biāo)系移動(dòng)的校正，和廣義相對(duì)論中衛(wèi)星和接收機(jī)引力周期變化的校正，以使用戶更準(zhǔn)確的得到時(shí)間。

3、授時(shí)技術(shù)的選擇

授時(shí)服務(wù)為國(guó)家計(jì)量機(jī)構(gòu)提供，為用戶提供3種信息：日期和時(shí)刻，精密的時(shí)間間隔，標(biāo)準(zhǔn)頻率。在我國(guó)可以主要得到下面授時(shí)信號(hào)。

（1）地面無線電波授時(shí)：國(guó)內(nèi)有BPM短波授時(shí)和BPL長(zhǎng)波授時(shí)。都有精度高，覆蓋大的優(yōu)點(diǎn)，如圖1所示。

圖1　地面無線電波授時(shí)

（2）衛(wèi)星授時(shí)

GPS導(dǎo)航系統(tǒng)：提供的時(shí)間信號(hào)對(duì)世界協(xié)調(diào)時(shí)跟蹤，精度優(yōu)于100 ns。GPS全球覆蓋，接收設(shè)備體積小，可以接收6顆衛(wèi)星信號(hào)，可用來提供2.048 Mbit/s基準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)。

俄羅斯的GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：目前系統(tǒng)未完成完善，接收設(shè)備商業(yè)化不夠。

中國(guó)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)：精度達(dá)到50 ns，目前覆蓋中國(guó)，同步衛(wèi)星信號(hào)接收設(shè)備體積較大，系統(tǒng)還未建成。

（3）網(wǎng)絡(luò)授時(shí)：通過互聯(lián)網(wǎng)授時(shí)。使用NTP（Network Time Protocol，網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議，RFC1305）。

（4）電話授時(shí)：通過公共電話網(wǎng)，用戶用調(diào)制解調(diào)器接首時(shí)間信號(hào)。

（5）電視授時(shí)：通過電視網(wǎng)授時(shí)。

（6）電信有線傳輸網(wǎng)授時(shí)