NTP時鐘服務器原理及誤差簡析（京準）

NTP時鐘服務器原理及誤差簡析
1、引言
作爲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網絡爲主發展到以分組網絡爲主；在業務方面，從以TDM話音業務爲主發展到以分組業務爲主的多業務模式，從固定話音業務爲主發展到以固定和移動話音業務並重，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。隨着通信新業務和新技術的不斷髮展，其同步要求越來越高，包括鍾源、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鍾源技術和鎖相環技術，隨着應用需求的不斷提高，技術、工藝的不斷改進，鍾源技術和鎖相環技術也得到了快速的演進和發展。
(1) 鍾源技術
時鐘振盪器是所有數字通信設備的基本部件，按照應用時間的先後，鍾源技術可分爲普通晶體鍾、具有恆溫槽的高穩晶振、原子鐘、芯片級原子鐘。
一般晶體振盪器精度在nE-5~nE-7之間，由於具有價格便宜、尺寸小、功耗低等諸多優點，晶體振盪器在各個行業和領域中得到廣泛應用。然而，普通晶體鍾一般受環境溫度影響非常大，因此，後來出現了具有恆溫槽的晶體鍾，甚至具有雙恆溫槽的高穩晶體鍾，其性能得到很大改善。隨着通信技術的不斷髮展，對時鐘精度和穩定性提出了更高的要求，晶體鍾源已經難以滿足要求，原子鐘技術開始得到應用，銣鍾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於nE-10的量級，而銫鐘則能達到或優於1E-12的量級。
然而，由於尺寸大、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於試驗階段，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着廣泛的應用前景。
(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後，系統的震盪器輸出信號與輸入信號之間相差爲零，或者保持爲常數。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，一般由鑑相器、環路濾波器、壓控振盪器等3部分組成，其中鑑相器用來鑑別輸入信號與輸出信號之間的相位差 ，並輸出電壓誤差，其噪聲和干擾成分被低通性質的環路濾波器濾除，形成壓控振盪器的控制電壓，其作用於壓控振盪器的結果是把它的輸出振盪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。隨着數字技術的發展，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。藉助鎖相環狀態監測電路，通過CPU可以縮短鎖相環鎖定時間，並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着越來越廣泛的需求，各種通信系統對時間同步的需求可分爲高精度時間需求（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
對於CDMA基站和cdma2000基站，時間同步的要求是10μs；對於TD-SCDMA基站，時間同步的要求是3μs；對於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。
對於3G網絡中基於位置定位的服務，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
對於No.7信令監測系統，爲避免因信令出現先後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。對於各種交換網絡的計費系統，爲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。對於各種業務的網管系統，爲有效分析出故障的源頭及引起的後果，進行故障定位和查找故障原因，時間同步的要求是0.5s。
對於基於IP網絡的流媒體業務中RSTP，它是爲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採用了時間戳方法來保證流媒體業務的QoS。對於基於IP網絡的電子商務等，爲保障SSL協議的安全性，採用“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於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編碼源於爲磁帶記錄時間信息，帶有明顯的模擬技術色彩，從20世紀50年代起就作爲時間傳遞標準而獲得廣泛應用。IRIG-A和IRIG-B都是於1956年開發的，它們的原理相同，只是採用的載頻頻率不同，故其分辨率也不一樣。IRIG-B採用1kHz的正弦波作爲載頻進行幅度調製，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，爲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，等效於IRIG調製碼的包絡。DCLS技術比較適合於雙絞線局內傳輸，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，還有一個僅用於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，並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協議最爲複雜，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依舊採用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。
(3) 1PPS(1 Pulse per Second)及串行口ASCII字符串
秒脈衝信號，不包含時刻信息，但其上升沿標記了準確的每秒的開始，通常用於本地測試，也可用於局內時間分配。通過RS232/RS422串行通訊口，將時間信息以ASCII碼字符串方式進行編碼，波特率一般爲9600bit/s，精度不高，通常還需同時利用1PPS信號。由於串行口ASCII字符串目前沒有統一的標準，不同廠家設備間無法實現互通，故該方法應用範圍較小。到2008年，中國移動規定了1PPS+ToD接口的規範，ToD信息採用二進制協議。1PPS+ToD技術可用於局內時間傳送，需要人工補償傳輸時延，其精度通常只能達到100ns量級，但不能實現遠距離的局間傳送。
(4) PTP(Precision Time Protocal)
PTP與NTP的實現原理均是基於雙向對等的傳輸時延，最大的不同是時間標籤的產生和處理環節。PTP通過物理層的時戳標記來獲得遠高於NTP的時間精度。基於IEEE-1588的PTP技術原先用於需要嚴格時序配合的工業控制，爲了順應通信網中對高精度時間同步需求的快速增長，IEEE-1588從原先的版本1發展到版本2，並且已在同步設備上、光傳輸設備上、3G基站設備上得到應用。
在我國，PTP技術主要是基於光傳輸系統實現高精度時間傳送的，國內運營商在最近幾年中開展了通過地面傳輸系統傳送高精度時間的研究，在實驗室及現網上進行了大量的試驗，並取得了一定的成果，已超過了國外相關方面的研究水平。目前國內已在一定規模的網絡環境下實現了PTP局間時間傳送，精度能達到微秒級。
4、同步新技術展望
相對於成熟的頻率同步技術，以PTP技術爲引領的時間同步技術嶄露頭角。新興的時間同步與現有的頻率同步彼此相對獨立，但從長遠來看，頻率同步與時間同步的統一是發展的必然趨勢，爲此，本文在這裏推出了通用定時接口技術和光纖時間同步網這一概念，作爲拋磚引玉供讀者探討。
在ITU-T J.211標準中規定了一種新型的定時接口，即DTI（DOCSIS Timing Interface）。DTI應用於有線電纜網絡，通過協議交互方式，在一根電纜線上同時實現頻率和時間同步。DTI基本工作原理是：服務器與客戶端之間採用一根DTI電纜進行連接，服務器在獲取精確時間戳和基準頻率信號後，校正本地時鐘並向下遊DTI客戶端輸出DTI信號，在一根DTI電纜的服務器和客戶端兩側，通過乒乓（ping-pong）機制無間斷地發送和接受DTI報文，從而實現DTI客戶端與服務器之間的同步。DTI利用RJ45接口的1、2管腳進行收發協議的乒乓傳輸，以最大限度地減少兩個方向傳輸的時延不對稱性引入的時間誤差，並最大限度地減少串擾。隨着技術的不斷髮展，DTI技術將逐漸應用於通信領域，即通用定時接口技術。
通用定時接口技術可直接應用於一根光纖（而不是光傳輸系統）上，實現數十公里的無中繼傳送。隨着技術的不斷髮展，採用級聯方式可以實現數百公里甚至上千公里的傳送，而且還可以真正地實現百納秒甚至更高量級時間精度的傳送。相關實驗表明，在80km的光纖上已經可以實現10ns以內的時間傳送。對於直接基於光纖傳送的通用定時接口技術，可以避免傳統的基於光傳輸系統的時間傳送技術帶來的不對等性影響。而且，在採用單纖雙向傳輸技術後，通用定時接口技術可以自動監測並計算出單向傳播時延，實現時延的自動補償，從而解決了傳統的基於光傳輸系統的時間傳送技術難以實現的時延自動補償問題。
通用定時接口技術另外一個優勢就是能同時提供統一的時間和頻率同步，可以很好地兼容現有的頻率同步網和時間同步網，以及兼容現有通信網中所有需同步的系統與設備。我國傳統的頻率同步網只能溯源到各運營商獨立運行的銫原子鐘，未來幾年內的時間同步網只能通過衛星授時接收機溯源到UTC。如果採用通用定時接口技術，即便是在時間信號溯源到衛星授時系統時，在衛星接收機天饋線時延補償應用方面，也可以實現自動時延補償。具體而言，時間源頭設備的衛星接收機天饋線部分會引入固定時延；對於不同型號不同長度的天饋線，其時延無法按照統一的經驗值（例如4～5ns/米）進行補償，尤其在串接了避雷器、放大器、分配器、連接器後，時延誤差更加難以控制。如果在蘑菇頭和衛星接收機之間採用具有自動時延補償的通用定時接口技術，則可以有效保證時間源頭設備的同步精度。然而，基於光纖並採用通用定時接口技術，還可以將現有的頻率基準和時間基準溯源到地面的國家級時頻基準上，以至於根本上擺脫對衛星授時系統的依賴。從而實現可同時提供高可靠、高質量時間和頻率服務的光纖時間同步網。
有關通用定時接口技術和光纖時間同步網技術的標準化和具體實現還有待進一步研究。
5 結束語
綜上所述，微型化、低功率芯片級原子鐘的出現，無疑是時鐘技術領域的一次劃時代而具有衝擊力的大革命；而通用定時接口技術、光纖時間同步網技術的推出，也爲同步網技術的發展注入了新的生命力。鑑於我國在高精度時間同步方面的研究已走在國際前列，後續應在同步新技術方面積極開展研究。