李東海，楊 帆

（解放軍91404部隊(duì)，河北 秦皇島 066001）

0 引 言

隨著人類科技的不斷進(jìn)步和對海洋探索的不斷深入，水下信息傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺的建設(shè)已經(jīng)成為各國科學(xué)研究的重點(diǎn)。水下信息傳輸網(wǎng)主要是以特制光電復(fù)合海纜為通道，以各類主、次接駁盒為樞紐，將布放在海底的各種傳感器和觀測儀器連接起來，形成一個既能完成水下供電任務(wù)又能實(shí)現(xiàn)水下信息高效穩(wěn)定傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)[1]。它具備統(tǒng)一的通信協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)的通信和供電接口，可對海底進(jìn)行長期、連續(xù)、高效的實(shí)時(shí)觀測和信息采集，將信息資源從下到上、從點(diǎn)到面更加緊密地結(jié)合起來，可綜合應(yīng)用于海洋資源開發(fā)、海洋自然災(zāi)害預(yù)防、科學(xué)研究及國防信息化建設(shè)等各個方面。水下環(huán)境復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)所含節(jié)點(diǎn)、各類傳輸設(shè)備、觀測儀器眾多，網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣。如果沒有統(tǒng)一的時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)，觀測儀器采集到的數(shù)據(jù)傳送到岸基時(shí)就失去了準(zhǔn)確性和時(shí)效性；布放在不同區(qū)域、相隔幾百米甚至幾千米的節(jié)點(diǎn)之間，也沒法做到信息的同步傳輸和實(shí)時(shí)的互聯(lián)互通。只有針對水下信息傳輸網(wǎng)的特點(diǎn)，制定合適的、特定的時(shí)間基準(zhǔn)，采集到的數(shù)據(jù)才有分析、研究和利用的價(jià)值。因此，關(guān)于水下信息傳輸網(wǎng)時(shí)間同步的研究在海底各設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測、采集信息的時(shí)效性與可利用性等方面具有十分重大的意義。

1 時(shí)鐘源的分析與選取

以往的通信網(wǎng)在時(shí)間同步的解決方案上一般利用接收GPS時(shí)間信號來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的時(shí)間同步。這種模式可能在陸地上尚可運(yùn)行，但在水下信息傳輸網(wǎng)中不具適用性，一方面水下環(huán)境特殊，施工和維護(hù)都非常困難，接駁設(shè)備空間也有限，難以加裝GPS設(shè)備；另一方面，傳輸網(wǎng)部署在水下或者是海底，接收的GPS信號可能很薄弱、很不穩(wěn)定，甚至接收不到GPS信號。因此，需通過在岸基接收時(shí)鐘源信號作為整個水下信息傳輸網(wǎng)的主時(shí)鐘，再通過系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到時(shí)間同步。

當(dāng)前，由于原理的不同，有很多不同的授時(shí)方式，主要有低頻時(shí)碼授時(shí)系統(tǒng)（BPC）、長短波授時(shí)系統(tǒng)（BPL、BPM）、衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)等。當(dāng)前，衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)比較主流的又有全球定位系統(tǒng)（GPS）、我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)、俄羅斯全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GLONASS以及歐盟一些國家聯(lián)合開發(fā)的伽利略GALILEO系統(tǒng)等[2]。表1為不同授時(shí)方式的對比情況。

表1 不同授時(shí)方式的對比情況

由表1可知，低頻時(shí)碼授時(shí)系統(tǒng)和長短波授時(shí)系統(tǒng)由于只需要接收無線信號，用戶設(shè)備設(shè)計(jì)相對簡單，所以成本較低。但是，由于無線信號受到距離、天氣條件、大氣電離層條件、氣候季節(jié)變化等因素影響，時(shí)常出現(xiàn)接收到的信號弱或接收不到信號的情況，導(dǎo)致其無法保證可靠性。此外，這2種授時(shí)方式的授時(shí)精度只能達(dá)到毫秒級和微秒級。作為要在整個水下信息傳輸網(wǎng)中進(jìn)行同步的時(shí)鐘源，其精度是不夠的。反之，在衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)方面，它的授時(shí)精度能達(dá)到納秒量級，其中北斗能達(dá)到百納秒級，GPS則更高，能達(dá)到十納秒級。這是衛(wèi)星授時(shí)是最常用的授時(shí)方式的最重要原因。但是，GPS不由我國自主控制權(quán)，其在安全性和可控性方面都存在著很高的安全隱患。相比之下，北斗則是由我國自主研發(fā)、擁有自主控制權(quán)的衛(wèi)星系統(tǒng)，擁有穩(wěn)定、精度高、可控、安全等特點(diǎn)?？紤]到水下信息傳輸網(wǎng)的應(yīng)用場景和用途，北斗最適合作為水下信息傳輸網(wǎng)的時(shí)鐘源。

2 OTN時(shí)間同步方式的分析與選取

水下信息傳輸網(wǎng)中，核心層采用OTN技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)。因此，如何在OTN中實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，成為水下信息傳輸網(wǎng)時(shí)間同步的關(guān)鍵。一般來說，在OTN中實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的方式有3種[3]，特點(diǎn)如表2所示。

表2 不同同步方式詳細(xì)對比表

由表2可以看出，帶外OSC方式和帶內(nèi)ESC方式相比于透明傳輸方式來說，都能提供較高的時(shí)間同步精度。但是，這2種方式都需要對現(xiàn)有OTN設(shè)備進(jìn)行改造，尤其是帶內(nèi)ESC方式，且還存在標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的問題。由于水下環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性，無論在成本上還是在工程實(shí)施上，這都是很棘手的問題。此外，透明傳輸方式是簡單的將PTP報(bào)文信號作為OTN的業(yè)務(wù)來承載，實(shí)行透明傳輸，無須進(jìn)行任何其他改造或者外加接口，傳輸過程簡單。因此，在水下信息傳輸網(wǎng)中，采用透明傳輸方式來實(shí)現(xiàn)OTN的時(shí)間同步。

3 水下信息傳輸網(wǎng)時(shí)間同步系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

水下信息傳輸網(wǎng)按設(shè)備上大體上可以分為岸基站設(shè)備層、主接駁盒設(shè)備層、次接駁盒設(shè)備層以及各類水下傳感器設(shè)備層。在傳輸上，它又可分為核心層、匯聚層和接入層3個層面，再加上水下信息傳輸網(wǎng)接入設(shè)備多樣，用途廣泛。例如，作為時(shí)鐘源的岸站設(shè)備層不僅要求精度高，而且要長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行；而接駁盒中對電能分配控制、狀態(tài)的監(jiān)控信息的處理只需達(dá)到毫秒級別即可，所以對系統(tǒng)設(shè)置不同級別的同步精度，增加系統(tǒng)同步方式靈活性，有利于減少系統(tǒng)設(shè)備的繁雜度和整個系統(tǒng)的順暢運(yùn)行。

當(dāng)前，最主要的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)主要集中在NTP（Network Time Protocol）技術(shù)和PTP（Precision Time Protocol）技術(shù)的研究上[4]。

3.1 NTP技術(shù)概述

NTP技術(shù)是由美國的Delaware大學(xué)的David L.Mill提出的，主要應(yīng)用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)同步。經(jīng)過多年不斷的發(fā)展和改進(jìn)，它現(xiàn)已發(fā)展到NTPv4版本[5]。它是從時(shí)間協(xié)議（Time Protocol）、ICMP時(shí)間戳消息及IP時(shí)間戳選項(xiàng)演變來的一種網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議，主要工作在多播模式、客戶端/服務(wù)器模式、對稱模式下。其中，客戶端/服務(wù)器模式時(shí)間同步精度最高，被廣泛應(yīng)用于大型的廣域網(wǎng)或者局域網(wǎng)中。NTP能實(shí)現(xiàn)的時(shí)間精度一般在毫秒級[6]。圖1為NTP工作在客戶端/服務(wù)器模式下的原理圖。

圖1 NTP同步原理

如圖1所示，客戶端以特定的周期在時(shí)刻T1向服務(wù)器發(fā)送帶有時(shí)間戳T1的NTP報(bào)文。服務(wù)器在T2時(shí)刻接收到后，隨即給報(bào)文加上時(shí)間戳T2。T3時(shí)刻將帶有T3時(shí)間戳的報(bào)文反饋給客戶端，客戶端于T4接收到此報(bào)文，并加上時(shí)間戳T4。那么，客戶端與服務(wù)器之間的時(shí)間偏移量可以表示為：

客戶端與服務(wù)器之間的路徑延遲可以表示為：

關(guān)于NTP協(xié)議的報(bào)文格式、網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、過濾算法等詳細(xì)內(nèi)容，在RFC-1305[7]中都有很全面的規(guī)定。

3.2 PTP技術(shù)概述

PTP（Precision Time Protocol）是一種精確時(shí)間協(xié)議，一般又稱為IEEE1588協(xié)議。隨著技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，越來越多的局域網(wǎng)、工業(yè)控制網(wǎng)需要更精確的時(shí)間同步精度。而它的產(chǎn)生正是為了滿足NTP協(xié)議所達(dá)不到的高時(shí)間精度需求，加上一定的硬件支持，時(shí)間同步精度可以達(dá)到微秒級別。

基于IEEE1588協(xié)議的時(shí)間同步系統(tǒng)中的每個節(jié)點(diǎn)（設(shè)備）都擁有自己的時(shí)鐘，一般分為普通時(shí)鐘和邊界時(shí)鐘兩類，也有主、從時(shí)鐘之分。這些時(shí)鐘按照特定的周期向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送加了時(shí)間戳信息的數(shù)據(jù)包，通過互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到使整個系統(tǒng)的時(shí)間同步。

PTP協(xié)議工作在主從模式，主要通過定義的4種時(shí)鐘報(bào)文類型——Sync（同步報(bào)文）、Follow_Up（跟隨報(bào)文）、Delay_Req（延遲請求報(bào)文）和Delay_Resp（延遲請求響應(yīng)報(bào)文）進(jìn)行工作。它同步過程分為兩個階段：一是主從時(shí)鐘之間的時(shí)間偏移量的測量階段；二是網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的測量階段[8]。它的同步原理，如圖2所示。

圖2 PTP同步原理

主從時(shí)鐘偏移量測量階段，主時(shí)鐘于Ts1時(shí)刻向從時(shí)鐘發(fā)送同步報(bào)文Sync（通常是周期性的），同時(shí)記下Ts1并放入隨后發(fā)出的跟隨報(bào)文Follow_Up中，從時(shí)鐘接收到同步報(bào)文Sync并記下時(shí)刻Tr1；則主從時(shí)鐘的時(shí)間偏移便可以表示出來，記為Oあset。

主從時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)延時(shí)測量階段，主要是來測量主從時(shí)鐘之間在傳輸過程中的時(shí)間延遲，即Delay。從時(shí)鐘向主時(shí)鐘發(fā)送一個延遲請求報(bào)文Delay_Req（非周期性的），并記下發(fā)送時(shí)刻Ts2。當(dāng)主時(shí)鐘接收到延遲請求報(bào)文時(shí)，記下時(shí)刻Tr2，然后再將Tr2作為時(shí)間戳加在延遲請求響應(yīng)報(bào)文Delay_Resp上發(fā)往從時(shí)鐘。從時(shí)鐘接收到時(shí)間信息Ts2和Tr2之后，便可以表示出網(wǎng)絡(luò)延時(shí)誤差，記為Delay。因此，最終得出時(shí)間偏移和網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的公式為：

綜合考慮，NTP協(xié)議是軟件同步協(xié)議，不需要硬件的支持，雖然精度相對較低，但是在水下信息傳輸網(wǎng)中，由于接駁盒、海底觀測儀器等水下設(shè)備的安裝空間有限，且有的功能和業(yè)務(wù)也不需要很高的時(shí)間精度，所以可以利用NTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)一些低精度的同步。另外，也對接駁盒和觀測儀器加裝PTP端口，滿足其他業(yè)務(wù)的高精度同步需求。所以，水下信息傳輸網(wǎng)采用NTP和PTP結(jié)合使用的方式來實(shí)現(xiàn)同步。

3.3 水下信息傳輸網(wǎng)時(shí)間同步方案

水下信息傳輸網(wǎng)的時(shí)間同步總體架構(gòu)，如圖3所示。

圖3 水下信息傳輸網(wǎng)時(shí)間同步總體方案

3.3.1 岸基層面。

岸基在時(shí)間同步系統(tǒng)中主要擔(dān)當(dāng)時(shí)鐘源和下放時(shí)鐘的作用。因此，它的穩(wěn)定運(yùn)行是時(shí)間同步的基礎(chǔ)。為保證可靠性，設(shè)計(jì)時(shí)除了選用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)作為主時(shí)鐘源，也要選用其他手段作為備用時(shí)鐘源。它的同步過程如下。

岸基時(shí)鐘應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的主控制模塊來選擇時(shí)鐘。一般情況下，采用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)作為主時(shí)鐘源，岸站北斗授時(shí)設(shè)備接收北斗授時(shí)信號。當(dāng)北斗授時(shí)出現(xiàn)異常時(shí)，應(yīng)內(nèi)置高精度的OCXO（恒溫晶體振蕩器）作為發(fā)生異常情況時(shí)的備用時(shí)鐘源，以保證授時(shí)系統(tǒng)的可靠性。岸基站對接收到的時(shí)間信號進(jìn)行信息處理后，向下輸出NTP信號和PTP信號。這些信號與岸基站其他信號（控制命令等）一起進(jìn)入到岸基的OTN設(shè)備中進(jìn)行透明傳輸。

3.3.2 接駁盒層面

這一層面的時(shí)間同步既要保證接駁盒內(nèi)部各種監(jiān)測信號的實(shí)時(shí)性，以便岸基能及時(shí)獲得第一手監(jiān)測數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，從而掌握接駁盒的運(yùn)行情況，又要為從岸基下方的高精度時(shí)間信號能順利在遠(yuǎn)距離傳輸后，順利通過主、次接駁盒，達(dá)到觀測儀器時(shí)不降低其精度提供保障。它的同步過程如下。

NTP信號和PTP信號通過OTN的透明傳輸，經(jīng)由水下光電復(fù)合纜傳輸至主接駁盒內(nèi)的OTN設(shè)備中。同時(shí)，在接駁盒內(nèi)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。接駁盒里的相應(yīng)控制模塊可以對已經(jīng)轉(zhuǎn)換為電信號的NTP信號和PTP信號進(jìn)行選擇性處理，根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求，既可以選擇同步精度低的NTP信號來實(shí)現(xiàn)毫秒級的同步，也可以選擇PTP信號實(shí)現(xiàn)微秒級的同步。比如，對接駁盒內(nèi)關(guān)于溫濕度信號、電壓和電流信號等監(jiān)控信息的傳輸，對實(shí)時(shí)性要求不高，毫秒級即可滿足需求，完全可以采用同步NTP信號的方式實(shí)現(xiàn)此類信息的時(shí)間同步。同時(shí)，主接駁盒通過電纜及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)接口繼續(xù)將這兩種電信號形式的時(shí)間信號下放到次接駁盒內(nèi)。在次接駁盒內(nèi)，同樣也有控制模塊來控制要同步的時(shí)間信號，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的功能。此外，在次接駁盒內(nèi)，需要將NTP信號和PTP信號通過網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備來輸出時(shí)間脈沖信號，將時(shí)間信號下發(fā)到最后的接入層中的觀測儀器中去。

3.3.3 觀測儀器層面

這些觀測儀器承擔(dān)著測量、監(jiān)測水下信息的重大任務(wù)，尤其是海底。海底由于人類生理的局限性，一直是難以探知的領(lǐng)域。但是，隨著諸多海底觀測儀器的發(fā)明，通過一些實(shí)時(shí)的測量數(shù)據(jù)，海底得以簡便地呈現(xiàn)在人類面前。因此，根據(jù)觀測儀器的功能不同給各種不同的信號加上不同精度的時(shí)間戳，對于岸基的數(shù)據(jù)分析來說將會變得更加便利，同步過程如下。

由于觀測儀器的多樣性，它在網(wǎng)絡(luò)接口、數(shù)據(jù)格式、精度等方面都有不同的要求。因此，為滿足多樣化需求，對輸出到觀測儀器中的時(shí)間信號，不再是單一的PTP信號和NTP信號。經(jīng)過遠(yuǎn)距離傳輸?shù)臅r(shí)間信號在經(jīng)過次接駁盒中的網(wǎng)絡(luò)交換模塊時(shí)，通過控制模塊使之輸出不同類型的時(shí)間信號，如串口同步信號（RS422RS232RS485）、PPS秒脈沖信號、IRIG-B時(shí)間信號等[9]，如此便可根據(jù)觀測的對象、儀器的設(shè)計(jì)、綜合成本等實(shí)際因素，實(shí)現(xiàn)“對癥下藥”式的時(shí)間同步。精度要求不高的儀器，可以像接駁盒內(nèi)的模塊一樣選擇直接同步NTP信號，實(shí)現(xiàn)毫秒級的同步；精度高的儀器可以利用PPS信號、IRIG-B等時(shí)間信號與NTP協(xié)議協(xié)同工作，來對在格式方面有要求的儀器實(shí)現(xiàn)不同精度級別的同步。同樣，通過在儀器內(nèi)放置PTP從時(shí)鐘，與岸基PTP主時(shí)鐘協(xié)同獲得串口同步信號（RS422RS232RS485），以滿足不同接口儀器的同步需求。如圖4所示。

圖4 觀測儀器中時(shí)間同步

4 結(jié) 語

本文詳細(xì)分析了水下信息傳輸網(wǎng)的特點(diǎn)，提出了一種適用于水下信息傳輸網(wǎng)的時(shí)間同步方案，能為多樣的水下觀測儀器提供多種時(shí)間同步信號，從而可根據(jù)實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)毫秒級、微秒級等不同精度的時(shí)間同步。本文尚未對方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試或者仿真研究，可在下一步研究中進(jìn)行，也可從時(shí)間協(xié)議算法、硬件設(shè)計(jì)、OCXO穩(wěn)定性方面進(jìn)行研究，從而優(yōu)化時(shí)間同步方案。

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