謝杰榮 王紅霞 王彥凱

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 湖北 武漢 430033)

0 引 言

海底觀測網(wǎng)絡(luò)是指將多個水下探測節(jié)點連接形成網(wǎng)絡(luò)或體系結(jié)構(gòu)，多種通信方式綜合應(yīng)用，建設(shè)以大容量通信網(wǎng)絡(luò)為主干，具備水下綜合信息接入、交換及能量輸出的水下網(wǎng)絡(luò)[1]?，F(xiàn)階段的海底觀測網(wǎng)絡(luò)大多只是單個或少數(shù)節(jié)點的線形觀測系統(tǒng)，很少形成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，規(guī)模較小且易于破壞[2]。隨著海洋觀測領(lǐng)域和水下探測信息需求的增長，建設(shè)多節(jié)點、遠(yuǎn)距離、高可靠性的環(huán)形海底觀測網(wǎng)絡(luò)成為必然趨勢。

時間同步對海底觀測網(wǎng)絡(luò)信號控制、電力監(jiān)控、安全管理和數(shù)據(jù)采集等功能的實現(xiàn)起著重要作用，特別是海底地震探測、海嘯預(yù)警和聲學(xué)追蹤等信號的采集分析對時間同步提出了亞微秒級精度的要求[3]。常見的時間同步技術(shù)有網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議NTP、IRIG-B和GPS衛(wèi)星授時等，但都不能同時滿足高精度同步、遠(yuǎn)距離授時和應(yīng)用于海底環(huán)境的需求。IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)定義的精確時間協(xié)議PTP(Precision Time Protocol)是目前唯一有效的解決途徑。

國內(nèi)外最近十年建成的海底觀測網(wǎng)絡(luò)開始逐漸具備時間同步功能。日本最早在其豐橋新海纜觀測系統(tǒng)上研究開發(fā)了時間同步系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應(yīng)用到后續(xù)建設(shè)的環(huán)形DONET網(wǎng)絡(luò)中。該系統(tǒng)可以提供較高精度的授時信號，但并未采用PTP協(xié)議，而是依靠復(fù)雜的延遲補(bǔ)償結(jié)構(gòu)直接將時間同步信號調(diào)制后傳給水下傳感器，這種方式十分不便且只適用于帶寬速率較低的SDH網(wǎng)絡(luò)[4-5]。美國、歐洲的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對基于PTP協(xié)議的海底觀測網(wǎng)絡(luò)時間同步系統(tǒng)開展研究探索，分別開發(fā)了具備PTP從時鐘功能的傳感器嵌入式模塊，并應(yīng)用到美國的MARS、OOI系統(tǒng)和西班牙的OBSEA海底觀測站等結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)點較少的線形海底觀測系統(tǒng)中，實現(xiàn)了微秒級精度的時間同步[3,6]。加拿大NEPTUNE網(wǎng)絡(luò)的時間同步系統(tǒng)采用NTP、SNTP和PTP三種時間同步協(xié)議將時間信息經(jīng)交換機(jī)透明傳送給從時鐘，最終為水下探測儀器提供多種精度的授時信號，同步精度最高可達(dá)10 μs[7]，是目前基于環(huán)形海底觀測網(wǎng)絡(luò)的典型案例。但該系統(tǒng)仍不夠完善，特別是其各級網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備未安裝PTP時鐘模塊，導(dǎo)致系統(tǒng)實現(xiàn)的時間同步精度不夠高，且當(dāng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量較大時系統(tǒng)的時間同步性能會受到一定的影響。國內(nèi)浙江大學(xué)在其建設(shè)的南海海底觀測網(wǎng)絡(luò)試驗系統(tǒng)中，開發(fā)了一個同樣采用PTP協(xié)議的時間同步系統(tǒng)。該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備加入了PTP時鐘模塊，同步精度最高可達(dá)3 μs[8]，但該系統(tǒng)只是基于結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)點較少的線形海底觀測系統(tǒng)設(shè)計。因此，開展對環(huán)形海底觀測網(wǎng)絡(luò)時間同步系統(tǒng)的研究，尤其是對各級網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備所采用的時鐘模式方案的研究是十分必要的。

本文首先分析研究了環(huán)形海底觀測網(wǎng)絡(luò)的時間同步系統(tǒng)的基本架構(gòu)和建模原型，通過運(yùn)用OMNeT++仿真軟件進(jìn)行建模，然后對系統(tǒng)各級網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備的時鐘模式方案進(jìn)行仿真研究，最后對該方案下影響同步性能的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載流量和不對稱傳輸延遲兩個因素展開評估，驗證設(shè)計方案的可行性。

1 環(huán)形海底觀測網(wǎng)絡(luò)的時間同步系統(tǒng)

1.1 基本架構(gòu)

海底觀測網(wǎng)絡(luò)按組成設(shè)備所處位置的不同可分為三個層面：岸基站監(jiān)控中心層、水下接駁盒層和海底探測設(shè)備層，各層面之間通過專用海底光電復(fù)合纜完成信息傳遞和電能供應(yīng)。岸基站監(jiān)控中心層是海底觀測網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理和指揮控制中心，由時間服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、網(wǎng)頁服務(wù)器、監(jiān)控計算機(jī)、遠(yuǎn)程供電設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備等組成；水下接駁盒層一般可分為主接駁盒和次接駁盒兩級結(jié)構(gòu)，接駁盒內(nèi)部裝有網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備、控制單元、供電單元和信息接入設(shè)備等；海底探測設(shè)備將采集到的各類監(jiān)控視頻、探測信號和傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)各級水下接駁盒上傳至岸基監(jiān)控中心進(jìn)行分析處理，以還原目標(biāo)事件，這一過程的有效實現(xiàn)極大依賴于時間同步技術(shù)。

海底探測設(shè)備采集到的帶有時間標(biāo)記的數(shù)據(jù)，要與其他探測設(shè)備的數(shù)據(jù)乃至是全球事件數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，則該時間標(biāo)記應(yīng)建立在一個統(tǒng)一且公認(rèn)的時間基準(zhǔn)上。UTC是目前全球最常用的時間基準(zhǔn)和時間尺度，海底觀測網(wǎng)絡(luò)的時間同步系統(tǒng)應(yīng)采用UTC作為時間源，并由位于岸基站監(jiān)控中心的時間服務(wù)器獲取。為了減少系統(tǒng)的復(fù)雜度和提升網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，海底觀測網(wǎng)絡(luò)的時間同步系統(tǒng)應(yīng)統(tǒng)一采用一種高精度時間同步技術(shù)，輸出的時間同步信號可靈活轉(zhuǎn)換成多種格式和精度的時間信號，以最大化滿足各級別的時間同步精度要求。

通過對不同時間同步技術(shù)的比較分析，設(shè)計的環(huán)形海底觀測網(wǎng)絡(luò)時間同步系統(tǒng)選擇PTP協(xié)議作為主要時間同步技術(shù)。PTP協(xié)議基于延遲請求、響應(yīng)的原理，采用時間戳機(jī)制和主從時鐘方案以實現(xiàn)時間同步，協(xié)議規(guī)定了四種時鐘模型，分別是普通時鐘OC(Ordinary Clock)、邊界時鐘BC(Boundary Clock)、端到端透明時鐘E2E TC(End-to-End Transparent Clock)和點到點透明時鐘P2P TC(Peer-to-Peer Transparent Clock)。其中OC可作為同步機(jī)制中的主時鐘或從時鐘；BC具有多個PTP端口，可看作多個OC的集成體，但最多只能有一個端口處于從時鐘狀態(tài)；TC也有多個端口，沒有主、從時鐘狀態(tài)，但E2E TC具有測量事件報文在時鐘的駐留時間的功能，P2P TC在此基礎(chǔ)上還具有測量相鄰兩時鐘之間的端口平均路徑延遲的功能。

該系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖1所示，共包括三個部分。

(1) 岸基站監(jiān)控中心的時間服務(wù)器采用以GPS授時技術(shù)為主、北斗(BDS)授時技術(shù)為輔的方式獲取UTC作為系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)時間源，同時它具備PTP功能，成為整個PTP時間同步系統(tǒng)的超主時鐘。

(2) 時間服務(wù)器直接輸出PTP信號或者通過接口轉(zhuǎn)換輸出NTP信號給岸基站監(jiān)控中心和各級水下接駁盒的其他設(shè)備，實現(xiàn)毫秒級精度的時間同步。

(3) 各節(jié)點的海底探測設(shè)備也支持PTP功能，具有相應(yīng)的從時鐘硬件模塊，從時鐘接收由時間服務(wù)器輸出經(jīng)各級網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備傳送過來的PTP信號實現(xiàn)主從時鐘之間亞微秒級精度的時間同步，并可提供IRIG-B時間信號或RS232、RS422、RS485等串口同步信號給探測設(shè)備的主控模塊，最終實現(xiàn)海底探測設(shè)備各種精度的授時。

1.2 建模原型

環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是未來海底觀測網(wǎng)絡(luò)的主要采用對象，這種結(jié)構(gòu)大大提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和故障保護(hù)能力，同時也具備一定的連接、擴(kuò)展能力。對于時間同步系統(tǒng)，環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然不能直接提高時間同步效果，但可以使PTP報文在海底觀測網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)多路徑傳輸，所以一定程度上也增強(qiáng)了時間同步系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。因此，研究基于環(huán)形海底觀測網(wǎng)絡(luò)的時間同步系統(tǒng)，具有代表性和先進(jìn)性，同時也是十分必要的。

根據(jù)王瀲、楊帆和余貝等[1,9-10]對海底觀測網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究成果，設(shè)計了一個滿足網(wǎng)絡(luò)傳輸要求且具有代表性的環(huán)形海底觀測網(wǎng)絡(luò)的時間同步系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 環(huán)形海底觀測網(wǎng)絡(luò)時間同步系統(tǒng)的建模原型

(1) 基本組成 該系統(tǒng)共包括兩個岸基站監(jiān)控中心、5個水下主接駁盒、10個水下次接駁盒和10個海底探測設(shè)備；兩端的岸基站監(jiān)控中心之間的距離為160 km，每個岸基站監(jiān)控中心和主接駁盒之間的距離為100 km；主干環(huán)路上主接駁盒之間的距離為40 km，規(guī)定正常工作時沿順時針方向進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送；每個主接駁盒具有兩條通信分支鏈路，每條分支鏈路依次連接一個次接駁盒和一個海底探測設(shè)備，主接駁盒和次接駁盒之間的距離為20 km，次接駁盒和海底探測設(shè)備之間的距離為1 km。

(2) 傳輸機(jī)制 PTP時間同步技術(shù)的一個優(yōu)點是它無需額外構(gòu)建專用的同步通道，利用現(xiàn)有的通信系統(tǒng)即可完成報文傳送。因此，在海底觀測網(wǎng)絡(luò)中，通信系統(tǒng)既傳輸著探測、指揮控制等信息，同時也傳送著PTP報文信息。該系統(tǒng)選擇采用以太網(wǎng)傳輸機(jī)制，主干環(huán)路的信道容量為100 Gbit/s，分支鏈路中主接駁盒和次接駁盒之間的信道容量為10 Gbit/s，海底探測設(shè)備和次接駁盒之間的信道容量為1 Gbit/s。OMNeT++仿真軟件的INET擴(kuò)展庫中提供了以太網(wǎng)傳輸設(shè)備的相關(guān)模型。

(3) 時鐘設(shè)置 建立海底觀測網(wǎng)絡(luò)時間同步系統(tǒng)的最終目的是通過構(gòu)建一個具有主從邏輯的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來統(tǒng)一通信系統(tǒng)中各個節(jié)點和終端設(shè)備的本地時間。該系統(tǒng)中，超主時鐘指定設(shè)置在岸基站監(jiān)控中心的時間服務(wù)器上，采用以GPS時間同步技術(shù)為主、BDS時間同步技術(shù)為輔的方式獲取UTC作為系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)時間源；海底探測設(shè)備安裝有PTP從時鐘模塊，通過PTP報文與岸基站監(jiān)控中心的超主時鐘進(jìn)行通信以獲取時間戳信息，從而計算時間偏差并校正本地時間；岸基站監(jiān)控中心和各級接駁盒中的傳輸設(shè)備以透明傳送的方式傳輸PTP報文，暫未安裝PTP時鐘模塊。

以該系統(tǒng)作為建模原型，運(yùn)用OMNeT++軟件進(jìn)行建模仿真，并對該系統(tǒng)的時間同步性能影響因素進(jìn)行仿真研究，結(jié)果表明：對于環(huán)形海底觀測網(wǎng)絡(luò)的時間同步系統(tǒng)，要保證亞微秒級精度的時間同步性能，各級傳輸設(shè)備應(yīng)當(dāng)考慮加入PTP時鐘模塊。下面對各級傳輸設(shè)備采用的時鐘模式方案展開仿真研究。

2 各級傳輸設(shè)備時鐘模式的仿真研究

2.1 主接駁盒傳輸設(shè)備的時鐘模式

基于建立的時間同步系統(tǒng)模型，展開仿真實驗，首先分析該系統(tǒng)的時間同步實現(xiàn)情況，初始狀態(tài)下從時鐘端口的狀態(tài)曲線如圖3所示?？梢杂^察到，開始仿真后該端口迅速到達(dá)從時鐘狀態(tài)，隨后一直在從時鐘狀態(tài)和未校準(zhǔn)狀態(tài)之間來回擺動，最終無法被決策為穩(wěn)定的從時鐘狀態(tài)。

圖3 初始狀態(tài)下從時鐘端口的狀態(tài)曲線

對仿真結(jié)果的分析表明：在該模型中，由于從時鐘所在分支鏈路的匯聚節(jié)點采用了不具備PTP時鐘模塊的普通傳輸設(shè)備，它會轉(zhuǎn)發(fā)并透明傳送所有時鐘的PTP通知報文，所以從時鐘運(yùn)行最佳主時鐘BMC(Bestmaster Clock)算法時會接收到多個時間源的信息而難以做出狀態(tài)決策，導(dǎo)致系統(tǒng)最終無法實現(xiàn)高精度時間同步。因此，對于環(huán)形海底觀測網(wǎng)絡(luò)的時間同步系統(tǒng)，處于匯聚層的主接駁盒傳輸設(shè)備必須采用具備PTP時鐘模塊的特殊傳輸設(shè)備。

下面對主接駁盒傳輸設(shè)備采用的時鐘模式進(jìn)行仿真研究。在主接駁盒傳輸設(shè)備中分別加入BC模型、E2E TC模型和P2P TC模型，分三組進(jìn)行仿真實驗。

第一組仿真實驗中，主接駁盒傳輸設(shè)備采用BC模式，部分時鐘端口的狀態(tài)曲線如圖4所示。開始仿真后，BMC算法判斷出系統(tǒng)存在時鐘成環(huán)情況，迅速將環(huán)路中最左端主接駁盒傳輸設(shè)備的4端口(與左端岸基傳輸設(shè)備相連接的端口)決策為被動狀態(tài)并保持穩(wěn)定不變，從時鐘迅速達(dá)到從時鐘狀態(tài)并穩(wěn)定維持下去。后兩組仿真實驗中，主接駁盒傳輸設(shè)備采用E2E TC模式或P2P TC模式，從時鐘的端口狀態(tài)仿真結(jié)果與圖3相比沒有發(fā)生變化。

圖4 采用BC模式時部分時鐘端口的狀態(tài)曲線

對仿真結(jié)果的分析表明：主接駁盒傳輸設(shè)備采用BC模式時可以避免時鐘成環(huán)，使系統(tǒng)生成同步狀態(tài)的邏輯斷點，由于BC模型能夠?qū)臅r鐘與超主時鐘的同步鏈路分割成多段子鏈路，每段子鏈路中時鐘端口只接收一個時間源的信息，因此該模式下從時鐘可以保持穩(wěn)定的從時鐘狀態(tài)，使系統(tǒng)實現(xiàn)高精度時間同步；主接駁盒傳輸設(shè)備采用E2E TC模式或P2P TC模式時，由于TC模型也會轉(zhuǎn)發(fā)所有時鐘的PTP通知報文而自身不進(jìn)行時間同步，所以從時鐘運(yùn)行BMC算法時仍會接收到多個時間源的信息而難以做出狀態(tài)決策，導(dǎo)致該模式下系統(tǒng)最終無法實現(xiàn)高精度時間同步。

結(jié)論1環(huán)形海底觀測網(wǎng)絡(luò)的時間同步系統(tǒng)中，主接駁盒傳輸設(shè)備必須采用BC模式以避免時鐘成環(huán)。

2.2 岸基傳輸設(shè)備的時鐘模式

實現(xiàn)系統(tǒng)的時間同步后，還需優(yōu)化系統(tǒng)的時間同步性能。基于該系統(tǒng)模型，主接駁盒傳輸設(shè)備采用BC模式后，其他傳輸設(shè)備仍未加入PTP時鐘模塊時，從時鐘的時間偏差仿真結(jié)果如圖5所示。可以觀察到，從時鐘的時間偏差在(-0.5 μs，-0.25 μs)區(qū)間內(nèi)反復(fù)波動，收斂時間約為150 s，當(dāng)?shù)? 000 s～2 070 s網(wǎng)絡(luò)負(fù)載流量產(chǎn)生時，該曲線出現(xiàn)尖刺狀的急劇抖動，超出了1 μs，此外該曲線還存在明顯向負(fù)方向偏移的情況。

圖5 未加入PTP時鐘模塊時從時鐘的時間偏差曲線

對仿真結(jié)果的分析表明：該系統(tǒng)受到了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載流量和傳輸設(shè)備的不對稱延遲的較大影響，對于現(xiàn)實中時刻存在負(fù)載流量的環(huán)形海底觀測網(wǎng)絡(luò)，要保證亞微秒級精度的時間同步，各級傳輸設(shè)備尤其是核心層交叉流量更大的岸基傳輸設(shè)備應(yīng)當(dāng)考慮采用具備PTP時鐘模塊的特殊傳輸設(shè)備。

下面對岸基傳輸設(shè)備采用的時鐘模式進(jìn)行仿真研究。在岸基傳輸設(shè)備中分別加入BC模型、E2E TC模型和P2P TC模型，分三組進(jìn)行仿真實驗。

第一組仿真實驗中，岸基傳輸設(shè)備采用BC模式，從時鐘的時間偏差曲線如圖6(黑色曲線)所示。可以觀察到，該曲線的負(fù)方向偏移程度未發(fā)生改變，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載流量造成的尖刺抖動有所減小，從時鐘的時間偏差可以保持在1μs以內(nèi)，但其收斂時間卻增加至900 s左右。

圖6 采用BC或E2E TC模式時從時鐘的時間偏差曲線

第二組仿真實驗中，岸基傳輸設(shè)備采用E2E TC模式，從時鐘的時間偏差曲線如圖6(灰色曲線)所示?？梢杂^察到，該曲線的負(fù)方向偏移程度有所降低，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載流量造成的尖刺抖動也大大減小，從時鐘的時間偏差保持在(-0.3μs，-0.15μs)區(qū)間內(nèi)，收斂時間也減少至70 s左右。

第三組仿真實驗中，岸基傳輸設(shè)備采用P2P TC模式，從時鐘的時間偏差曲線如圖7(黑色曲線)所示?？梢杂^察到，從時鐘的時間偏差收斂時間減少至60 s左右，但該曲線向負(fù)方向偏移了近0.7 ms。

圖7 采用P2P TC模式時從時鐘的時間偏差曲線

對仿真結(jié)果的分析表明：岸基傳輸設(shè)備采用BC模式或E2E TC模式時，都能有效減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載流量對時間同步性能造成的影響，保證系統(tǒng)實現(xiàn)亞微秒級精度的時間同步，但BC模式不能修正傳輸設(shè)備的不對稱延遲產(chǎn)生的影響，且會大大增加從時鐘的時間偏差收斂時間，不利于時間同步系統(tǒng)的穩(wěn)定性；E2E TC模式可以修正傳輸設(shè)備的不對稱延遲產(chǎn)生的影響，而且能夠減少從時鐘的時間偏差收斂時間。P2P TC模式理論上也能夠減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載流量和傳輸設(shè)備的不對稱延遲的影響，但由于主接駁盒傳輸設(shè)備已經(jīng)采用了BC模式，當(dāng)岸基傳輸設(shè)備采用P2P TC模式時，E2E和P2P兩種同步機(jī)制的共存容易引起同步算法的混亂，導(dǎo)致部分PTP報文的傳輸延遲無法及時測出，從而造成從時鐘較大的偏移誤差，系統(tǒng)最終無法實現(xiàn)高精度時間同步。

結(jié)論2環(huán)形海底觀測網(wǎng)絡(luò)的時間同步系統(tǒng)中，岸基傳輸設(shè)備應(yīng)當(dāng)采用E2E TC模式以保證系統(tǒng)實現(xiàn)亞微秒級精度的時間同步。

2.3 次接駁盒傳輸設(shè)備的時鐘模式

最后對處于接入層的次接駁盒傳輸設(shè)備采用的時鐘模式進(jìn)行仿真研究。在次接駁盒傳輸設(shè)備中分別加入BC模型、P2P TC模型和E2E TC模型，分三組進(jìn)行仿真實驗，其中主接駁盒傳輸設(shè)備已采用BC模式，岸基傳輸設(shè)備已采用E2E TC模式。

前兩組仿真實驗的研究結(jié)果與岸基傳輸設(shè)備時鐘模式方案的研究結(jié)論一致，此處不再贅述。第三組仿真實驗中，從時鐘的時間偏差曲線如圖8(黑色曲線)所示。可以觀察到，當(dāng)次接駁盒傳輸設(shè)備采用E2E TC模式時，該曲線的負(fù)方向偏移程度略微降低，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載流量造成的尖刺抖動有所減小，但減小的幅度也不大，從時鐘的時間偏差收斂時間未發(fā)生改變。

圖8 采用E2E TC模式時從時鐘的時間偏差曲線

對仿真結(jié)果的分析表明：次接駁盒傳輸設(shè)備同樣不適合采用BC模式和P2P TC模式，采用E2E TC模式時雖然可以優(yōu)化系統(tǒng)的時間同步性能，但取得的效果比較微弱，而且由于次接駁盒的空間比較小、數(shù)量比較多，在其內(nèi)部添加額外的E2E TC時鐘硬件會導(dǎo)致成本大大增加。

結(jié)論3環(huán)形海底觀測網(wǎng)絡(luò)的時間同步系統(tǒng)中，同等時間同步精度要求下，次接駁盒傳輸設(shè)備可以不安裝PTP時鐘模塊，仍以透明傳送的方式傳輸PTP報文。

3 仿真研究結(jié)果與驗證

通過對各級網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備所采用的時鐘模式進(jìn)行仿真研究，本文得出以下方案：對于環(huán)形海底觀測網(wǎng)絡(luò)的時間同步系統(tǒng)，岸基站和主接駁盒的傳輸設(shè)備應(yīng)分別支持端到端透明時鐘模式和邊界時鐘模式，次接駁盒的傳輸設(shè)備可以不具備PTP時鐘模塊，繼續(xù)采用透明傳送的方式傳輸PTP報文。此方案既滿足了系統(tǒng)亞微秒級精度的時間同步要求，又有效節(jié)約了水下節(jié)點的設(shè)備空間和系統(tǒng)的建設(shè)成本。

通過評估網(wǎng)絡(luò)的上行負(fù)載流量和PTP時鐘端口的不對稱延遲兩個因素對時間同步性能的影響狀況，對該方案進(jìn)行仿真驗證。

海底觀測網(wǎng)絡(luò)中，單個海底探測設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)流量一般不超過200 Mbit/s，水下攝像機(jī)、水聽器等探測設(shè)備的數(shù)據(jù)流量較大，但也都在1 000 Mbit/s以內(nèi)，相比之下，岸基站監(jiān)控中心下傳的指揮控制信息流量很小且不會發(fā)生太大的變化。仿真研究傳輸設(shè)備的時鐘模式方案時，網(wǎng)絡(luò)的上行流量被設(shè)置為接近于信道容量的初始值1 000 Mbit/s，已經(jīng)充分考慮了網(wǎng)絡(luò)上行負(fù)載流量的飽和情況。因此，這里只需要評估一般狀態(tài)下上行負(fù)載流量的影響情況。將網(wǎng)絡(luò)的上行流量設(shè)置為200 Mbit/s，其他參數(shù)保持不變，啟動仿真實驗。

從時鐘的時間偏差曲線如圖9(黑色曲線)所示?？梢钥吹剑瑥臅r鐘的時間偏差在流量產(chǎn)生時間段里幾乎不受影響。這說明在設(shè)計的傳輸設(shè)備時鐘模式方案中，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載流量對時間同步性能的影響已經(jīng)被有效降低了。

圖9 評估上行負(fù)載流量時從時鐘的時間偏差曲線

時鐘端口產(chǎn)生的不對稱延遲是導(dǎo)致PTP報文的不對稱傳輸延遲的重要因素，一般為幾十納秒，最大時不超過180 ns[11]。仿真研究傳輸設(shè)備的時鐘模式方案時，PTP時鐘端口的不對稱延遲被設(shè)置為初始值-50 ns，已經(jīng)充分考慮了不對稱傳輸延遲的影響，這里對系統(tǒng)采用該方案后的極限情況進(jìn)行評估。將PTP時鐘端口的不對稱延遲設(shè)置為200 ns，其他參數(shù)保持不變，啟動仿真實驗。

從時鐘的時間偏差曲線如圖10(黑色曲線)所示。可以看到，當(dāng)PTP時鐘端口的不對稱延遲為200 ns時，從時鐘的時間偏差向正方向偏移，且偏移量的大小約等于取初始值-50 ns時偏移量大小的4倍，雖然偏移較大，但仍能保持在1 μs以內(nèi)，滿足系統(tǒng)亞微秒級精度的時間同步要求。這說明在設(shè)計的傳輸設(shè)備時鐘模式方案中，不對稱傳輸延遲對時間同步性能的影響也得到了有效降低。

圖10 評估時鐘端口不對稱延遲時從時鐘的時間偏差曲線

結(jié)論4在環(huán)形海底觀測網(wǎng)絡(luò)的時間同步系統(tǒng)中，設(shè)計的傳輸設(shè)備時鐘模式方案表現(xiàn)較好，采用該方案后，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)亞微秒精度的時間同步，并有效降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載流量和不對稱傳輸延遲的影響。

4 結(jié) 語

建設(shè)多節(jié)點、遠(yuǎn)距離、高可靠性的環(huán)形海底觀測網(wǎng)絡(luò)是未來海洋探測領(lǐng)域的重要發(fā)展趨勢，而高精度時間同步的實現(xiàn)是其中的關(guān)鍵一環(huán)。本文在對環(huán)形海底觀測網(wǎng)絡(luò)的時間同步系統(tǒng)的基本架構(gòu)和建模原型進(jìn)行了分析研究的基礎(chǔ)上，通過運(yùn)用OMNeT++仿真軟件對該系統(tǒng)的各級網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備的時鐘模式方案展開了仿真研究和驗證，得出了岸基站和主接駁盒的傳輸設(shè)備應(yīng)分別支持端到端透明時鐘模式和邊界時鐘模式、次接駁盒的傳輸設(shè)備可以不具備PTP時鐘模塊的方案。設(shè)計的方案可以實現(xiàn)較好的時間同步性能，滿足亞微秒級精度的要求，系統(tǒng)所需成本較少，且能夠有效降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載流量和不對稱傳輸延遲的影響，為未來環(huán)形海底觀測網(wǎng)絡(luò)及其時間同步系統(tǒng)的建設(shè)提供參考價值。