李娟娟,李 淼,張宇航

(中電防務(wù)科技有限公司,江蘇 南京 210000)

0 引言

在現(xiàn)代衛(wèi)星通信運(yùn)用中由于地域遼闊甚至涉及全球,不可能由單臺(tái)設(shè)備完成作戰(zhàn)任務(wù),需要有多臺(tái)設(shè)備甚至多個(gè)系統(tǒng)來(lái)完成通信任務(wù)。 要使所有設(shè)備協(xié)調(diào)工作,得到準(zhǔn)確交互數(shù)據(jù)信息,就需要一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間參考。 在異地分布式衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,各節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間同步是一個(gè)重要的問(wèn)題,涉及系統(tǒng)的多個(gè)層面。 各級(jí)節(jié)點(diǎn)間如果時(shí)間偏差過(guò)大會(huì)對(duì)系統(tǒng)消息事件顯示、系統(tǒng)性能分析統(tǒng)計(jì)及系統(tǒng)管理造成影響甚至造成系統(tǒng)運(yùn)行混亂。 各級(jí)系統(tǒng)必須有嚴(yán)格統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn),時(shí)間的統(tǒng)一性和精確度是系統(tǒng)內(nèi)軟硬件設(shè)備正常工作和交互的前提[1]。 要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的時(shí)間統(tǒng)一首先需要精確的時(shí)間源。 時(shí)間源面向通信系統(tǒng)提供具有溯源唯一性的參考時(shí)間。 有了時(shí)間源,要實(shí)現(xiàn)多地系統(tǒng)內(nèi)及系統(tǒng)間的時(shí)間統(tǒng)一,需設(shè)計(jì)時(shí)間統(tǒng)一軟件完成系統(tǒng)間和系統(tǒng)內(nèi)部多設(shè)備的時(shí)間統(tǒng)一。

1 多節(jié)點(diǎn)通信系統(tǒng)時(shí)間統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)方法設(shè)計(jì)

1.1 時(shí)間源的選擇

完成時(shí)間統(tǒng)一的工作離不開(kāi)授時(shí)和定時(shí)兩個(gè)重要部分。 以有線或者無(wú)線方式將時(shí)間信息從時(shí)間源傳遞到用戶端的過(guò)程統(tǒng)稱授時(shí);接收時(shí)間信號(hào)并設(shè)置本地時(shí)間使其和授時(shí)端發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息相一致的過(guò)程統(tǒng)稱定時(shí)。 根據(jù)授時(shí)的方式不同,可以分為短波、長(zhǎng)波、衛(wèi)星和其他方式授時(shí)/定時(shí),此外高精度原子鐘也是精確計(jì)時(shí)的常用手段,日常時(shí)間同步中有時(shí)也使用服務(wù)器本身時(shí)間作為時(shí)間源。

相比較短波授時(shí)和長(zhǎng)波授時(shí),衛(wèi)星授時(shí)由于衛(wèi)星與用戶之間傳播的無(wú)線電波是直達(dá)波,不像短波和長(zhǎng)波傳播的無(wú)線電波是依靠電離層的發(fā)射和折射,它受大氣折射的影響小,因此精度比較高。 衛(wèi)星授時(shí)由于覆蓋面廣、精度高以及相對(duì)成本較低的特點(diǎn)近年來(lái)得到廣泛應(yīng)用。 中國(guó)自主研制的“北斗三號(hào)”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)采用高強(qiáng)度加密設(shè)計(jì),安全、可靠且穩(wěn)定,統(tǒng)覆蓋中國(guó)及周邊國(guó)家和地區(qū)24 h 全天候服務(wù),無(wú)信號(hào)盲區(qū),且北斗授時(shí)精度已達(dá)納秒級(jí)。

原子鐘是目前最精確的時(shí)間和頻率標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備,在計(jì)量學(xué)中稱其為頻率標(biāo)準(zhǔn)器具。 在原子鐘里銣原子鐘具有體積小、重量輕、功耗低、技術(shù)難度較低、可靠性高等優(yōu)勢(shì)。

時(shí)間源各選擇中,衛(wèi)星授時(shí)和原子鐘授時(shí)具有可行性、經(jīng)濟(jì)性、先進(jìn)性,長(zhǎng)短波授時(shí)已不是現(xiàn)今主流的授時(shí)方式,不利于以后的擴(kuò)展。 因此,本系統(tǒng)采用北斗授時(shí)設(shè)備和銣原子鐘兩種時(shí)統(tǒng)設(shè)備作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間來(lái)源,平時(shí)主用北斗授時(shí)設(shè)備作為時(shí)鐘源,銣鐘用來(lái)守時(shí),當(dāng)北斗衛(wèi)星授時(shí)失效時(shí),銣鐘能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)衛(wèi)星授時(shí)失效前的時(shí)間實(shí)現(xiàn)自守時(shí),北斗授時(shí)設(shè)備的精度已達(dá)ns 級(jí),銣原子鐘守時(shí)可實(shí)現(xiàn)一年內(nèi)無(wú)衛(wèi)星授時(shí)的情況下誤差不超過(guò)5 ms。

1.2 時(shí)間同步方案設(shè)計(jì)

1.2.1 時(shí)間同步模式選擇

在衛(wèi)星通信網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步需要一個(gè)時(shí)間同步服務(wù)器,網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他設(shè)備及終端從時(shí)間同步服務(wù)器獲取時(shí)間信息。 網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步有3 種實(shí)現(xiàn)方式。

(1)客戶端/服務(wù)器模式。 服務(wù)器時(shí)間為基準(zhǔn)時(shí)間,客戶端的時(shí)間被服務(wù)器端同步,但服務(wù)器端不能被客戶端同步。 這種模式下,時(shí)間基準(zhǔn)方是固定的。

(2)對(duì)稱模式。 時(shí)間同步雙方均可作為服務(wù)器端或客戶端,先發(fā)出申請(qǐng)建立連接的一方工作在服務(wù)器模式下,另一方工作在客戶端模式下,客戶端的時(shí)間被服務(wù)器端同步。 這種模式下時(shí)間基準(zhǔn)方不固定。

(3)廣播模式。 廣播模式采用一對(duì)多的同步方式,服務(wù)器不管客戶端的連接狀態(tài),時(shí)間源服務(wù)器以固定的時(shí)間周期廣播自己的時(shí)間信息,客戶端通過(guò)廣播接收到時(shí)間信息,直接使用接收到的時(shí)間信息設(shè)置自己的本地時(shí)鐘,而忽略時(shí)間偏差和網(wǎng)絡(luò)延遲。

相較于前兩種模式,廣播模式的時(shí)間同步誤差相對(duì)較大,對(duì)時(shí)間精度要求較高的系統(tǒng)應(yīng)采用服務(wù)器/客戶端模式進(jìn)行時(shí)間同步。 本系統(tǒng)采用服務(wù)器/客戶端模式。

1.2.2 客戶端/服務(wù)器端時(shí)間同步原理

時(shí)間同步雙方通過(guò)發(fā)送時(shí)間同步數(shù)據(jù)報(bào)文,在客戶端和服務(wù)器間的通信完成時(shí)間信息同步[2]。 下面以一次同步過(guò)程介紹其工作原理,過(guò)程如圖1 所示。

圖1 服務(wù)器/客戶端時(shí)間同步示意

時(shí)間同步雙方客戶端A 和服務(wù)器端B 通過(guò)有線或無(wú)線建立連接。

(1) A 向B 發(fā)送時(shí)間同步數(shù)據(jù)報(bào)文,數(shù)據(jù)包中包含報(bào)文發(fā)出時(shí)的時(shí)間戳T1;

(2) B 接收到報(bào)文數(shù)據(jù)后解析并記錄到達(dá)時(shí)間戳T2;

(3) B 向A 發(fā)送確認(rèn)應(yīng)答報(bào)文,報(bào)文包含T1、T2、T3,其中T3為B 發(fā)出報(bào)文的時(shí)間戳;

(4) A 收到B 返回的報(bào)文數(shù)據(jù),解析并記錄收到的時(shí)間戳T4。

假設(shè)Toffset為客戶端A 和服務(wù)器端B 之間的時(shí)間偏差[3],Tdelay1,為A 向B 發(fā)送時(shí)間同步請(qǐng)求的傳輸時(shí)延,Tdelay2為B 向A 返回確認(rèn)報(bào)文的傳輸時(shí)延,可得出:

從式(2)可以看出,客戶端和服務(wù)器端時(shí)間偏差Toffset和雙方報(bào)文傳輸時(shí)延Tdelay只與T2-T1的差值及T4-T3的差值有關(guān)[4],與T2、T3之間的差值無(wú)關(guān),即時(shí)間同步結(jié)果與服務(wù)器端解析處理報(bào)文所用時(shí)間無(wú)關(guān)。根據(jù)式(2)中Toffset的計(jì)算方式,利用4 個(gè)時(shí)間戳,可得出客戶端與服務(wù)器端之間的時(shí)間偏差,客戶端根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整自身本地時(shí)間。 另外,在本系統(tǒng)中即使同時(shí)多個(gè)設(shè)備同時(shí)發(fā)送時(shí)間同步請(qǐng)求導(dǎo)致服務(wù)器端反應(yīng)速度減慢,也不會(huì)影響時(shí)間同步精度[5]。

1.3 時(shí)間統(tǒng)一軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)可能部署于全國(guó)各地,因此必須考慮各地節(jié)點(diǎn)之間時(shí)間同步問(wèn)題。 在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中整個(gè)系統(tǒng)提供一個(gè)統(tǒng)一的基準(zhǔn)時(shí)間,各地系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)維護(hù)自己的內(nèi)部時(shí)間源,用于對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的各設(shè)備時(shí)間統(tǒng)一。系統(tǒng)各地網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)根據(jù)時(shí)間同步的方式(手動(dòng)同步/自動(dòng)定時(shí)同步)向統(tǒng)一基準(zhǔn)時(shí)間進(jìn)行時(shí)間同步,來(lái)調(diào)整節(jié)點(diǎn)內(nèi)維護(hù)的時(shí)間源信息,以達(dá)到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間源和系統(tǒng)統(tǒng)一基準(zhǔn)時(shí)間保持一致。 本文中,衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信管理系統(tǒng)中提供統(tǒng)一基準(zhǔn)時(shí)間的節(jié)點(diǎn)為系統(tǒng)一級(jí)節(jié)點(diǎn),其他節(jié)點(diǎn)均為下級(jí)節(jié)點(diǎn)。

任意下級(jí)節(jié)點(diǎn)時(shí)間統(tǒng)一軟件可向一級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)起時(shí)間同步,根據(jù)一級(jí)節(jié)點(diǎn)的基準(zhǔn)時(shí)間信息調(diào)整其維護(hù)的當(dāng)前節(jié)點(diǎn)時(shí)間源信息。 在本系統(tǒng)中,一級(jí)節(jié)點(diǎn)為服務(wù)器端,所有下級(jí)節(jié)點(diǎn)均為客戶端。

1.3.1 功能組成

時(shí)間統(tǒng)一軟件主要是為了系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的時(shí)間統(tǒng)一,時(shí)間統(tǒng)一軟件包括時(shí)間同步和時(shí)間校準(zhǔn)兩個(gè)功能模塊,如圖2 所示。

圖2 時(shí)間統(tǒng)一軟件功能組成

時(shí)間同步功能負(fù)責(zé)下級(jí)節(jié)點(diǎn)時(shí)間源向一級(jí)節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步確保各級(jí)時(shí)間源信息一致,以及對(duì)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)內(nèi)管轄的服務(wù)器及設(shè)備的時(shí)間進(jìn)行同步,從而實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)時(shí)間統(tǒng)一。

時(shí)間校準(zhǔn)負(fù)責(zé)自動(dòng)檢查當(dāng)前節(jié)點(diǎn)維護(hù)的本地時(shí)間源和一級(jí)基準(zhǔn)時(shí)間服務(wù)器之間的誤差,當(dāng)誤差達(dá)到預(yù)設(shè)的閾值時(shí)能夠自動(dòng)進(jìn)行告警,同時(shí)向操作臺(tái)發(fā)送告警信息。

1.3.2 模塊設(shè)計(jì)

1.3.2.1 時(shí)間同步

系統(tǒng)根據(jù)時(shí)間同步的方式(手工和定時(shí)自動(dòng))調(diào)整本節(jié)點(diǎn)維護(hù)的時(shí)間源服務(wù)器時(shí)間信息,使系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間源和基準(zhǔn)時(shí)鐘源服務(wù)器保持統(tǒng)一。 節(jié)點(diǎn)內(nèi)任意設(shè)備作為客戶端發(fā)起時(shí)間同步請(qǐng)求,時(shí)間源服務(wù)器端返回時(shí)間信息,客戶端根據(jù)返回的時(shí)間信息調(diào)整本地操作系統(tǒng)時(shí)間。 同時(shí)下級(jí)節(jié)點(diǎn)時(shí)間源服務(wù)器端作為客戶端定時(shí)和一級(jí)基準(zhǔn)時(shí)鐘源服務(wù)器進(jìn)行時(shí)間同步。

時(shí)間統(tǒng)一軟件通過(guò)有線或無(wú)線的方式向管轄范圍內(nèi)的服務(wù)器/衛(wèi)通設(shè)備進(jìn)行時(shí)間同步。 時(shí)間統(tǒng)一軟件接收高精度外部時(shí)鐘信號(hào)作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的基準(zhǔn)時(shí)間。下級(jí)節(jié)點(diǎn)對(duì)于一級(jí)時(shí)間統(tǒng)一軟件來(lái)說(shuō)作為客戶端等待一級(jí)服務(wù)器反饋相關(guān)報(bào)文,從而完成同步過(guò)程。 時(shí)間信息同步方式通過(guò)服務(wù)器/客戶端模式。 各級(jí)節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步過(guò)程如圖3 所示。

圖3 時(shí)間同步過(guò)程示意

在本系統(tǒng)中時(shí)間同步分以下兩個(gè)步驟:

(1)下級(jí)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間源服務(wù)器作為客戶端向一級(jí)節(jié)點(diǎn)的基準(zhǔn)時(shí)間服務(wù)器請(qǐng)求時(shí)間同步獲取本節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間;

(2)本級(jí)節(jié)點(diǎn)內(nèi)的設(shè)備向本節(jié)點(diǎn)的時(shí)間源服務(wù)器請(qǐng)求時(shí)間同步。

通過(guò)以上步驟可實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)時(shí)間同步,客戶端和服務(wù)器端時(shí)間同步流程分別如圖4—5 所示。

圖4 客戶端程序流程

1.3.2.2 時(shí)間校準(zhǔn)

時(shí)間校準(zhǔn)功能能夠自動(dòng)檢查當(dāng)前節(jié)點(diǎn)維護(hù)的本地時(shí)間源和一級(jí)時(shí)間同步服務(wù)器之間的誤差,當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的閾值時(shí)能夠進(jìn)行時(shí)間告警,同時(shí)向綜合管理發(fā)送一條告警信令。

時(shí)間校準(zhǔn)的流程如圖6 所示。 時(shí)間校準(zhǔn)過(guò)程為:

圖6 時(shí)間校準(zhǔn)流程

(1)設(shè)定時(shí)間誤差閾值為t,設(shè)定時(shí)間檢查周期T;

(2)每個(gè)時(shí)間檢查周期本地時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之間的差值,若超過(guò)閾值t則發(fā)送告警信令并糾正本地時(shí)間。

1.4 時(shí)間同步誤差測(cè)試

圖5 服務(wù)器端程序流程

本系統(tǒng)中各下級(jí)節(jié)點(diǎn)的基準(zhǔn)時(shí)間都是從一級(jí)節(jié)點(diǎn)獲取,因此計(jì)算時(shí)統(tǒng)設(shè)備到終端的時(shí)間同步誤差得出系統(tǒng)最大誤差值。 時(shí)間從授時(shí)設(shè)備到終端共經(jīng)歷4 各階段:北斗授時(shí)階段、一級(jí)時(shí)間基準(zhǔn)服務(wù)器到下級(jí)時(shí)間源服務(wù)器時(shí)間同步、時(shí)間源務(wù)器到網(wǎng)控設(shè)備時(shí)間同步、網(wǎng)控設(shè)備到終端時(shí)間同步。 計(jì)算這4 個(gè)階段的時(shí)間誤差即可得出系統(tǒng)時(shí)間統(tǒng)一最大誤差。 測(cè)試網(wǎng)絡(luò)搭建如圖7 所示。

圖7 時(shí)間同步測(cè)試網(wǎng)絡(luò)

通過(guò)搭建測(cè)試網(wǎng)絡(luò),經(jīng)實(shí)測(cè)得出測(cè)試數(shù)據(jù)如下表1所示。

表1 時(shí)間統(tǒng)一時(shí)間誤差分析

測(cè)試數(shù)據(jù)表明,在終端具備時(shí)間校準(zhǔn)能力的前提下,全網(wǎng)時(shí)間同步最大誤差為26～75 ms。

2 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的多節(jié)點(diǎn)分布式衛(wèi)星通信系統(tǒng)時(shí)間統(tǒng)一方案適用于無(wú)線衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)混合使用的多地、多節(jié)點(diǎn)且節(jié)點(diǎn)內(nèi)多設(shè)備的時(shí)間統(tǒng)一。 本系統(tǒng)通過(guò)兩步法實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)時(shí)間統(tǒng)一。 第一步,各下級(jí)節(jié)點(diǎn)選定的時(shí)間源服務(wù)器向一級(jí)節(jié)點(diǎn)基準(zhǔn)時(shí)間服務(wù)器進(jìn)行時(shí)間同步;第二步,節(jié)點(diǎn)內(nèi)各設(shè)備向本節(jié)點(diǎn)的時(shí)間源服務(wù)器進(jìn)行時(shí)間同步。 通過(guò)兩步法避免了所有設(shè)備都向一級(jí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間同步導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)擁塞和一級(jí)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間基準(zhǔn)服務(wù)器處理壓力過(guò)大,同時(shí)也避免了由于一級(jí)節(jié)點(diǎn)時(shí)間基準(zhǔn)服務(wù)器故障可能造成的全網(wǎng)時(shí)間錯(cuò)亂。 兩步法的時(shí)間統(tǒng)一方案兼顧了可靠和高效。