時間同步性能評估指標及測試方法探討＊

潘 峰 中國信息通信研究院通信標準研究所工程師

劉 剛 國網(wǎng)福建省電力有限公司信息通信分公司工程師

李 信 國網(wǎng)冀北電力有限公司信息通信分公司高級工程師

朱 林 國電南瑞科技股份有限公司工程師

1 引言

時間同步是將共同的時間參考基準分配至通信網(wǎng)中的各實時時鐘。網(wǎng)絡中所有相關(guān)聯(lián)的節(jié)點訪問關(guān)于時間的信息（換句話說，基準定時信號的每個周期均已標記并確定具體的日期）并共享一個共同的時標和相關(guān)的時刻（在相應的時間精度要求內(nèi)）（見圖1）。

這些共同的時標包括協(xié)調(diào)世界時（UTC）、國際原子時（TAI）、協(xié)調(diào)世界時+偏差（如本地時間）、GPS時間、PTP時間和本地任意時間等。

在電信網(wǎng)中，3G/4G基站空中接口對時間同步精度的要求優(yōu)于±1.5μs，且隨著5G移動通信及量子通信的發(fā)展，其對時間同步的要求更加嚴格。在電力自動化系統(tǒng)中，被授時設備中行波測距、同步向量測量和雷電定位系統(tǒng)對時間同步精度的要求優(yōu)于±1μs。除電力、電信領(lǐng)域，其他如航空、鐵路運輸、工業(yè)控制與測量、氣象預報預測等領(lǐng)域均離不開時間同步的應用。一個系統(tǒng)的時間同步性能采取什么性能評估指標來衡量以及利用何種測試方法來驗證，目前國際和國內(nèi)并未有統(tǒng)一的觀點。本文將重點探討時間同步的性能評估指標及測試方法。

圖1 時間同步示意圖

2 時間同步性能評估指標

在研究評估時間同步的性能指標下，先介紹下頻率同步及相位同步的概念。頻率同步，就是所謂時鐘同步，是指信號之間的頻率或相位上保持某種嚴格的特定關(guān)系，其相對應的有效瞬間以同一平均速率出現(xiàn)，以維持通信網(wǎng)絡中所有的設備以相同的速率運行。相位同步，意味著所有相關(guān)聯(lián)的節(jié)點可以訪問參考定時信號，其顯著事件發(fā)生在同一時刻（在相應的相位精度要求內(nèi)）。相位同步是指相對于相位（相位對齊）對準時鐘的過程。時間同步，相位同步和頻率同步既相互聯(lián)系，又有所區(qū)別，頻率同步是時間同步和相位同步的基礎(chǔ)，時間同步和相位同步是頻率同步在絕對時間和絕對相位保持一致情形下的延伸。

評估頻率同步的性能指標通常包括頻率準確度、頻率穩(wěn)定度、頻率漂移、時間間隔誤差（TIE）、最大時間間隔誤差（MTIE）、時間偏差（TDEV）。由于時間同步要保證系統(tǒng)中各節(jié)點每一個時刻的時間與時間標準的誤差（Time Error,TE）均要限制在某一特定范圍內(nèi)（ns級），且時間誤差由兩部分組成，即恒定時間誤差（Constant Time Error,cTE）與動態(tài)時間誤差（Dynamic Time Error,dTE）。因此衡量時間同步的性能應從以下幾個方面進行評估，時間精度、時間穩(wěn)定度與守時精度。

2.1 時間精度

當時間同步系統(tǒng)正常跟蹤于衛(wèi)星接收機的情況下，系統(tǒng)的輸出絕對時間精度應采用設備的最大絕對時間誤差（Maximum Absolute Time Error,max|TE|）進行衡量，它包括恒定時間誤差和動態(tài)時間誤差的噪聲產(chǎn)生。對于G.8271規(guī)定的A類和B類T-BC，其值分別為100ns與70ns，接口類型為1PPS和PTP接口。對于時間同步設備，我國規(guī)定1PPS+Tod與PTP輸出接口均為±150ns。IRIG-B碼為±20μs。

2.2 時間穩(wěn)定度

在正常跟蹤衛(wèi)星定位系統(tǒng)的情況下，對于時間同步設備，1PPS接口輸出信號的MTIE/TDEV應滿足我國頻率同步網(wǎng)的1級基準時鐘漂移產(chǎn)生的要求（觀察時間待定）。對于G.8271規(guī)定的A類和B類T-BC，其PTP和1PPS輸出口的恒定誤差產(chǎn)生分別為±50ns與±20ns，對于動態(tài)誤差的噪聲產(chǎn)生，若其內(nèi)部含有一個EEC-Option1的時鐘，且時間和頻率均處于鎖定狀態(tài)，當通過一個0.1Hz的一階低通濾波器進行測量時，在1000s的觀察時間內(nèi)，其MTIE不超過40ns，當通過一個0.1Hz的一階高通濾波器進行測量時，在1000s的觀察時間內(nèi)，其MTIE不超過70ns。

在正常跟蹤1PPS+ToD信號時，對于時間同步設備，1PPS接口輸出信號的MTIE/TDEV應滿足我國頻率同步網(wǎng)的2級和3級節(jié)點時鐘漂移產(chǎn)生的要求（觀察時間待定）。

2.3 守時精度

當時間同步輸入功能失效時，在時間同步設備內(nèi)部時鐘正常跟蹤于我國1級基準時鐘的定時信號時，通過1PPS接口或PTP接口進行觀測，在3天之內(nèi)的相對守時精度應優(yōu)于±1μs；時間同步設備內(nèi)部時鐘無法正常跟蹤于我國1級基準時鐘的定時信號時，對于內(nèi)部時鐘配置為2級節(jié)點時鐘，在1天之內(nèi)的相對守時精度應優(yōu)于±5μs；若內(nèi)部時鐘配置為3級節(jié)點時鐘，在1天之內(nèi)的相對守時精度應優(yōu)于±0.1ms。

3 時間同步性能測試方法

無論是對時間同步設備還是時間同步系統(tǒng)，其測試方法均可分為絕對測試方法和相對測試方法。對于單個設備的測試，也可將其視為一個單節(jié)點的時間同步系統(tǒng)，因此接下來的測試方法均以時間同步系統(tǒng)為待測對象進行介紹。

3.1 絕對測試法

所謂絕對測試法，是指時間同步系統(tǒng)的時間源和測試儀表的時間源均來自于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS（包括北斗、GPS、GLONASS和Galileo），整個系統(tǒng)通過某種方式達到時間同步，再通過時間測試儀測試其最末端設備的時間輸出性能，其組網(wǎng)方式如圖2所示。

根據(jù)上述配置，若A地和B地位于同一地點，例如在同一實驗室，則可通過GNSS多路分配器同時接入時間測試儀和時間服務器，并計算兩路接入線纜的長度差，以估量所產(chǎn)生的時延差，以達到測試的絕對時間誤差最小；若A地和B地位于不同地點，則應采用共模共視法計算出時間服務器和時間測試儀分別接收GNSS信號的時間誤差，再對系統(tǒng)進行測試，測試后的結(jié)果應補償?shù)魰r間服務器和時間測試儀的時間誤差。對于某些具有GNSS處理模塊和接口的時間同步設備，可直接利用其設備接收GNSS信號，不再需要時間服務器，但這類設備必須具備至少兩路時間輸出接口，以便運行的同時能進行驗證測試。總之，采用絕對測試法，其優(yōu)點就是能保證測試結(jié)果的準確性和可靠性更高，缺點是配置復雜，需進行二次測試才能保證系統(tǒng)絕對時間的準確。

圖2 時間系統(tǒng)的絕對測試組網(wǎng)圖

3.2 相對測試法

所謂相對測試法，是指時間同步系統(tǒng)的時間源來自于測試儀表，整個系統(tǒng)通過某種方式達到時間同步，再通過時間測試儀測試其最末端設備的時間輸出性能，其組網(wǎng)方式如圖3所示，時間測試儀表并不要求與絕對時間同步，即它的時間源可跟蹤GNSS的時間信號，也可采用內(nèi)部保持模式。

根據(jù)上述配置，時間同步系統(tǒng)的源和宿均為時間測試儀，這樣測得的結(jié)果，其誤差全來自于整個時間同步系統(tǒng)，能更方便地確定系統(tǒng)的長期輸出精度。且對于時間測試儀，是否接入GNSS對系統(tǒng)的時間輸出精度并無影響。但是，要測量系統(tǒng)的守時精度，則需接入GNSS，否則時間測試儀自身本振的準確度不高，將會影響時間同步系統(tǒng)的守時精度。對于現(xiàn)網(wǎng)中的測試，設備N與設備1一般不位于同一地點，所以無法保證如上的配置，此時并不適用于采用相對測試組網(wǎng)。總之，相對測試法較絕對測試法配置簡單，經(jīng)濟成本較小，但應用場景受到一定的限制。

圖3 時間系統(tǒng)的相對測試組網(wǎng)圖

4 結(jié)束語

本文闡述了時間同步性能的幾個關(guān)鍵性能及評估指標，并簡單探討了時間同步系統(tǒng)的兩種測試方法。隨著各行業(yè)對時間同步的要求更高，采取更好的方式保證系統(tǒng)的時間同步，利用更優(yōu)的時間同步性能評估指標進行衡量，以及采取配置方便、誤差最小的測試方法進行系統(tǒng)的驗證測試將是未來時間同步領(lǐng)域研究的重點。

1 YD/T 1012-1999.數(shù)字同步網(wǎng)節(jié)點時鐘系列及其定時特性

2 YD/T 2022-2009.時間同步設備技術(shù)要求

3 ITU-T G.8260.Definitions and Terminology for Synchronization in Packet Networks.2011

4 IEEE 1588-2008.IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems.2008

5 ITU-T G.8273.2.Timing Characteristics of Telecom Boundary Clocks and Telecom Time Slave Clocks.2015