空間信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)研究

楊 輝，蔚保國，王正勇，于 奧，白 巍，張 杰

(1.北京郵電大學(xué) 信息光子學(xué)與光通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876；2.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081)

0 引言

空間信息網(wǎng)絡(luò)是以空間平臺(tái)(如高、中、低軌道衛(wèi)星，氣球和飛機(jī)等)為載體，實(shí)時(shí)獲取、傳輸和處理空間信息的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。作為國家重要基礎(chǔ)設(shè)施，空間信息網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于服務(wù)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、遠(yuǎn)洋航行、應(yīng)急救援、導(dǎo)航定位、航空運(yùn)輸和航天測(cè)控等重大應(yīng)用的同時(shí)，向下可支持對(duì)地觀測(cè)的高動(dòng)態(tài)、寬帶實(shí)時(shí)傳輸，向上可支持深空探測(cè)的超遠(yuǎn)程、大時(shí)延可靠傳輸，從而將人類科學(xué)、文化、生產(chǎn)活動(dòng)拓展至空間、遠(yuǎn)洋、乃至深空，是全球范圍的研究熱點(diǎn)[1]。隨著空間信息網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，不可避免地出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模可擴(kuò)展與時(shí)間同步高精度的挑戰(zhàn)[2]。以中國第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)中的TD-SCDMA為例，由于TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)需要承載高清視頻、高質(zhì)量通話等對(duì)時(shí)間同步精度要求較高的業(yè)務(wù)[3]，網(wǎng)絡(luò)基站目前使用GPS作為其唯一的時(shí)間源[4]。有了GPS系統(tǒng)的高精度授時(shí)，TD-SCDMA可以實(shí)現(xiàn)在相同頻率發(fā)送上行/下行數(shù)據(jù)，保持基站之間的同步，并將同步精度控制±1.5 μs內(nèi)[5]。但眾所周知，GPS系統(tǒng)從實(shí)際應(yīng)用來看具有較高的安全隱患。據(jù)統(tǒng)計(jì)，GPS部分除了射頻模塊外，已經(jīng)成為第二高頻故障率衛(wèi)星系統(tǒng)，約占全球總故障數(shù)的15%[6]。2010年就曾有報(bào)道稱一對(duì)美國夫婦輕信GPS導(dǎo)航儀上可以節(jié)省40 km的路程，隨后將汽車陷入雪地中，足足花費(fèi)了3天的時(shí)間才找到一個(gè)能夠撥打手機(jī)的地方[7]。

第五代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)(5G)可以提供超快的網(wǎng)絡(luò)速度(網(wǎng)速可達(dá)5～6 M/s)，極低延遲的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境已成為5G網(wǎng)絡(luò)平穩(wěn)運(yùn)行的必要條件[8]。為了獲得這個(gè)結(jié)果，高穩(wěn)定、高可靠的授時(shí)系統(tǒng)對(duì)于5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。在這種情況下，北斗系統(tǒng)可能是替代GPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)高精度時(shí)間同步的最優(yōu)選擇，而優(yōu)化空間信息網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星系統(tǒng)的時(shí)間同步是其必要條件。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，提出利用光載無線網(wǎng)絡(luò)(Radioover Fiber Network，RoFN)來提高空間信息網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星地面基站的時(shí)間同步精度。RoFN是通過將射頻信號(hào)的子載波調(diào)制到光載波來實(shí)現(xiàn)光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)募夹g(shù)[9]。利用光載無線網(wǎng)絡(luò)中的模擬傳輸特征，傳遞北斗衛(wèi)星時(shí)鐘信號(hào)，在實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步的同時(shí)，提升同步精度和網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬，避免了數(shù)字化同步過程中帶來的失真和帶寬浪費(fèi)[10]。此外，在時(shí)間同步過程中，至少需要處理星/地通信和地/地通信這2種通信模式，這意味著需要同時(shí)處理有線和無線傳輸。而軟件定義的光網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Optical Network，SDON)作為統(tǒng)一的控制架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)由控制功能與傳送功能的緊耦合到控制功能與運(yùn)營功能的緊耦合、由以連接過程為核心的閉合控制到以組網(wǎng)過程為核心的開放控制的模式轉(zhuǎn)變[11]。因此，應(yīng)用SDON技術(shù)來控制和優(yōu)化空間信息網(wǎng)絡(luò)中的資源分配是十分必要的。

1 空間信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：軟件定義光載無線網(wǎng)絡(luò)

隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度變得越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)不能得到保證。而在RoFN中，RoF技術(shù)可以將大型基站設(shè)施集中到中心站(Central Station，CS)，使得運(yùn)營商可以更容易地添加新的無線小區(qū)站點(diǎn)，并且其在系統(tǒng)成本方面也很有競(jìng)爭(zhēng)力。換句話說，正是由于RoFN的出現(xiàn)，遠(yuǎn)程基站(Remote Base Station，RBS)大大簡(jiǎn)化，設(shè)備和頻譜帶寬資源成為可以動(dòng)態(tài)分配的共享資源[12]。另外，RoFN在CS中集中資源的思想與SDON的集中控制思想相吻合。所以，構(gòu)建軟件定義的光載無線網(wǎng)絡(luò)(SD-RoFN)的想法已經(jīng)呼之欲出。

SD-RoFN的融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1(a)所示。該架構(gòu)由3部分組成：衛(wèi)星系統(tǒng)部分(包括同步衛(wèi)星和地面基站)、RoFN部分(包括CS、邊緣節(jié)點(diǎn)和RBS)和SDN控制器。對(duì)于衛(wèi)星系統(tǒng)的一部分，同步衛(wèi)星發(fā)揮原子鐘信號(hào)發(fā)生器的作用，而地面基站負(fù)責(zé)信號(hào)的接收與轉(zhuǎn)發(fā)。在RoFN架構(gòu)中，光傳輸網(wǎng)絡(luò)(OTN)可以實(shí)現(xiàn)CS，地面基站和邊緣節(jié)點(diǎn)的互連，而分布式RBS則融合到OTN中。因此，SD-RoFN由衛(wèi)星和RoF兩種資源組成。二者均由SDN控制器以O(shè)penFlow協(xié)議統(tǒng)一定義和控制。如圖1(b)所示，SD-RoFN共有3種時(shí)間同步信號(hào)傳輸模式：① 信號(hào)通過OTN直接傳輸?shù)降孛婊尽＠纾恍┑孛婊咎幱诓贿m合從衛(wèi)星接收信號(hào)的位置，則可以通過光纖接收來自臨近地面基站的信號(hào)。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是地面基站可以通過OTN互連。② 信號(hào)通過RoFN在地面基站和RBS之間進(jìn)行傳輸。通過這種方式，使衛(wèi)星和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的通信互傳成為可能，實(shí)現(xiàn)5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的高精度授時(shí)服務(wù)。③ 信號(hào)通過RoFN傳輸?shù)降孛婊尽Ｋw現(xiàn)了RoFN和衛(wèi)星通信的結(jié)合，包括前2種模式。不僅可以實(shí)現(xiàn)OTN的地面基站之間的通信，還可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的連接。但是對(duì)于這個(gè)地面基站來說，它并不直接與其他地面基站連接，可以從最近的RBS接收信號(hào)，所以這種方法具有更廣泛的適用性。首先，SD-RoFN強(qiáng)調(diào)衛(wèi)星系統(tǒng)與RoFN之間的協(xié)作，以克服量化誤差。其次，基于RoFN和SDN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，豐富了傳輸模式，是提高交互性和提高傳輸能力的有力解決方案[13]。

(a) SD-RoFN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) (b) 信號(hào)傳輸方式圖1 SD-RoFN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與信號(hào)傳輸方式

2 基于SD-RoFN的時(shí)間同步方法

為了確保5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步的精度以及北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的正常運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)必須首先保持不同地面基站點(diǎn)之間的同步精度，這就需要地面基站從衛(wèi)星原子鐘中提取時(shí)鐘信號(hào)以確保同步。然而，高精度衛(wèi)星時(shí)間同步方案要求地面基站天線具有良好的對(duì)空對(duì)地視野，以確保接收機(jī)能夠接收有效信號(hào)。雖然使用IEEE 1588時(shí)鐘同步協(xié)議可以解決時(shí)間同步精度和成本高的問題[14]，但在時(shí)間同步過程中，時(shí)鐘信號(hào)以數(shù)字信號(hào)的方式進(jìn)行傳輸[15]，在信號(hào)量化過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生失真，導(dǎo)致接收器無法識(shí)別確切的同步信息。這就會(huì)增加時(shí)鐘傳輸?shù)臅r(shí)延，最終對(duì)同步延遲和精度有一定的影響[16]。

時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)是為傳輸網(wǎng)絡(luò)和各種業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)提供高質(zhì)量、高可靠同步信號(hào)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，是保證時(shí)間同步精度和通信網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素[17]。因此，正如圖1(a)所示，SD-RoFN中有3種同步網(wǎng)絡(luò)：① 基于地面基站的端到端同步網(wǎng)絡(luò)，適合短距離地面基站的同步；② 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的同步網(wǎng)絡(luò)，提供單向時(shí)間同步方案；③ 結(jié)合前2種情況的混合方案，不僅在地面基站之間提供同步網(wǎng)絡(luò)，而且還提供移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的同步網(wǎng)絡(luò)。因此，基于第3種方案設(shè)計(jì)了一種同步方法。

基于SD-RoFN架構(gòu)的時(shí)間同步方案如圖2所示，提出了基于SD-RoFN中的原子鐘同步方案。衛(wèi)星產(chǎn)生的原子鐘由RoFN鏈接傳送到其他網(wǎng)絡(luò)單元，如RBS和地面基站。以不能接收衛(wèi)星信號(hào)的地面基站為例：首先，某一地面基站接收衛(wèi)星系統(tǒng)產(chǎn)生的原子鐘模擬同步信號(hào)。然后，同步信號(hào)將通過RoFN鏈路發(fā)送到RBS。之后，相鄰的RBS可以共享由特定RBS通過無線模式接收的模擬同步信號(hào)。最后，從相鄰RBS接收信號(hào)的RBS可以通過RoFN鏈路將模擬同步信號(hào)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)單元，包括遠(yuǎn)程的地面基站。

圖2 基于SD-RoFN的時(shí)間同步方案

本方案的主旨是在ROF系統(tǒng)中采用模擬信號(hào)傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)時(shí)間同步，避免了數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的量化誤差，進(jìn)一步提升北斗地面基站之間的同步精度，同時(shí)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源，增強(qiáng)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的覆蓋能力，地面基站架構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于光載無線網(wǎng)絡(luò)的北斗地面基站架構(gòu)示意

下面簡(jiǎn)述實(shí)現(xiàn)方式，具體的交互過程如圖4所示。

① 地面基站B向地面基站A發(fā)送時(shí)間同步請(qǐng)求；

② 地面基站A向北斗系統(tǒng)發(fā)送時(shí)間同步信息請(qǐng)求；

③ 北斗系統(tǒng)接收到同步請(qǐng)求后，獲取原子鐘時(shí)鐘信號(hào)T，并將時(shí)鐘信號(hào)發(fā)送給地面基站A；

④ 地面基站A計(jì)算同步消息時(shí)延t1；

⑤ 地面基站A向地面基站B發(fā)送時(shí)間同步響應(yīng)消息T+t1;

⑥ 地面基站B計(jì)算同步響應(yīng)消息時(shí)延t2；

⑦ 地面基站B獲得同步時(shí)間T+t1+t2，實(shí)現(xiàn)與地面基站A的時(shí)間同步。

圖4 時(shí)間同步交互過程示意

更具體地說，時(shí)間同步過程可以分為2個(gè)步驟。“Follow_up”同步信號(hào)由射頻信號(hào)承載，即RoF鏈路傳送原子鐘同步信號(hào)。當(dāng)信號(hào)達(dá)到時(shí)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)元件將提取消息以獲取準(zhǔn)確的時(shí)鐘。而其他同步信號(hào)在傳輸過程中將始終保持?jǐn)?shù)字信號(hào)的狀態(tài)。一言之，“Follow_up”消息在同步過程中是模擬的，它將會(huì)用于保證將原子鐘信號(hào)傳輸?shù)矫總€(gè)網(wǎng)絡(luò)單元，從而實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)鐘同步。

時(shí)間同步過程如圖5所示。首先，主機(jī)發(fā)送同步消息Sync，從機(jī)記錄Sync(T2)到達(dá)的確切時(shí)間。在“Follow_up”中，主機(jī)發(fā)送在網(wǎng)絡(luò)時(shí)間(T1)的更精確測(cè)量值，這樣可以計(jì)算出傳播偏移；第二步，從機(jī)向主機(jī)發(fā)送一個(gè)Delay_req(T3)消息，并返回一個(gè)Delay_resp(T4)消息。那么系統(tǒng)可以精確地計(jì)算通過特定網(wǎng)絡(luò)部分傳輸消息所需的時(shí)間。

圖5 時(shí)間同步模型

在這2步之后，利用以下公式來獲得延遲和偏移量，并完成時(shí)間同步。

T2=T1+offset+delay，

(1)

T4=T3-offset+delay，

(2)

offset=(T2-T1-T4+T3)/2，

(3)

delay=(T2-T1+T4-T3)/2，

(4)

BiasError= |offsetideal-offsetvirtual|。

(5)

3 仿真結(jié)果與分析

對(duì)基于IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間同步方案實(shí)現(xiàn)，已經(jīng)有了很多不同精度結(jié)果的研究。在這部分中，通過仿真和分析比較了傳統(tǒng)方法的性能和提出的方法，并通過對(duì)比常規(guī)方法和所提方法之間的偏移誤差來進(jìn)行比較。仿真邏輯如圖6所示，很容易發(fā)現(xiàn)，地面基站1從衛(wèi)星獲得的主時(shí)鐘(MC)。從時(shí)鐘有2種：SC1(從時(shí)鐘1)是遠(yuǎn)程基站；SC2(從時(shí)鐘2)是不能從衛(wèi)星接收信號(hào)的地面基站2。從時(shí)鐘之間的差異是傳輸距離和傳輸模式。從圖6中可以看出，地面基站經(jīng)光纖通過CS連接遠(yuǎn)程基站，RBS通過無線方式相互通信。因此，SC1通過光纖獲得MC的時(shí)間信號(hào)，SC2通過光纖和無線獲取信號(hào)。需要注意的是，常規(guī)IEEE 1588同步的特點(diǎn)是MC和SC之間的鏈路是對(duì)稱的。因此，為了充分驗(yàn)證這種方法的廣泛適用性，引入了非對(duì)稱比率，它定義為主從方向的端對(duì)端延遲除以從對(duì)主方向的端到端延遲，當(dāng)非對(duì)稱比例變化時(shí)，可以記錄偏移的變化。

圖6 仿真邏輯

為了在仿真中獲得更好的對(duì)比度效果，通過式(5)定義偏差誤差。SC的偏移量設(shè)置為50 s。主從方向的端到端延遲被假定為25 ms。不對(duì)稱比例范圍為1∶1～8∶1。從時(shí)鐘偏置誤差在不對(duì)稱比例條件下的分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 傳統(tǒng)方案與所提方案的對(duì)比結(jié)果

圖7中比較了傳統(tǒng)方法和所提方法中SC1和SC2的仿真結(jié)果，得出3個(gè)重要結(jié)論：① 偏差誤差隨著不對(duì)稱比例的增加而增加；② SC1總是比SC2好；③ 提出的方法明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法。也就是在不對(duì)稱比率條件下，所提出的方法具有一定的穩(wěn)定性和獨(dú)立性。此外，SD-RoFN架構(gòu)的偏差誤差范圍為200 ns～1 μs，可滿足5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的需求。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中也存在一些問題，例如SC1和SC2之間的差距。這種結(jié)果的原因可能是多方面的，如無線延遲和更長(zhǎng)的傳輸距離。此外，實(shí)際上應(yīng)避免由不對(duì)稱比率引起的偏差誤差的增長(zhǎng)。

4 結(jié)束語

重點(diǎn)介紹了傳輸模式對(duì)時(shí)間同步精度的影響。為了滿足5G時(shí)代的需求，討論了有關(guān)時(shí)間同步的問題，設(shè)計(jì)了SD-RoFN架構(gòu)，并提出了業(yè)務(wù)模型來傳輸時(shí)間同步信息[18]。同時(shí)，引入了SDN控制器和RoF來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集中控制與高精度時(shí)間同步。最后進(jìn)行了仿真對(duì)比測(cè)試，證明了該方法的準(zhǔn)確性。數(shù)字結(jié)果表明，傳統(tǒng)方法在條件變化時(shí)具有很大的缺點(diǎn)，所提方法的偏差誤差在條件變化時(shí)能保持穩(wěn)定。雖然模擬信號(hào)在傳輸距離方面有一定的限制，但隨著技術(shù)的發(fā)展將會(huì)被克服。

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