助力新基建構(gòu)建精準(zhǔn)時間同步體系

張鎮(zhèn)

隨著5G等新型基礎(chǔ)設(shè)施持續(xù)建設(shè)和發(fā)展，在未來萬物互聯(lián)的龐大信息網(wǎng)絡(luò)中，跨路由節(jié)點之間的彼此協(xié)同、大數(shù)據(jù)處理及節(jié)點數(shù)據(jù)融合的精度等環(huán)節(jié)，對精準(zhǔn)時間同步要求越來越高。如果時間順序出現(xiàn)混亂或者誤差，將影響決策和執(zhí)行效果，造成高昂的成本和嚴(yán)重的安全問題。因此，精準(zhǔn)的時間同步在新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中至關(guān)重要。

精準(zhǔn)時間同步對新型基礎(chǔ)設(shè)施有著戰(zhàn)略意義。當(dāng)前，我國新型基礎(chǔ)設(shè)施中有大量設(shè)備在時間同步方面采用GPS授時。不過，GPS存在易受電子干擾且隨時可能中斷服務(wù)的致命威脅，為保障我國新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運行的安全、可靠和穩(wěn)定，建設(shè)我國自主的精準(zhǔn)時間同步體系已刻不容緩。

新基建對精準(zhǔn)時間同步提出更高要求

以5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等為代表的新型信息基礎(chǔ)設(shè)施，通信信號載波頻率的穩(wěn)定、上下行時隙校準(zhǔn)、可靠傳送等方面都需要精確的時間同步控制。

雖然當(dāng)前對時間同步精度沒有完全確定，但是行業(yè)應(yīng)用有嚴(yán)格的低時延、低抖動、低丟包率承載要求，對精準(zhǔn)時間同步的質(zhì)量要求也將越來越高。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)跳頻、資源分配、路由轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)融合等都依賴時間同步的應(yīng)用，否則不能正常運行。特別是時間敏感型的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，對在設(shè)備上維持端到端的時間精度要求更高，甚至達(dá)到納秒級。而對于衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、低軌衛(wèi)星，只有實現(xiàn)相互間的精準(zhǔn)時間同步，才能為覆蓋區(qū)域提供高速衛(wèi)星通信。另外，在智慧電網(wǎng)、智能礦山、智能道路等融合基礎(chǔ)設(shè)施，以及重大科技基礎(chǔ)設(shè)施中，系統(tǒng)控制、設(shè)備執(zhí)行、運行統(tǒng)計、異常處理等都需要統(tǒng)一時間標(biāo)準(zhǔn)，否則將無法正常運行。

精準(zhǔn)的時間同步是網(wǎng)絡(luò)的“脈搏”，是一切智能化應(yīng)用的基礎(chǔ)。缺少統(tǒng)一的精準(zhǔn)時間作為基準(zhǔn)，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采集的數(shù)據(jù)信息將被割裂，各類終端信息將難以統(tǒng)一處理，各種分布式設(shè)備的工作將無法協(xié)同，新基建中的人與物、物與物將無法動態(tài)、精確地投射到數(shù)字空間中。人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等都需要有相同的時間基準(zhǔn)，才能對事件發(fā)生的時間和順序做準(zhǔn)確記錄;工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)等需要精準(zhǔn)的時間同步來記錄各傳感器的數(shù)據(jù)，才能監(jiān)測設(shè)備和系統(tǒng)是否正常運行;智能交通、自動駕駛等需要探測障礙物位置和制動裝置等信息，只有在高精度時間同步后，才能夠相互避讓、避免碰撞。

精準(zhǔn)時間信息是所有新基建活動的基礎(chǔ)，在超大規(guī)模信息系統(tǒng)中有大量的時間同步設(shè)備接入。由于應(yīng)用環(huán)境越來越復(fù)雜，所以一旦授時系統(tǒng)被干擾、欺騙和破壞，時間同步的性能和精度將劣化，甚至造成整個系統(tǒng)的癱瘓。對于新基建的安全而言，可靠的時間同步是基礎(chǔ)，提高相關(guān)設(shè)施的安全保護(hù)和快速恢復(fù)能力至關(guān)重要。

精準(zhǔn)時間同步建設(shè)面臨諸多問題

頂層設(shè)計不夠，缺少標(biāo)準(zhǔn)時間管理的指導(dǎo)和規(guī)范。當(dāng)前，我國將時間同步所屬的時間頻率行業(yè)納入市場行為和管理體系中。既沒有通過立法形式將時間標(biāo)準(zhǔn)納入國家法制計量范圍，確定應(yīng)有的法律地位，也沒有設(shè)定歸口部門強制管理、厘清民用標(biāo)準(zhǔn)時間管理體制和機制。相比較而言，美國非常重視標(biāo)準(zhǔn)時間的建設(shè)和管理，先后簽署并通過了《關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的安全性和彈性》《國家授時彈性與安全法案》《通過負(fù)責(zé)任地使用定位、導(dǎo)航與授時服務(wù)來增強國家彈性》等法規(guī)和行政命令，旨在確保美國標(biāo)準(zhǔn)時間管理的安全性和可靠性，并設(shè)立“SSA”作為統(tǒng)籌協(xié)調(diào)部門，與國土安全部、商務(wù)部、國防部和交通部等部門共同加強授時基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，應(yīng)對可能出現(xiàn)的風(fēng)險。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范缺乏，難以支撐新基建的時間同步建設(shè)。新基建的精準(zhǔn)時間同步是系統(tǒng)工程，涵蓋以原子鐘或高穩(wěn)晶振為時間源的上游產(chǎn)品，以時間同步模塊和時間同步設(shè)備為集成的中游系統(tǒng)，以及以星基和陸基為授時、網(wǎng)絡(luò)為手段的標(biāo)準(zhǔn)時間下游應(yīng)用領(lǐng)域。新基建的精準(zhǔn)時間同步涉及范圍廣、應(yīng)用領(lǐng)域多，需要有相關(guān)的產(chǎn)品技術(shù)、測試方法和應(yīng)用領(lǐng)域建設(shè)規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)，才能滿足新基建的精準(zhǔn)時間同步建設(shè)的推廣使用。

在關(guān)鍵部件領(lǐng)域，無論上游的原子鐘或高穩(wěn)晶振，還是中游的時間同步設(shè)備和系統(tǒng)，所涉及的技術(shù)要求及測試方法的標(biāo)準(zhǔn)都處于剛剛起步，甚至是空白階段。在傳輸和組網(wǎng)領(lǐng)域，我國2020年發(fā)布了《高精度時間同步技術(shù)要求》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，采用星基授時方式，主要適用于普通工業(yè)監(jiān)測和3G通信等領(lǐng)域，最多可滿足30個時間同步設(shè)備接入，最高時間精度設(shè)定為微秒級。但在以5G通信為基礎(chǔ)的、更高時間精度的新基建領(lǐng)域，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中未能涉及，無法滿足建設(shè)需要。在新基建應(yīng)用領(lǐng)域，精準(zhǔn)時間同步在通信、物聯(lián)網(wǎng)、電力、高速交通、軌道交通、自動駕駛等新基建應(yīng)用領(lǐng)域正逐漸興起。不過，除電力領(lǐng)域出臺過《電力系統(tǒng)時間同步基本規(guī)定》《智能變電站時間同步系統(tǒng)及設(shè)備技術(shù)規(guī)范》等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)外，其他新基建應(yīng)用領(lǐng)域的時間同步的建設(shè)和技術(shù)規(guī)范都還是空白，統(tǒng)籌和支撐作用不足。

核心技術(shù)待加強，無法實現(xiàn)短時間內(nèi)自主發(fā)展。在高端原子鐘領(lǐng)域，高精準(zhǔn)授時完全依賴原子鐘質(zhì)量。目前，銣原子鐘在我國應(yīng)用得最為廣泛，部分類型產(chǎn)品已實現(xiàn)國產(chǎn)化，基本具備了自給自足的供應(yīng)能力。但穩(wěn)定性更好的銫原子鐘和CRT等新型原子鐘領(lǐng)域，依然被國外企業(yè)所壟斷。目前，我國正處于研發(fā)試制階段。在高端晶體器件領(lǐng)域，電子設(shè)備中的時鐘晶體振蕩器十分容易受到電磁、溫度、濕度等外界環(huán)境干擾，造成的誤差可能會帶來嚴(yán)重后果。因此，高穩(wěn)定性和高可靠性的晶體才能確保時間信號的穩(wěn)定。當(dāng)前，國內(nèi)晶體企業(yè)在高基頻、高穩(wěn)定度、高可靠性、抗惡劣環(huán)境等技術(shù)研發(fā)和制造水平上，與國外企業(yè)相比仍存在差距。在時間同步芯片領(lǐng)域，時間同步設(shè)備主要包括衛(wèi)星接收模塊、控制存儲模塊、時間同步模塊。

其中，時間同步模塊主要可以實現(xiàn)高精密時鐘頻率的控制與選擇，涉及的芯片包括頻率合成類器件、抖動過濾芯片、驅(qū)動芯片等。目前，時間同步芯片是我國時間同步設(shè)備發(fā)展最為薄弱的環(huán)節(jié)，還沒有信息顯示國內(nèi)企業(yè)已涉足此領(lǐng)域。

風(fēng)險應(yīng)對不足也可能出現(xiàn)災(zāi)難性后果。一是過度依賴星基授時的風(fēng)險。目前，我國正在建設(shè)和完善以衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)授時為主、陸基授時為輔的授時體系。新基建的精確授時主要依賴GPS和北斗等星基授時系統(tǒng)，一旦星基授時信號受到外界干擾或因不可抗力因素遭到破壞，將使得新基建各個領(lǐng)域的時間同步系統(tǒng)應(yīng)用失效。另外，室內(nèi)、礦山、高電磁環(huán)境等場景無法通過星基授時獲取時間，這也極大限制了新基建的應(yīng)用和發(fā)展。二是存量GPS授時設(shè)備的風(fēng)險。當(dāng)前，我國大量時鐘同步設(shè)備是以GPS授時為主，存量GPS授時設(shè)備風(fēng)險需要高度關(guān)注。三是網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議的風(fēng)險。當(dāng)前，IEEE1588V2協(xié)議及其衍生無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要使用的高精度時間同步傳輸協(xié)議，能夠讓一定數(shù)量的時間同步設(shè)備實現(xiàn)亞微秒級精度。而未來5G時代所需納秒級甚至更高的時間精度，將導(dǎo)致IEEE1588V2協(xié)議無法保證可靠應(yīng)對等風(fēng)險。

對高精度時間同步三點建議

第一，加強頂層設(shè)計，將標(biāo)準(zhǔn)時間納入強制性管理。一是開展標(biāo)準(zhǔn)時間管理領(lǐng)域立法研究和相關(guān)法規(guī)建設(shè)工作。按照我國法律法規(guī)，制定授時基礎(chǔ)設(shè)施的管理指南、安全保護(hù)、監(jiān)測預(yù)警、應(yīng)急處置和檢測評估等規(guī)范。把時間標(biāo)準(zhǔn)納入國家法制計量，將原子鐘、高穩(wěn)晶振等時間計量器具列入《實施強制管理的計量器具目錄》。協(xié)同推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)時間管理，提升新基建精準(zhǔn)時間同步的發(fā)展和安全水平。二是設(shè)立國家級時間標(biāo)準(zhǔn)管理機構(gòu)，負(fù)責(zé)統(tǒng)籌全國范圍內(nèi)授時體系規(guī)劃制定、總體體系設(shè)計和授時基礎(chǔ)設(shè)施管理，以及政策法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等統(tǒng)籌協(xié)調(diào)工作。

第二，完善標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，加快技術(shù)研發(fā)夯實發(fā)展基礎(chǔ)。一是加快制定和完善原子鐘、高穩(wěn)晶振、時間同步設(shè)備等國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，包括測試方法、性能評價、使用標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)規(guī)范條件等。制定時間同步產(chǎn)品評價標(biāo)識管理辦法，對產(chǎn)品的時間精度等級和可靠性進(jìn)行評價，動態(tài)管理和發(fā)布評價結(jié)果與標(biāo)識產(chǎn)品目錄。二是重新修訂《高精度時間同步技術(shù)要求》。加入陸基授時網(wǎng)絡(luò)和5G通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)內(nèi)容，明確不同數(shù)量的時間同步設(shè)備接入和傳輸網(wǎng)絡(luò)抖動等對時間精度的影響，提高時間同步信號傳輸和組網(wǎng)的可靠性和時間精度，滿足新基建應(yīng)用領(lǐng)域時間同步信號傳輸網(wǎng)的建設(shè)需要。三是加快推進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、智能交通、智能電網(wǎng)等新基建不同應(yīng)用領(lǐng)域的時間同步基本規(guī)定、系統(tǒng)及設(shè)備技術(shù)規(guī)范等，并針對越來越復(fù)雜的環(huán)境，強化抗干擾性、抗摧毀性等安全性的建設(shè)要求。四是以自主創(chuàng)新為主線，對精準(zhǔn)時間同步涉及的核心產(chǎn)業(yè)鏈和供應(yīng)鏈嚴(yán)格分析把關(guān)，加快新一代原子鐘、高穩(wěn)晶振、時間同步芯片產(chǎn)業(yè)鏈中關(guān)鍵環(huán)節(jié)的技術(shù)研發(fā)、成果轉(zhuǎn)化、檢驗評價等平臺建設(shè)，保障新基建領(lǐng)域精準(zhǔn)時間同步建設(shè)需要。

第三，采取多樣舉措，積極防范、化解可能出現(xiàn)的風(fēng)險。一是減少對星基授時的依賴，發(fā)揮國家時間頻率中心作用，建設(shè)和完善覆蓋全國多系統(tǒng)融合陸基授時體系。加快小規(guī)模光網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和驗證，形成我國光網(wǎng)絡(luò)授時體系獨立自主的理論、系統(tǒng)、技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，條件成熟后建設(shè)全國光網(wǎng)絡(luò)高精度授時網(wǎng)絡(luò)。二是加快存量設(shè)備GPS授時替換，評估不同應(yīng)用領(lǐng)域GPS授時信號消失帶來的危害性，制定關(guān)鍵領(lǐng)域存量設(shè)備GPS授時模塊的替換時間表，加快將GPS授時向北斗/GPS雙模授時或其他標(biāo)準(zhǔn)時間信息的替換。三是推動時間同步信息傳輸協(xié)議的技術(shù)和安全測評標(biāo)準(zhǔn)研究。將現(xiàn)有應(yīng)用中的時間同步信息傳輸?shù)陌踩珳y評及風(fēng)險評估，納入新基建安全風(fēng)險管理過程，并推動新型時間同步信息傳輸協(xié)議的發(fā)展和進(jìn)步，充分應(yīng)對未來超大數(shù)量級時間同步設(shè)備的高精度時間同步需要。