监测台时间同步网的技术探讨

2012-07-12国家广电总局哈尔滨监测台郭若伟姚立业

电子世界 2012年6期

国家广电总局哈尔滨监测台王巍郭若伟姚立业

1.引言

随着广播电视监测技术的发展和广播电视监测网规模的逐步扩大，广播电视监测手段已由过去的全部人工操作过渡到计算机辅助监测。这就对监测台及时准确的上报监测数据提出了更高的要求；要想一分不误，一秒不差的反映监测中的异态情况，就必须要保证监测网络中计算机时间的精准度。但由于设计缺陷、温度变化、电磁干扰、振荡器老化，甚至还包括计算机负载等多种原因，多数计算机的时钟是不精确的，同时时间误差是累积的。利用人工定期或不定期地对计算机时间进行修正会引入很大的人为误差，操作也非常不方便。切实可行的方法是：利用时间同步的方法利用计算机的时间校准机制自动实现时间同步。

2.时间标准及时间同步

2.1 时间标准

时间的基本单位是秒，它是国际单位制（SI单位制）的七个基本单位之一。它主要有如下几种时间标准：

（1）世界时：世界时是世界上最早的时间标准。1884年国际上将一秒定义为全年每日长度的1/（8.64*104）以此标准的时间系统称为世界时即UT1，1972年以后国际上开始使用国际原子时标，即经过格林威治天文台本初子午线的时间便称为世界时即UT2，或称格林威治时间（GMT）[1]。

（2）原子时：1967年后，将铯133的能量跃迁9192631770周的时间定义为辐射原子秒，称国际原子时（TAI）。

（3）世界协调时：世界协调时是以地球自转为标准，但是地球并不是以固定速度自转的，因而地球自转18个月有1秒的误差。为了应对这种偏差。世界地球运行研究所考虑到地球自转的自身情况，对GMT进行或增或减的修正。并和世界度量衡局时间所共同向各国提供发布标准时间。这就是世界协调时（UTC：Coordinatde Universal Time）。UTC的表示方式为：年(y)、月(m）、日(d)、时(h)、分(min)、秒(s)，都用自然数字表示。

目前，世界协调时（UTC）是世界上大部分国家采用的标准时间。

2.2 时间同步的概念

在通信领域，“同步”概念是指频率的同步，即网络各个节点的时钟频率和相位同步。时间同步是指网络各个节点时钟以及利用网络连接的各个应用界面的时钟的时刻和时间间隔与协调世界时（UTC）同步。

3.时间同步相关技术

3.1 时间基准源的获取方法

时间基准源是时间同步网的核心，它需要一个高稳定度、高精确度、冗余配置的时间保障体系。UTC时间可以利用很多途径获取，包括长波、短波授时，卫星授时，电话授时和互联网授时等。

（1）从Internet上获取时间

采用某种协议连接到Internet上一个或多个能够提供准确时间的服务器上来进行时间同步。利用连接在Internet上的计算机同Internet上的时间服务器通信，以获得准确的时间。Internet上还有许多提供标准时间的网站和用于校准本地计算机时间的共享软件，它们一般都采用NTP协议和标准时间服务器连接，获取标准时间，然后对本地电脑时间进行调整，以此保证时间的一致[2]。

（2）利用无线电波获取时间

在我国，我们可以接收国家授时中心的各地授时电台每天24h连续不断地以四个频率（2.5MHz，5MHz，10MHz，15MHz）交替发射标准时间信号和标频，短波授时精度达到毫秒级；长波授时台每天按时发射标频信号，频率100kHz，精度达到为秒级；收到的无线电波信号由授时型接收机恢复为时间信号并与本地时钟进行比对，扣除它在传播路径上的延时及各种误差因素的影响，实现时钟的同步。

（3）利用卫星定位系统获取时间

利用GPS或格洛纳斯卫星进行授时是近些年来发展起来的代价低、精度高的授时方法。美国GPS定位系统由24颗卫星组成，平均布置在6个轨道面之上。每一个卫星上都安装有高精度的原子钟，并不停向地面发射两个频率的信号。两个信号中含有准确的标准时间，地面GPS接收机来自GPS卫星的信号后，从信号中提取出准确的时间信息。利用卫星定位系统获取时间实际上是利用通信信号来进行时间的比对。目前，应用最为成熟、最具代表性的便是美国的GPS系统和俄罗斯的格洛纳斯系统。

3.2 各种时间同步方法的特点的比较

（1）利用网络进行时间比对是解决测试网时间同步问题最直接、最简单的方法，精度达到ms级。执行NTP协议即可连接上Internet与世界上标准的时间服务器进行时间同步校准，也可以与局域网上的时间服务器进行校准。它不需要测试仪器具有时间接收模块，减少了硬件上的开销。但由于监测台属于保密机构，考虑到安全性和可靠性方面的问题，建议尽量避免使用这种方式。如果采用这种方式。应该充分考虑安全手段：如防火墙、加密方式传输等。

（2）利用无线电波进行时间比对是传统的时间同步方法，它仅适合于我国范围内的时间校准。由于不用网络传输时间信号，可以免受网络拥塞、延时等影响，精度较高，长波s级、短波ms级，它需要有无线接收模块。此种方式获取的时间源在网络中传递较困难。

（3）GPS授时是GPS应用的一个重要方面，它使得方便、准确、廉价的授时成为可能，GPS的特点是全天候、覆盖广，稳定性高，提供的时间精度比较精准，传输方便。

综合以上分析，建议监测台机房时间同步网的时间基准源可以采用从GPS获取标准时间，同时应考虑后备措施以保障在GPS不可用时，仍然可以提供足够精确的时间。可考虑以高稳定原子钟作为时间服务器内部基准时钟，我国北京、湖北已建有铯原子钟组。并同时提供多路参考输入等作为后备措施。

3.3 时间同步传输协议

图1 网络授时的简单模型

时间同步传输协议用来使计算机时间同步化，利用测定服务器时钟和客户机时钟之间的时间偏移量(Time Offset)，并根据协议的算法对服务器、客户机传播延时进行相应的处理。它可以使计算机对其服务器或时钟源(如石英钟，GPS等)做同步化，还可以提供高精度的时间校正。现有用于校正网络时间的协议有很多，它们是解决时间同步问题的基础。目前，网络时间同步的通用协议是网络时间同步协议(Net—work time Protocol，NTP)，NTP是由美国University of Delaware的David L.Mills教授于上个世纪八十年代年提出，目的这个设计用来解决互联网上的计算机时间校准问题。它提供的同步时间机制，可以利用冗余服务器和多条网络路径来获得时间的高准确性和高可靠性，在庞大复杂的互连网中调整时间分配。网络时间同步协议可以考虑到出数据包在Internet上的往返延迟，解决网络计算机时间同步问题。此外，利用本地路由选择运算法则及时间后台软件，服务器可以重新分配标准时间。NTP有3种工作模式：

（1）主/被动对称模式：点对点的连接模式，每个点可以同步其它点或者被其它点同步。

（2）客户端/服务器端模式：与点对点模式相像。不同点在于，客户端能够被服务器端同步，但逆向则不可以。

（3）广播模式：一对多的广播模式，服务器端不考虑客户端何种状态，固定模式发出广播信息，客户端则根据接受到信息调整客户端的时间。由于是单向传输模式，所以只能S级的精确度。

NTP3种工作模式比较：主/被动对称模式因采用点对点模式，在局域网中应用较少。广播方式中，NTP时间服务器周期性向网元广播时间信息，由于传输时延会带来一定误差，因此其时间精度只有10—100ms。客户/服务器模式中时间服务器与需时间同步的网元以客户/服务器模式交互，得到时间服务器时钟和网元时钟间的偏差，时间精度可达1-10ms，从而获得广泛应用。目前应用最为广泛的是NTPv3版本。

4.监测台机房时间同步组网方案及工作流程

4.1 时间同步组网方案

综合以上分析，在时钟同步网中的节点上，监测台可新建一套带GPS的主时间服务器。同时采用本地高稳晶振源作为主时间服务器GPS缺失时的本地振源。时间服务器获得时间后，采用NTP协议，主要利用TCP/IP网络传递到需要时间同步的各节点。

主时间服务器的时钟来源于卫星导航系统。这是目前性价比最好的UTC时间基准源。可以采用在服务器中插入GPS卡、利用NTP服务器软件来组成一级服务器；也可以直接购买自带GPS接收机的网络时间服务器。在主服务器下级设几台辅助时间服务器。利用客户/服务器模式与主时间服务器保持时间同步；辅助时间服务器之间也可以利用主/被动对称模式相互保持时间同步。辅助时间服务器使用与主时间服务器相同的NTP服务器软件。客户机利用客户/服务器模式与辅助时间服务器保持时间同步。

图1为局域网络授时的简单模型，其中工控机为客户端，网络时间服务器作为服务器端，利用网络交换机和网络时间服务器进行交换携带时间信息的数据包，进行时钟的矫正。服务器端内置GPS接收模块，以达到网络时间服务器和UTC时间的准确同步。

监测台机房网络的规模不是很大。也可以采用一台独立的主时间服务器。直接向网络中的各个应用系统授时。