White Rabbit技术在时敏领域应用综述

李 恩，罗青松，钟震林

(中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西 桂林 541004)

0 引言

White Rabbit(简称WR)同步技术最初诞生于欧洲物理粒子研究所(CERN)，用于实现大型物理实验装置内部各分系统的精确时频同步及时间戳标记。该技术在兼容千兆光纤以太网标准前提下，综合运用物理层同步、时间戳对准、相位测量和补偿、延迟自动校准等多种技术，能有效解决大规模网络数据交换及亚纳秒级时频同步一体化的问题。由于其完全开源、通用性强、精度高、互联互通等特点，逐渐在较多需要超高性能的时间敏感领域得到应用。

1 组网架构及优势

1.1 组网架构

WR网络通常包含外部参考时钟、WR主端、WR交换机和WR节点，典型组网架构如图1所示。

参考时钟使用铷/铯原子钟作为外部频率参考，GPS/北斗/GLONASS接收机作为外部时间参考。时间频率信号发送给WR主端，WR主端通过下行连接通道将数据和时钟分发给WR交换机；WR交换机将数据和时钟直接传输到终端的WR节点，或者继续传至下一级WR交换机，直至终端的WR节点[1]。为确保时频和数据传输可靠性，网络中增加了备用WR主端；通过快速生成树协议可实现主链路故障时快速切换到备用链路。

图1 WR典型组网架构Fig.1 Typical networking structure of WR

1.2 优势分析

传统SyncE+IEEE1588v2技术因其标准化和便于组网的特点，已在现有商用4G/5G网络广泛使用。但受限于时间戳精度原因，即便在点对点连接情况下，其同步精度也仅能达到纳秒级；而且随着节点数的增加，性能劣化较为明显[2]。WR则采用数字双混频鉴相测量(DDMTD)，时间戳精度优于IEEE1588v2至少一个量级，在同步精度上也优于其一个量级；而且数据传输具有确定性时延，非常适用于定时控制领域。

专用光纤授时技术虽然在时频同步方面性能显著，但大多基于私有同步协议，在标准化、开放性、组网能力、数据传输方面存在明显短板，难以实现规模化应用。相比较而言，WR在标准化、通用化、便捷组网等方面优势明显，能够很好地适应层级化、分布式的复杂网络架构，节点数量可达数千个；同步数据格式兼容于以太网标准，不影响正常分组数据传输；所有节点时间频率均溯源至参考时钟，并确保超高的时频同步性能。

2 应用方式

目前，WR技术仍主要应用于国家时频实验室、粒子加速器、同步加速器、裂变源、中微子检测、宇宙射线探测等需要超高时频及定时同步性能的时间敏感领域，具体应用情况如表1所示。

表1 WR技术时敏领域应用情况Table.1 Applications of WR technology in time sensitive field

续表

经过优化和改进，WR逐步拓展到高精度时频传递、精准时间戳标记、射频信号分布传输、定时触发控制等多种应用方式。

2.1 时间频率传递

时间频率传递是WR技术最普遍和基础的应用，即采用WR交换机/节点将时间频率传递至其他的交换机/节点，使得网络中各交换机/节点输出与主时钟同步的1 PPS秒信号和频率信号。通常情况下，将天基授时设备和原子钟的时频信号输入到WR主时钟，则WR网络传输的时间频率即可溯源于国际原子时(TAI)和协调世界时(UTC)。

全球多家国家时频实验室采用WR技术实现官方UTC时间的分发及时钟比对。2016年，芬兰MIKES实验室建设了950 km双纤长距离WR时频传递系统，如图2所示。双向均使用相同的DWDM波长，链路经过10个光放大节点，系统时间同步精度达到±2 ns，千秒级稳定度达到20 ps[3]。

荷兰VSL实验室建设了2×137 km单纤双向WR时频传递链路，如图3所示。双向传输波长分别为1 470/1 490 nm，系统时间同步精度优于8 ns，千秒级稳定度达到10 ps[3]。

图2 950 km双纤长距离WR时频传递系统Fig.2 950 km double fiber long-distance time-frequency transmission system of WR

图3 2×137 km单纤双向WR时频传递系统Fig.3 2×137 km single fiber bidirectional time-frequency transmission system of WR

2017年，法国LNE-SYRTE实验室建设了4×125 km的双纤WR级联式时频传递系统，如图4所示。其中WR主时钟经过了时频性能改进，中间链路经过3级WR交换机，各光纤段分别使用不同波长(1 510/1 541/1 610/1 560 nm)，末端节点24小时时间同步精度最高达优于400 ps，14天内同步精度在2.5 ns以内，秒级稳定度达到5.5 ps[4]。

图4 4×125 km的双纤WR级联式时频传递系统Fig.4 4×125 km double fiber cascade time-frequency transmission system of WR

2018年，美国国家标准与技术研究院局NIST在其分院间建立了10 km的单纤双向WR时频传递系统，节点时间同步精度优于200 ps，秒级稳定度达到20 ps[5]。

2018年，英国国家物理实验室(NPL)搭建了2×80 km的双纤WR传输链路，时间同步精度优于1 ns，千秒级稳定度达到1.7 ps[6]。

2019年，澳大利亚/南非的平方公里阵列射电望远镜(SKA)装置中建设了基于单纤双向WR同步系统，如图5所示。系统包含4级WR交换机，11个末端节点，用于分发同步1 PPS秒信号。在对光纤温度效应、波长不对称时延、Sagnac不对称时延进行补偿后，WR末端节点的同步精度优于211 ps，秒级稳定度达到23.1 ps，千秒级稳定度达到7.3 ps[7]。

实际应用表明，采用WR技术传递时间频率，其同步精度和稳定度性能较好。目前各国国家时间实验室仍在不断研究WR在各种传输制式、传输波长、光纤类型及长度等情况下的时频传递效果，并逐步提升其性能指标。

图5 SKA装置单纤双向WR同步系统Fig.5 Single fiber bidirectional of WR synchronization system in SKA instruments

2.2 精准时间戳标记

精准时间戳标记是WR的关键技术之一，其原理是采用数字双混频鉴相测量(DDMTD)与时间数字转换(TDC)相结合，实现最高皮秒级的时间戳标记精度。

我国四川稻城的大型高海拔空气簇射观测站(LHAASO)位于海拔4 410 m，是世界海拔最高、规模最大的宇宙射线探测装置，其6 800多个探测节点均匀分布于约1 km2范围内。LHAASO采用WR技术建立了专用的数据传输与同步网络，架构如图6所示。为适应当地恶劣的气候环境(-23～+21 ℃)，系统还增加了温度补偿功能，可实现宽温变化情况下各节点的时间戳标记精度优于500 ps(RMS)[8-9]。

图6 LHAASO数据传输与同步网络架构Fig.6 LHAASO network structure for data transmission and synchronization

俄罗斯在西伯利亚100 km2范围内建设了HiSCORE实验装置，均匀分布着2 000多个契伦科夫探测站，为了在高能区获得0.1°的角分辨率，探测站之间采用WR网络实现时间同步和数据交互，其同步系统平均时间戳标记精度优于1 ns[10]。

位于地中海海底的立方千米中微子望远镜(KM3NeT)装置由数千个数字化光学模块(DOMs)组成，其中4 000多个DOMs分布在离意大利海岸100 km的3 500 m海底，2 000多个DOMs分布在离法国海岸40 km的2 400 m海底。在该装置中，岸端的时频基准通过WR网络实现6 000多个DOMs模块的同步，最终整网的时间同步精度优于1 ns，秒级稳定度优于100 ps[11-12]。

在上述科研领域，WR精准时间戳标记功能有效解决了大规模、分布式时间戳标记的难题；同时，时间戳标记值还可通过WR数据传输功能，集中至计算机进行数据分析。

2.3 射频信号分布传输

WR技术分布式传输射频时钟信号的原理是在WR主端输入射频时钟信号，经数字化后传输至末端节点，末端节点通过数模转换恢复出射频信号。

2015年，欧洲物理粒子研究所(CERN)的大型强子对撞机(LHC)装置采用了WR技术，用于352 MHz射频时钟信号的分布式传输，如图7所示。

图7 LHC射频信号分发网络Fig.7 RF signal distribution network in LHC

经数字化传输后，WR从节点DDS恢复出的射频信号相位同步偏差小于1 ns，相位抖动小于20 ps(RMS)。未来CERN的超级质子同步加速器(SPS)装置也将采用WR技术，实现200 MHz射频信号的分布式传输，并要求末端节点频率信号相位偏差优于10 ps，相位抖动小于0.25 ps(RMS)[13]。

2017年，位于法国的欧洲同步辐射光源(ESRF)装置同样采用WR技术实现1 km范围内的射频信号分发。一路352 MHz的射频信号输入主端，经过1台WR 交换机分发至7个末端节点。经测试，所有末端节点射频信号的相位抖动均小于10 ps(RMS)[14]。

WR技术不但可多路分发射频信号，通过调整直接数字合成单元(DDS)控制字在数字域内实时补偿温度变化引起的时延波动，还可实现射频信号的稳相传输。

2.4 定时触发控制

定时触发控制功能在粒子加速器和同步加速器装置中具有重要作用，其原理是装置中的控制器确定关联的动作后，分发给众多空间上分散的分系统，各分系统再依据预定的时间自动执行对应的触发动作。

2015年，德国重离子研究中心(GSI)的FAIR粒子加速器中建立了基于WR的通用机器时间(GTM)系统，包含3个WR交换层级和30个末端节点，光纤链路小于2 km，网络架构如图8所示。系统中各节点定时触发控制的同步偏差在1～5 ns，稳定度优于10 ps[15]。2017年，系统已扩展至5个交换层级，定时触发同步偏差优于1 ns[16]。

图8 GTM定时触发控制网络架构Fig.8 Network structure of GTM timing trigger control

综上所述，WR技术仅在长距离时频传递时，同步精度劣化至纳秒量级；而在其他应用场景下，基本在100 ps量级。普适性应用条件下，WR技术秒级稳定度均达到10 ps量级，千秒级稳定度达到皮秒量级。

3 未来发展趋势

随着逐渐多样化的场景应用，WR技术增加了光纤物理链路不对称时延补偿、群速率差异不对称时延补偿、Sagnac不对称时延补偿、光纤温度时延波动补偿、低抖动时钟处理、低噪声DDS等功能，逐步向更多层级/节点组网、多因素智能自动补偿、复杂环境适应、超高同步性能等方向发展。得益于WR技术的开源属性，其各项性能指标还将不断得到提升。随着新的硬件优化和各类补偿算法等措施的采用，WR对应的同步精度均能突破100 ps的限制，其千秒级稳定度也将稳步跨入飞秒量级。此外，针对不同应用场景开发多功能应用软件显得尤为重要；WR技术与数据分析、可视化管理相结合，更有利于拓展应用面和提升应用效果。

2019年,P1588工作组在新的1588标准草案(IEEE1588-2019 draft)中引入了WR技术的一些概念，包括物理层相位同步、DDMTD测量等，并增加了针对高精度应用的PTP Profile[17]。未来极有可能形成新的IEEE1588v3标准，更好地推进WR技术的规模化应用。

4 结束语

针对大范围、多节点、分布式系统中实现时频信号传递、定时控制、时间戳标记、射频信号分发等时敏领域应用，WR具有极佳的技术优势，并已在多个装置和系统中得到验证。随着科技的发展，在通信、电力、金融、交通及科研等众多领域，时间敏感方面的应用需求与日俱增。例如，在现代工业领域，5G通信网络、广域智能电网、金融交易系统、智能交通、工业物联网等均需要数据传输及时频同步；在航天测控、精准反导、雷达组网、导航定位等系统往往需要纳秒级甚至更高的同步精度；在科学研究领域，诸多大型科学实验装置需要密集多节点的精准时频同步及定时控制。鉴于WR的卓越性能和多样用途，在可预见的未来，其必将拥有广阔的应用前景。