一種TDMA網絡精確時間同步技術

四川九洲電器集團有限責任公司 朱 磊陸軍航空兵軍事代表局駐成都地區軍事代表室 曹德垚

一種TDMA網絡精確時間同步技術

四川九洲電器集團有限責任公司 朱 磊
陸軍航空兵軍事代表局駐成都地區軍事代表室 曹德垚

本文介紹了一種基于TDMA機制的設備精確時間同步的技術。通過搭建低成本硬件電路的方式,采用往返計時周期測量方法,控制DAC輸出,實現改變本地時鐘的目的。該技術降低了設計成本和開發難度,延長了產品生命周期,設計靈活且容易實現。

TDMA;同步;NTR;恒溫壓控晶振

1.引言

基于TDMA運行機制的網絡必須建立網內同步,使各個設備工作在同一時間基準上。網絡時間同步的任務就是使網絡中各個從設備的本地時間無限接近網絡基準時間。在主從時間網絡系統中,指定其中一個設備作為網絡時間基準NTR(Network Time Reference),這個節點所保持的時間即是系統網絡時間。網絡同步質量的惡化將導致傳輸信號中產生大量的抖動、幀失步、誤碼,甚至網絡中斷,嚴重影響網絡的穩定性和可靠性。

2.現有技術的缺點

當前基于TDMA的通信網為了提高網絡設備間的時間同步能力,最直接的方法就是選用更高等級的晶振,提高晶振輸出信號的穩定度和準確度,但是成本也成倍增長。另外,隨著產品使用時間的增加,晶振老化加劇,其個體時間漂移的差異將造成各個設備之間時間偏差持續增長,卻沒有有效的辦法來控制時間誤差,影響網絡時間同步性能。

3.TDMA網絡時間同步原理

網內時間同步采用往返計時消息的方法實現主從設備之間的時間同步,其具體工作原理如圖1所示。從設備在一個特定的時隙內主動發送RTTI(Round Trip Timing-Interrogation,往返計時詢問)消息,并在同一個時隙內接收RTTR(Round Trip Timing-Reply,往返計時應答)消息。NTR收到RTTI后在當前時隙的固定時刻準時發送RTTR,RTTR消息中包含由NTR確定的詢問信號到達時間TOAI。從設備在收到RTTR后確定信號到達時間TOAR。

圖1 往返計時消息同步原理示意圖

假設RTTI和RTTR的傳播時間相等,忽略從設備的消息處理時間、接收抖動等誤差,根據圖1有

式中,TOAI是由NTR終端確定的RTTI詢問消息到達時間; TOAR是由從設備確定的RTTR應答消息到達時間;td是固定值;tp是 RTT消息的傳播時間;E是兩個終端之間的時鐘偏差,即從設備需要校正的時間偏差。整理合并式(a)、(b),有:

利用式(c)即可計算出從設備需要校正的時間偏差E,將此時間偏差對本地時鐘進行校正即可修正從設備與NTR之間的時間偏差。

4.壓控晶振調節原理

通信設備的本地時鐘信號源一般采用晶體振蕩器。壓控晶振具有電壓控制端,可以實現在一定范圍內對晶振輸出時鐘頻率進行小范圍調節。本方案即是通過搭建硬件控制電路、采用特殊算法控制此電壓控制端來實現本地時鐘的自動精密調節,從而實現網絡時間精確同步的。本方案的壓控晶振控制電路如圖2所示。壓控晶振的時鐘輸出信號作為設備的時鐘源,是整個設備工作的時間來源。

圖2 壓控晶振控制電路示意圖

5.時間精確同步技術詳細方案

首先測量從設備與NTR之間的時間偏差,通過調節DAC電壓的方法得到一個初始的穩定電壓Vini,此電壓能使從設備與NTR之間的時間偏移保持最小。

確定初始電壓后,從設備發出RTTI信號,NTR設備在接收到此信號后在同一時隙內發出RTTR信號,如果從設備是第一次接收到RTTR信號,那么此時的相對時間誤差包含兩部分:

1)電磁波空間傳播延時造成的時間誤差△T1;

2)主從設備之間晶振個體差異造成的時間誤差△T2,并且△T1>>△T2。

因此第一次接收到RTTR后只需將傳播延時誤差抵消即可,并不進行DAC電壓調節。在將傳播延時誤差修正后,再次進行RTTI時間請求,接收到RTTR消息后計算出從設備的TOA,根據公式(c)即可計算出主從設備之間的時間誤差△T2,根據△T2值做如下處理:

1)△T2>0,表示從設備本地時間比NTR滯后,如果晶振的電壓頻率特性曲線為正,則需增加電壓輸出值,即增加DAC芯片內部電壓參數設置值D,反之則需減小電壓參數設置值D;

2)△T2<0,表示從設備本地時間比NTR提前,如果晶振的電壓頻率特性曲線為正,則需減小電壓輸出值,即減小DAC芯片內部電壓參數設置值D,反之則需增加電壓參數設置值D。

將調整后的電壓Vt輸出到晶振壓控端即可改變時鐘輸出頻率,從而達到調整從設備與NTR時間誤差、實現網絡時間精確同步的目的。

6.結束語

本技術方案適用于對系統網絡時間同步精度要求較高的通信網絡。此技術可以在不更換高等級時鐘源的情況下,使用較低成本實現網絡時間精確同步。本方案實施方法簡單有效、軟件升級方便,設備長期工作后還可通過軟件升級的方式繼續延長產品的使用壽命,節約了成本、延長了產品的生命周期。

[1]于佳亮,程華,于天澤。通信同步網與網同步[M]。人民郵電出版社,2011.1.

[2]梅文華,蔡善法。JTIDS/Link16數據鏈[M]。國防工業出版社,2007.6.

[3]Mischa Schwartz。Mobile Wireless Communications[M]。電子工業出版社,2006.9.

朱磊(1982-),男,漢族,四川眉山人,工程師,主要從事二次雷達和數據鏈專業領域系統設計和開發工作。

曹德垚(1985-),男,彝族,貴州畢節人,助理工程師,主要從事武器裝備質量監督工作。