空間信息網絡時間同步技術研究

楊 輝，蔚保國，王正勇，于 奧，白 巍，張 杰

(1.北京郵電大學 信息光子學與光通信國家重點實驗室，北京 100876；2.衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081)

0 引言

空間信息網絡是以空間平臺(如高、中、低軌道衛星，氣球和飛機等)為載體，實時獲取、傳輸和處理空間信息的網絡系統。作為國家重要基礎設施，空間信息網絡應用于服務移動網絡系統、遠洋航行、應急救援、導航定位、航空運輸和航天測控等重大應用的同時，向下可支持對地觀測的高動態、寬帶實時傳輸，向上可支持深空探測的超遠程、大時延可靠傳輸，從而將人類科學、文化、生產活動拓展至空間、遠洋、乃至深空，是全球范圍的研究熱點[1]。隨著空間信息網絡的快速發展，不可避免地出現了網絡規?？蓴U展與時間同步高精度的挑戰[2]。以中國第三代移動通信標準中的TD-SCDMA為例，由于TD-SCDMA網絡需要承載高清視頻、高質量通話等對時間同步精度要求較高的業務[3]，網絡基站目前使用GPS作為其唯一的時間源[4]。有了GPS系統的高精度授時，TD-SCDMA可以實現在相同頻率發送上行/下行數據，保持基站之間的同步，并將同步精度控制±1.5 μs內[5]。但眾所周知，GPS系統從實際應用來看具有較高的安全隱患。據統計，GPS部分除了射頻模塊外，已經成為第二高頻故障率衛星系統，約占全球總故障數的15%[6]。2010年就曾有報道稱一對美國夫婦輕信GPS導航儀上可以節省40 km的路程，隨后將汽車陷入雪地中，足足花費了3天的時間才找到一個能夠撥打手機的地方[7]。

第五代移動通信標準(5G)可以提供超快的網絡速度(網速可達5～6 M/s)，極低延遲的網絡環境已成為5G網絡平穩運行的必要條件[8]。為了獲得這個結果，高穩定、高可靠的授時系統對于5G移動網絡至關重要。在這種情況下，北斗系統可能是替代GPS系統實現5G網絡高精度時間同步的最優選擇，而優化空間信息網絡衛星系統的時間同步是其必要條件。為了實現這一目標，提出利用光載無線網絡(Radioover Fiber Network，RoFN)來提高空間信息網絡衛星地面基站的時間同步精度。RoFN是通過將射頻信號的子載波調制到光載波來實現光纖網絡傳輸的技術[9]。利用光載無線網絡中的模擬傳輸特征，傳遞北斗衛星時鐘信號，在實現時鐘同步的同時，提升同步精度和網絡傳輸帶寬，避免了數字化同步過程中帶來的失真和帶寬浪費[10]。此外，在時間同步過程中，至少需要處理星/地通信和地/地通信這2種通信模式，這意味著需要同時處理有線和無線傳輸。而軟件定義的光網絡(Software Defined Optical Network，SDON)作為統一的控制架構，可以實現由控制功能與傳送功能的緊耦合到控制功能與運營功能的緊耦合、由以連接過程為核心的閉合控制到以組網過程為核心的開放控制的模式轉變[11]。因此，應用SDON技術來控制和優化空間信息網絡中的資源分配是十分必要的。

1 空間信息網絡時間同步網絡架構：軟件定義光載無線網絡

隨著移動網絡的快速發展，移動互聯網用戶數量呈指數級增長，移動網絡資源調度變得越來越復雜，傳統網絡結構中服務質量(Quality of Service，QoS)不能得到保證。而在RoFN中，RoF技術可以將大型基站設施集中到中心站(Central Station，CS)，使得運營商可以更容易地添加新的無線小區站點，并且其在系統成本方面也很有競爭力。換句話說，正是由于RoFN的出現，遠程基站(Remote Base Station，RBS)大大簡化，設備和頻譜帶寬資源成為可以動態分配的共享資源[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，構建軟件定義的光載無線網絡(SD-RoFN)的想法已經呼之欲出。

SD-RoFN的融合網絡架構如圖1(a)所示。該架構由3部分組成：衛星系統部分(包括同步衛星和地面基站)、RoFN部分(包括CS、邊緣節點和RBS)和SDN控制器。對于衛星系統的一部分，同步衛星發揮原子鐘信號發生器的作用，而地面基站負責信號的接收與轉發。在RoFN架構中，光傳輸網絡(OTN)可以實現CS，地面基站和邊緣節點的互連，而分布式RBS則融合到OTN中。因此，SD-RoFN由衛星和RoF兩種資源組成。二者均由SDN控制器以OpenFlow協議統一定義和控制。如圖1(b)所示，SD-RoFN共有3種時間同步信號傳輸模式：① 信號通過OTN直接傳輸到地面基站。例如，一些地面基站處于不適合從衛星接收信號的位置，則可以通過光纖接收來自臨近地面基站的信號。這樣做的優點是地面基站可以通過OTN互連。② 信號通過RoFN在地面基站和RBS之間進行傳輸。通過這種方式，使衛星和移動網絡的通信互傳成為可能，實現5G移動網絡的高精度授時服務。③ 信號通過RoFN傳輸到地面基站。它體現了RoFN和衛星通信的結合，包括前2種模式。不僅可以實現OTN的地面基站之間的通信，還可以實現衛星與移動網絡的連接。但是對于這個地面基站來說，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，所以這種方法具有更廣泛的適用性。首先，SD-RoFN強調衛星系統與RoFN之間的協作，以克服量化誤差。其次，基于RoFN和SDN的網絡架構大大簡化了系統的結構，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網絡架構 (b) 信號傳輸方式圖1 SD-RoFN網絡架構與信號傳輸方式

2 基于SD-RoFN的時間同步方法

為了確保5G網絡時間同步的精度以及北斗衛星導航定位系統的正常運行，網絡必須首先保持不同地面基站點之間的同步精度，這就需要地面基站從衛星原子鐘中提取時鐘信號以確保同步。然而，高精度衛星時間同步方案要求地面基站天線具有良好的對空對地視野，以確保接收機能夠接收有效信號。雖然使用IEEE 1588時鐘同步協議可以解決時間同步精度和成本高的問題[14]，但在時間同步過程中，時鐘信號以數字信號的方式進行傳輸[15]，在信號量化過程中不可避免地會產生失真，導致接收器無法識別確切的同步信息。這就會增加時鐘傳輸的時延，最終對同步延遲和精度有一定的影響[16]。

時間同步網絡是為傳輸網絡和各種業務網絡提供高質量、高可靠同步信號的基礎網絡，是保證時間同步精度和通信網絡正常運行的關鍵因素[17]。因此，正如圖1(a)所示，SD-RoFN中有3種同步網絡：① 基于地面基站的端到端同步網絡，適合短距離地面基站的同步；② 移動網絡的同步網絡，提供單向時間同步方案；③ 結合前2種情況的混合方案，不僅在地面基站之間提供同步網絡，而且還提供移動網絡中的同步網絡。因此，基于第3種方案設計了一種同步方法。

基于SD-RoFN架構的時間同步方案如圖2所示，提出了基于SD-RoFN中的原子鐘同步方案。衛星產生的原子鐘由RoFN鏈接傳送到其他網絡單元，如RBS和地面基站。以不能接收衛星信號的地面基站為例：首先，某一地面基站接收衛星系統產生的原子鐘模擬同步信號。然后，同步信號將通過RoFN鏈路發送到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。最后，從相鄰RBS接收信號的RBS可以通過RoFN鏈路將模擬同步信號發送到網絡的每個單元，包括遠程的地面基站。

圖2 基于SD-RoFN的時間同步方案

本方案的主旨是在ROF系統中采用模擬信號傳輸的方式實現時間同步，避免了數字/模擬轉換過程中產生的量化誤差，進一步提升北斗地面基站之間的同步精度，同時優化網絡資源，增強北斗導航系統的覆蓋能力，地面基站架構如圖3所示。

圖3 基于光載無線網絡的北斗地面基站架構示意

下面簡述實現方式，具體的交互過程如圖4所示。

① 地面基站B向地面基站A發送時間同步請求；

② 地面基站A向北斗系統發送時間同步信息請求；

③ 北斗系統接收到同步請求后，獲取原子鐘時鐘信號T，并將時鐘信號發送給地面基站A；

④ 地面基站A計算同步消息時延t1；

⑤ 地面基站A向地面基站B發送時間同步響應消息T+t1;

⑥ 地面基站B計算同步響應消息時延t2；

⑦ 地面基站B獲得同步時間T+t1+t2，實現與地面基站A的時間同步。

圖4 時間同步交互過程示意

更具體地說，時間同步過程可以分為2個步驟。“Follow_up”同步信號由射頻信號承載，即RoF鏈路傳送原子鐘同步信號。當信號達到時，每個網絡元件將提取消息以獲取準確的時鐘。而其他同步信號在傳輸過程中將始終保持數字信號的狀態。一言之，“Follow_up”消息在同步過程中是模擬的，它將會用于保證將原子鐘信號傳輸到每個網絡單元，從而實現高精度時鐘同步。

時間同步過程如圖5所示。首先，主機發送同步消息Sync，從機記錄Sync(T2)到達的確切時間。在“Follow_up”中，主機發送在網絡時間(T1)的更精確測量值，這樣可以計算出傳播偏移；第二步，從機向主機發送一個Delay_req(T3)消息，并返回一個Delay_resp(T4)消息。那么系統可以精確地計算通過特定網絡部分傳輸消息所需的時間。

圖5 時間同步模型

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 仿真結果與分析

對基于IEEE 1588標準的時間同步方案實現，已經有了很多不同精度結果的研究。在這部分中，通過仿真和分析比較了傳統方法的性能和提出的方法，并通過對比常規方法和所提方法之間的偏移誤差來進行比較。仿真邏輯如圖6所示，很容易發現，地面基站1從衛星獲得的主時鐘(MC)。從時鐘有2種：SC1(從時鐘1)是遠程基站；SC2(從時鐘2)是不能從衛星接收信號的地面基站2。從時鐘之間的差異是傳輸距離和傳輸模式。從圖6中可以看出，地面基站經光纖通過CS連接遠程基站，RBS通過無線方式相互通信。因此，SC1通過光纖獲得MC的時間信號，SC2通過光纖和無線獲取信號。需要注意的是，常規IEEE 1588同步的特點是MC和SC之間的鏈路是對稱的。因此，為了充分驗證這種方法的廣泛適用性，引入了非對稱比率，它定義為主從方向的端對端延遲除以從對主方向的端到端延遲，當非對稱比例變化時，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比度效果，通過式(5)定義偏差誤差。SC的偏移量設置為50 s。主從方向的端到端延遲被假定為25 ms。不對稱比例范圍為1∶1～8∶1。從時鐘偏置誤差在不對稱比例條件下的分析結果如圖7所示。

圖7 傳統方案與所提方案的對比結果

圖7中比較了傳統方法和所提方法中SC1和SC2的仿真結果，得出3個重要結論：① 偏差誤差隨著不對稱比例的增加而增加；② SC1總是比SC2好；③ 提出的方法明顯優于傳統方法。也就是在不對稱比率條件下，所提出的方法具有一定的穩定性和獨立性。此外，SD-RoFN架構的偏差誤差范圍為200 ns～1 μs，可滿足5G移動網絡標準的需求。在實驗結果中也存在一些問題，例如SC1和SC2之間的差距。這種結果的原因可能是多方面的，如無線延遲和更長的傳輸距離。此外，實際上應避免由不對稱比率引起的偏差誤差的增長。

4 結束語

重點介紹了傳輸模式對時間同步精度的影響。為了滿足5G時代的需求，討論了有關時間同步的問題，設計了SD-RoFN架構，并提出了業務模型來傳輸時間同步信息[18]。同時，引入了SDN控制器和RoF來實現網絡集中控制與高精度時間同步。最后進行了仿真對比測試，證明了該方法的準確性。數字結果表明，傳統方法在條件變化時具有很大的缺點，所提方法的偏差誤差在條件變化時能保持穩定。雖然模擬信號在傳輸距離方面有一定的限制，但隨著技術的發展將會被克服。

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