基于環形海底觀測網絡的時間同步系統研究

謝杰榮 王紅霞 王彥凱

(海軍工程大學電子工程學院 湖北 武漢 430033)

0 引 言

海底觀測網絡是指將多個水下探測節點連接形成網絡或體系結構，多種通信方式綜合應用，建設以大容量通信網絡為主干，具備水下綜合信息接入、交換及能量輸出的水下網絡[1]。現階段的海底觀測網絡大多只是單個或少數節點的線形觀測系統，很少形成網絡拓撲結構，規模較小且易于破壞[2]。隨著海洋觀測領域和水下探測信息需求的增長，建設多節點、遠距離、高可靠性的環形海底觀測網絡成為必然趨勢。

時間同步對海底觀測網絡信號控制、電力監控、安全管理和數據采集等功能的實現起著重要作用，特別是海底地震探測、海嘯預警和聲學追蹤等信號的采集分析對時間同步提出了亞微秒級精度的要求[3]。常見的時間同步技術有網絡時間協議NTP、IRIG-B和GPS衛星授時等，但都不能同時滿足高精度同步、遠距離授時和應用于海底環境的需求。IEEE1588標準定義的精確時間協議PTP(Precision Time Protocol)是目前唯一有效的解決途徑。

國內外最近十年建成的海底觀測網絡開始逐漸具備時間同步功能。日本最早在其豐橋新海纜觀測系統上研究開發了時間同步系統，并將該系統應用到后續建設的環形DONET網絡中。該系統可以提供較高精度的授時信號，但并未采用PTP協議，而是依靠復雜的延遲補償結構直接將時間同步信號調制后傳給水下傳感器，這種方式十分不便且只適用于帶寬速率較低的SDH網絡[4-5]。美國、歐洲的相關研究機構對基于PTP協議的海底觀測網絡時間同步系統開展研究探索，分別開發了具備PTP從時鐘功能的傳感器嵌入式模塊，并應用到美國的MARS、OOI系統和西班牙的OBSEA海底觀測站等結構簡單、節點較少的線形海底觀測系統中，實現了微秒級精度的時間同步[3,6]。加拿大NEPTUNE網絡的時間同步系統采用NTP、SNTP和PTP三種時間同步協議將時間信息經交換機透明傳送給從時鐘，最終為水下探測儀器提供多種精度的授時信號，同步精度最高可達10 μs[7]，是目前基于環形海底觀測網絡的典型案例。但該系統仍不夠完善，特別是其各級網絡傳輸設備未安裝PTP時鐘模塊，導致系統實現的時間同步精度不夠高，且當網絡業務流量較大時系統的時間同步性能會受到一定的影響。國內浙江大學在其建設的南海海底觀測網絡試驗系統中，開發了一個同樣采用PTP協議的時間同步系統。該系統的網絡傳輸設備加入了PTP時鐘模塊，同步精度最高可達3 μs[8]，但該系統只是基于結構簡單、節點較少的線形海底觀測系統設計。因此，開展對環形海底觀測網絡時間同步系統的研究，尤其是對各級網絡傳輸設備所采用的時鐘模式方案的研究是十分必要的。

本文首先分析研究了環形海底觀測網絡的時間同步系統的基本架構和建模原型，通過運用OMNeT++仿真軟件進行建模，然后對系統各級網絡傳輸設備的時鐘模式方案進行仿真研究，最后對該方案下影響同步性能的網絡負載流量和不對稱傳輸延遲兩個因素展開評估，驗證設計方案的可行性。

1 環形海底觀測網絡的時間同步系統

1.1 基本架構

海底觀測網絡按組成設備所處位置的不同可分為三個層面：岸基站監控中心層、水下接駁盒層和海底探測設備層，各層面之間通過專用海底光電復合纜完成信息傳遞和電能供應。岸基站監控中心層是海底觀測網絡的數據處理和指揮控制中心，由時間服務器、數據庫服務器、網頁服務器、監控計算機、遠程供電設備和網絡傳輸設備等組成；水下接駁盒層一般可分為主接駁盒和次接駁盒兩級結構，接駁盒內部裝有網絡傳輸設備、控制單元、供電單元和信息接入設備等；海底探測設備將采集到的各類監控視頻、探測信號和傳感器數據經各級水下接駁盒上傳至岸基監控中心進行分析處理，以還原目標事件，這一過程的有效實現極大依賴于時間同步技術。

海底探測設備采集到的帶有時間標記的數據，要與其他探測設備的數據乃至是全球事件數據進行關聯分析，則該時間標記應建立在一個統一且公認的時間基準上。UTC是目前全球最常用的時間基準和時間尺度，海底觀測網絡的時間同步系統應采用UTC作為時間源，并由位于岸基站監控中心的時間服務器獲取。為了減少系統的復雜度和提升網絡的可擴展性，海底觀測網絡的時間同步系統應統一采用一種高精度時間同步技術，輸出的時間同步信號可靈活轉換成多種格式和精度的時間信號，以最大化滿足各級別的時間同步精度要求。

通過對不同時間同步技術的比較分析，設計的環形海底觀測網絡時間同步系統選擇PTP協議作為主要時間同步技術。PTP協議基于延遲請求、響應的原理，采用時間戳機制和主從時鐘方案以實現時間同步，協議規定了四種時鐘模型，分別是普通時鐘OC(Ordinary Clock)、邊界時鐘BC(Boundary Clock)、端到端透明時鐘E2E TC(End-to-End Transparent Clock)和點到點透明時鐘P2P TC(Peer-to-Peer Transparent Clock)。其中OC可作為同步機制中的主時鐘或從時鐘；BC具有多個PTP端口，可看作多個OC的集成體，但最多只能有一個端口處于從時鐘狀態；TC也有多個端口，沒有主、從時鐘狀態，但E2E TC具有測量事件報文在時鐘的駐留時間的功能，P2P TC在此基礎上還具有測量相鄰兩時鐘之間的端口平均路徑延遲的功能。

該系統的基本架構如圖1所示，共包括三個部分。

(1) 岸基站監控中心的時間服務器采用以GPS授時技術為主、北斗(BDS)授時技術為輔的方式獲取UTC作為系統的標準時間源，同時它具備PTP功能，成為整個PTP時間同步系統的超主時鐘。

(2) 時間服務器直接輸出PTP信號或者通過接口轉換輸出NTP信號給岸基站監控中心和各級水下接駁盒的其他設備，實現毫秒級精度的時間同步。

(3) 各節點的海底探測設備也支持PTP功能，具有相應的從時鐘硬件模塊，從時鐘接收由時間服務器輸出經各級網絡傳輸設備傳送過來的PTP信號實現主從時鐘之間亞微秒級精度的時間同步，并可提供IRIG-B時間信號或RS232、RS422、RS485等串口同步信號給探測設備的主控模塊，最終實現海底探測設備各種精度的授時。

1.2 建模原型

環形拓撲結構是未來海底觀測網絡的主要采用對象，這種結構大大提高了網絡的可靠性和故障保護能力，同時也具備一定的連接、擴展能力。對于時間同步系統，環形拓撲結構雖然不能直接提高時間同步效果，但可以使PTP報文在海底觀測網絡中實現多路徑傳輸，所以一定程度上也增強了時間同步系統的穩定性和可靠性。因此，研究基于環形海底觀測網絡的時間同步系統，具有代表性和先進性，同時也是十分必要的。

根據王瀲、楊帆和余貝等[1,9-10]對海底觀測網絡的相關研究成果，設計了一個滿足網絡傳輸要求且具有代表性的環形海底觀測網絡的時間同步系統，如圖2所示。

圖2 環形海底觀測網絡時間同步系統的建模原型

(1) 基本組成 該系統共包括兩個岸基站監控中心、5個水下主接駁盒、10個水下次接駁盒和10個海底探測設備；兩端的岸基站監控中心之間的距離為160 km，每個岸基站監控中心和主接駁盒之間的距離為100 km；主干環路上主接駁盒之間的距離為40 km，規定正常工作時沿順時針方向進行數據傳送；每個主接駁盒具有兩條通信分支鏈路，每條分支鏈路依次連接一個次接駁盒和一個海底探測設備，主接駁盒和次接駁盒之間的距離為20 km，次接駁盒和海底探測設備之間的距離為1 km。

(2) 傳輸機制 PTP時間同步技術的一個優點是它無需額外構建專用的同步通道，利用現有的通信系統即可完成報文傳送。因此，在海底觀測網絡中，通信系統既傳輸著探測、指揮控制等信息，同時也傳送著PTP報文信息。該系統選擇采用以太網傳輸機制，主干環路的信道容量為100 Gbit/s，分支鏈路中主接駁盒和次接駁盒之間的信道容量為10 Gbit/s，海底探測設備和次接駁盒之間的信道容量為1 Gbit/s。OMNeT++仿真軟件的INET擴展庫中提供了以太網傳輸設備的相關模型。

(3) 時鐘設置 建立海底觀測網絡時間同步系統的最終目的是通過構建一個具有主從邏輯的網絡結構來統一通信系統中各個節點和終端設備的本地時間。該系統中，超主時鐘指定設置在岸基站監控中心的時間服務器上，采用以GPS時間同步技術為主、BDS時間同步技術為輔的方式獲取UTC作為系統的標準時間源；海底探測設備安裝有PTP從時鐘模塊，通過PTP報文與岸基站監控中心的超主時鐘進行通信以獲取時間戳信息，從而計算時間偏差并校正本地時間；岸基站監控中心和各級接駁盒中的傳輸設備以透明傳送的方式傳輸PTP報文，暫未安裝PTP時鐘模塊。

以該系統作為建模原型，運用OMNeT++軟件進行建模仿真，并對該系統的時間同步性能影響因素進行仿真研究，結果表明：對于環形海底觀測網絡的時間同步系統，要保證亞微秒級精度的時間同步性能，各級傳輸設備應當考慮加入PTP時鐘模塊。下面對各級傳輸設備采用的時鐘模式方案展開仿真研究。

2 各級傳輸設備時鐘模式的仿真研究

2.1 主接駁盒傳輸設備的時鐘模式

基于建立的時間同步系統模型，展開仿真實驗，首先分析該系統的時間同步實現情況，初始狀態下從時鐘端口的狀態曲線如圖3所示。可以觀察到，開始仿真后該端口迅速到達從時鐘狀態，隨后一直在從時鐘狀態和未校準狀態之間來回擺動，最終無法被決策為穩定的從時鐘狀態。

圖3 初始狀態下從時鐘端口的狀態曲線

對仿真結果的分析表明：在該模型中，由于從時鐘所在分支鏈路的匯聚節點采用了不具備PTP時鐘模塊的普通傳輸設備，它會轉發并透明傳送所有時鐘的PTP通知報文，所以從時鐘運行最佳主時鐘BMC(Bestmaster Clock)算法時會接收到多個時間源的信息而難以做出狀態決策，導致系統最終無法實現高精度時間同步。因此，對于環形海底觀測網絡的時間同步系統，處于匯聚層的主接駁盒傳輸設備必須采用具備PTP時鐘模塊的特殊傳輸設備。

下面對主接駁盒傳輸設備采用的時鐘模式進行仿真研究。在主接駁盒傳輸設備中分別加入BC模型、E2E TC模型和P2P TC模型，分三組進行仿真實驗。

第一組仿真實驗中，主接駁盒傳輸設備采用BC模式，部分時鐘端口的狀態曲線如圖4所示。開始仿真后，BMC算法判斷出系統存在時鐘成環情況，迅速將環路中最左端主接駁盒傳輸設備的4端口(與左端岸基傳輸設備相連接的端口)決策為被動狀態并保持穩定不變，從時鐘迅速達到從時鐘狀態并穩定維持下去。后兩組仿真實驗中，主接駁盒傳輸設備采用E2E TC模式或P2P TC模式，從時鐘的端口狀態仿真結果與圖3相比沒有發生變化。

圖4 采用BC模式時部分時鐘端口的狀態曲線

對仿真結果的分析表明：主接駁盒傳輸設備采用BC模式時可以避免時鐘成環，使系統生成同步狀態的邏輯斷點，由于BC模型能夠將從時鐘與超主時鐘的同步鏈路分割成多段子鏈路，每段子鏈路中時鐘端口只接收一個時間源的信息，因此該模式下從時鐘可以保持穩定的從時鐘狀態，使系統實現高精度時間同步；主接駁盒傳輸設備采用E2E TC模式或P2P TC模式時，由于TC模型也會轉發所有時鐘的PTP通知報文而自身不進行時間同步，所以從時鐘運行BMC算法時仍會接收到多個時間源的信息而難以做出狀態決策，導致該模式下系統最終無法實現高精度時間同步。

結論1環形海底觀測網絡的時間同步系統中，主接駁盒傳輸設備必須采用BC模式以避免時鐘成環。

2.2 岸基傳輸設備的時鐘模式

實現系統的時間同步后，還需優化系統的時間同步性能。基于該系統模型，主接駁盒傳輸設備采用BC模式后，其他傳輸設備仍未加入PTP時鐘模塊時，從時鐘的時間偏差仿真結果如圖5所示。可以觀察到，從時鐘的時間偏差在(-0.5 μs，-0.25 μs)區間內反復波動，收斂時間約為150 s，當第2 000 s～2 070 s網絡負載流量產生時，該曲線出現尖刺狀的急劇抖動，超出了1 μs，此外該曲線還存在明顯向負方向偏移的情況。

圖5 未加入PTP時鐘模塊時從時鐘的時間偏差曲線

對仿真結果的分析表明：該系統受到了網絡負載流量和傳輸設備的不對稱延遲的較大影響，對于現實中時刻存在負載流量的環形海底觀測網絡，要保證亞微秒級精度的時間同步，各級傳輸設備尤其是核心層交叉流量更大的岸基傳輸設備應當考慮采用具備PTP時鐘模塊的特殊傳輸設備。

下面對岸基傳輸設備采用的時鐘模式進行仿真研究。在岸基傳輸設備中分別加入BC模型、E2E TC模型和P2P TC模型，分三組進行仿真實驗。

第一組仿真實驗中，岸基傳輸設備采用BC模式，從時鐘的時間偏差曲線如圖6(黑色曲線)所示。可以觀察到，該曲線的負方向偏移程度未發生改變，網絡負載流量造成的尖刺抖動有所減小，從時鐘的時間偏差可以保持在1μs以內，但其收斂時間卻增加至900 s左右。

圖6 采用BC或E2E TC模式時從時鐘的時間偏差曲線

第二組仿真實驗中，岸基傳輸設備采用E2E TC模式，從時鐘的時間偏差曲線如圖6(灰色曲線)所示。可以觀察到，該曲線的負方向偏移程度有所降低，網絡負載流量造成的尖刺抖動也大大減小，從時鐘的時間偏差保持在(-0.3μs，-0.15μs)區間內，收斂時間也減少至70 s左右。

第三組仿真實驗中，岸基傳輸設備采用P2P TC模式，從時鐘的時間偏差曲線如圖7(黑色曲線)所示。可以觀察到，從時鐘的時間偏差收斂時間減少至60 s左右，但該曲線向負方向偏移了近0.7 ms。

圖7 采用P2P TC模式時從時鐘的時間偏差曲線

對仿真結果的分析表明：岸基傳輸設備采用BC模式或E2E TC模式時，都能有效減輕網絡負載流量對時間同步性能造成的影響，保證系統實現亞微秒級精度的時間同步，但BC模式不能修正傳輸設備的不對稱延遲產生的影響，且會大大增加從時鐘的時間偏差收斂時間，不利于時間同步系統的穩定性；E2E TC模式可以修正傳輸設備的不對稱延遲產生的影響，而且能夠減少從時鐘的時間偏差收斂時間。P2P TC模式理論上也能夠減輕網絡負載流量和傳輸設備的不對稱延遲的影響，但由于主接駁盒傳輸設備已經采用了BC模式，當岸基傳輸設備采用P2P TC模式時，E2E和P2P兩種同步機制的共存容易引起同步算法的混亂，導致部分PTP報文的傳輸延遲無法及時測出，從而造成從時鐘較大的偏移誤差，系統最終無法實現高精度時間同步。

結論2環形海底觀測網絡的時間同步系統中，岸基傳輸設備應當采用E2E TC模式以保證系統實現亞微秒級精度的時間同步。

2.3 次接駁盒傳輸設備的時鐘模式

最后對處于接入層的次接駁盒傳輸設備采用的時鐘模式進行仿真研究。在次接駁盒傳輸設備中分別加入BC模型、P2P TC模型和E2E TC模型，分三組進行仿真實驗，其中主接駁盒傳輸設備已采用BC模式，岸基傳輸設備已采用E2E TC模式。

前兩組仿真實驗的研究結果與岸基傳輸設備時鐘模式方案的研究結論一致，此處不再贅述。第三組仿真實驗中，從時鐘的時間偏差曲線如圖8(黑色曲線)所示。可以觀察到，當次接駁盒傳輸設備采用E2E TC模式時，該曲線的負方向偏移程度略微降低，網絡負載流量造成的尖刺抖動有所減小，但減小的幅度也不大，從時鐘的時間偏差收斂時間未發生改變。

圖8 采用E2E TC模式時從時鐘的時間偏差曲線

對仿真結果的分析表明：次接駁盒傳輸設備同樣不適合采用BC模式和P2P TC模式，采用E2E TC模式時雖然可以優化系統的時間同步性能，但取得的效果比較微弱，而且由于次接駁盒的空間比較小、數量比較多，在其內部添加額外的E2E TC時鐘硬件會導致成本大大增加。

結論3環形海底觀測網絡的時間同步系統中，同等時間同步精度要求下，次接駁盒傳輸設備可以不安裝PTP時鐘模塊，仍以透明傳送的方式傳輸PTP報文。

3 仿真研究結果與驗證

通過對各級網絡傳輸設備所采用的時鐘模式進行仿真研究，本文得出以下方案：對于環形海底觀測網絡的時間同步系統，岸基站和主接駁盒的傳輸設備應分別支持端到端透明時鐘模式和邊界時鐘模式，次接駁盒的傳輸設備可以不具備PTP時鐘模塊，繼續采用透明傳送的方式傳輸PTP報文。此方案既滿足了系統亞微秒級精度的時間同步要求，又有效節約了水下節點的設備空間和系統的建設成本。

通過評估網絡的上行負載流量和PTP時鐘端口的不對稱延遲兩個因素對時間同步性能的影響狀況，對該方案進行仿真驗證。

海底觀測網絡中，單個海底探測設備上傳的數據流量一般不超過200 Mbit/s，水下攝像機、水聽器等探測設備的數據流量較大，但也都在1 000 Mbit/s以內，相比之下，岸基站監控中心下傳的指揮控制信息流量很小且不會發生太大的變化。仿真研究傳輸設備的時鐘模式方案時，網絡的上行流量被設置為接近于信道容量的初始值1 000 Mbit/s，已經充分考慮了網絡上行負載流量的飽和情況。因此，這里只需要評估一般狀態下上行負載流量的影響情況。將網絡的上行流量設置為200 Mbit/s，其他參數保持不變，啟動仿真實驗。

從時鐘的時間偏差曲線如圖9(黑色曲線)所示。可以看到，從時鐘的時間偏差在流量產生時間段里幾乎不受影響。這說明在設計的傳輸設備時鐘模式方案中，網絡負載流量對時間同步性能的影響已經被有效降低了。

圖9 評估上行負載流量時從時鐘的時間偏差曲線

時鐘端口產生的不對稱延遲是導致PTP報文的不對稱傳輸延遲的重要因素，一般為幾十納秒，最大時不超過180 ns[11]。仿真研究傳輸設備的時鐘模式方案時，PTP時鐘端口的不對稱延遲被設置為初始值-50 ns，已經充分考慮了不對稱傳輸延遲的影響，這里對系統采用該方案后的極限情況進行評估。將PTP時鐘端口的不對稱延遲設置為200 ns，其他參數保持不變，啟動仿真實驗。

從時鐘的時間偏差曲線如圖10(黑色曲線)所示。可以看到，當PTP時鐘端口的不對稱延遲為200 ns時，從時鐘的時間偏差向正方向偏移，且偏移量的大小約等于取初始值-50 ns時偏移量大小的4倍，雖然偏移較大，但仍能保持在1 μs以內，滿足系統亞微秒級精度的時間同步要求。這說明在設計的傳輸設備時鐘模式方案中，不對稱傳輸延遲對時間同步性能的影響也得到了有效降低。

圖10 評估時鐘端口不對稱延遲時從時鐘的時間偏差曲線

結論4在環形海底觀測網絡的時間同步系統中，設計的傳輸設備時鐘模式方案表現較好，采用該方案后，系統能夠實現亞微秒精度的時間同步，并有效降低網絡負載流量和不對稱傳輸延遲的影響。

4 結 語

建設多節點、遠距離、高可靠性的環形海底觀測網絡是未來海洋探測領域的重要發展趨勢，而高精度時間同步的實現是其中的關鍵一環。本文在對環形海底觀測網絡的時間同步系統的基本架構和建模原型進行了分析研究的基礎上，通過運用OMNeT++仿真軟件對該系統的各級網絡傳輸設備的時鐘模式方案展開了仿真研究和驗證，得出了岸基站和主接駁盒的傳輸設備應分別支持端到端透明時鐘模式和邊界時鐘模式、次接駁盒的傳輸設備可以不具備PTP時鐘模塊的方案。設計的方案可以實現較好的時間同步性能，滿足亞微秒級精度的要求，系統所需成本較少，且能夠有效降低網絡負載流量和不對稱傳輸延遲的影響，為未來環形海底觀測網絡及其時間同步系統的建設提供參考價值。