助力新基建構建精準時間同步體系

張鎮

隨著5G等新型基礎設施持續建設和發展，在未來萬物互聯的龐大信息網絡中，跨路由節點之間的彼此協同、大數據處理及節點數據融合的精度等環節，對精準時間同步要求越來越高。如果時間順序出現混亂或者誤差，將影響決策和執行效果，造成高昂的成本和嚴重的安全問題。因此，精準的時間同步在新型基礎設施建設中至關重要。

精準時間同步對新型基礎設施有著戰略意義。當前，我國新型基礎設施中有大量設備在時間同步方面采用GPS授時。不過，GPS存在易受電子干擾且隨時可能中斷服務的致命威脅，為保障我國新型基礎設施建設和運行的安全、可靠和穩定，建設我國自主的精準時間同步體系已刻不容緩。

新基建對精準時間同步提出更高要求

以5G、工業互聯網、衛星互聯網等為代表的新型信息基礎設施，通信信號載波頻率的穩定、上下行時隙校準、可靠傳送等方面都需要精確的時間同步控制。

雖然當前對時間同步精度沒有完全確定，但是行業應用有嚴格的低時延、低抖動、低丟包率承載要求，對精準時間同步的質量要求也將越來越高。工業互聯網中的網絡跳頻、資源分配、路由轉發和數據融合等都依賴時間同步的應用，否則不能正常運行。特別是時間敏感型的工業互聯網，對在設備上維持端到端的時間精度要求更高，甚至達到納秒級。而對于衛星互聯網、低軌衛星，只有實現相互間的精準時間同步，才能為覆蓋區域提供高速衛星通信。另外，在智慧電網、智能礦山、智能道路等融合基礎設施，以及重大科技基礎設施中，系統控制、設備執行、運行統計、異常處理等都需要統一時間標準，否則將無法正常運行。

精準的時間同步是網絡的“脈搏”，是一切智能化應用的基礎。缺少統一的精準時間作為基準，各網絡節點采集的數據信息將被割裂，各類終端信息將難以統一處理，各種分布式設備的工作將無法協同，新基建中的人與物、物與物將無法動態、精確地投射到數字空間中。人工智能、大數據、區塊鏈等都需要有相同的時間基準，才能對事件發生的時間和順序做準確記錄;工業物聯網、智能電網等需要精準的時間同步來記錄各傳感器的數據，才能監測設備和系統是否正常運行;智能交通、自動駕駛等需要探測障礙物位置和制動裝置等信息，只有在高精度時間同步后，才能夠相互避讓、避免碰撞。

精準時間信息是所有新基建活動的基礎，在超大規模信息系統中有大量的時間同步設備接入。由于應用環境越來越復雜，所以一旦授時系統被干擾、欺騙和破壞，時間同步的性能和精度將劣化，甚至造成整個系統的癱瘓。對于新基建的安全而言，可靠的時間同步是基礎，提高相關設施的安全保護和快速恢復能力至關重要。

精準時間同步建設面臨諸多問題

頂層設計不夠，缺少標準時間管理的指導和規范。當前，我國將時間同步所屬的時間頻率行業納入市場行為和管理體系中。既沒有通過立法形式將時間標準納入國家法制計量范圍，確定應有的法律地位，也沒有設定歸口部門強制管理、厘清民用標準時間管理體制和機制。相比較而言，美國非常重視標準時間的建設和管理，先后簽署并通過了《關鍵基礎設施的安全性和彈性》《國家授時彈性與安全法案》《通過負責任地使用定位、導航與授時服務來增強國家彈性》等法規和行政命令，旨在確保美國標準時間管理的安全性和可靠性，并設立“SSA”作為統籌協調部門，與國土安全部、商務部、國防部和交通部等部門共同加強授時基礎設施建設，應對可能出現的風險。

標準規范缺乏，難以支撐新基建的時間同步建設。新基建的精準時間同步是系統工程，涵蓋以原子鐘或高穩晶振為時間源的上游產品，以時間同步模塊和時間同步設備為集成的中游系統，以及以星基和陸基為授時、網絡為手段的標準時間下游應用領域。新基建的精準時間同步涉及范圍廣、應用領域多，需要有相關的產品技術、測試方法和應用領域建設規范等標準，才能滿足新基建的精準時間同步建設的推廣使用。

在關鍵部件領域，無論上游的原子鐘或高穩晶振，還是中游的時間同步設備和系統，所涉及的技術要求及測試方法的標準都處于剛剛起步，甚至是空白階段。在傳輸和組網領域，我國2020年發布了《高精度時間同步技術要求》行業標準，采用星基授時方式，主要適用于普通工業監測和3G通信等領域，最多可滿足30個時間同步設備接入，最高時間精度設定為微秒級。但在以5G通信為基礎的、更高時間精度的新基建領域，現有標準中未能涉及，無法滿足建設需要。在新基建應用領域，精準時間同步在通信、物聯網、電力、高速交通、軌道交通、自動駕駛等新基建應用領域正逐漸興起。不過，除電力領域出臺過《電力系統時間同步基本規定》《智能變電站時間同步系統及設備技術規范》等行業標準外，其他新基建應用領域的時間同步的建設和技術規范都還是空白，統籌和支撐作用不足。

核心技術待加強，無法實現短時間內自主發展。在高端原子鐘領域，高精準授時完全依賴原子鐘質量。目前，銣原子鐘在我國應用得最為廣泛，部分類型產品已實現國產化，基本具備了自給自足的供應能力。但穩定性更好的銫原子鐘和CRT等新型原子鐘領域，依然被國外企業所壟斷。目前，我國正處于研發試制階段。在高端晶體器件領域，電子設備中的時鐘晶體振蕩器十分容易受到電磁、溫度、濕度等外界環境干擾，造成的誤差可能會帶來嚴重后果。因此，高穩定性和高可靠性的晶體才能確保時間信號的穩定。當前，國內晶體企業在高基頻、高穩定度、高可靠性、抗惡劣環境等技術研發和制造水平上，與國外企業相比仍存在差距。在時間同步芯片領域，時間同步設備主要包括衛星接收模塊、控制存儲模塊、時間同步模塊。

其中，時間同步模塊主要可以實現高精密時鐘頻率的控制與選擇，涉及的芯片包括頻率合成類器件、抖動過濾芯片、驅動芯片等。目前，時間同步芯片是我國時間同步設備發展最為薄弱的環節，還沒有信息顯示國內企業已涉足此領域。

風險應對不足也可能出現災難性后果。一是過度依賴星基授時的風險。目前，我國正在建設和完善以衛星導航系統授時為主、陸基授時為輔的授時體系。新基建的精確授時主要依賴GPS和北斗等星基授時系統，一旦星基授時信號受到外界干擾或因不可抗力因素遭到破壞，將使得新基建各個領域的時間同步系統應用失效。另外，室內、礦山、高電磁環境等場景無法通過星基授時獲取時間，這也極大限制了新基建的應用和發展。二是存量GPS授時設備的風險。當前，我國大量時鐘同步設備是以GPS授時為主，存量GPS授時設備風險需要高度關注。三是網絡傳輸協議的風險。當前，IEEE1588V2協議及其衍生無線網絡協議主要使用的高精度時間同步傳輸協議，能夠讓一定數量的時間同步設備實現亞微秒級精度。而未來5G時代所需納秒級甚至更高的時間精度，將導致IEEE1588V2協議無法保證可靠應對等風險。

對高精度時間同步三點建議

第一，加強頂層設計，將標準時間納入強制性管理。一是開展標準時間管理領域立法研究和相關法規建設工作。按照我國法律法規，制定授時基礎設施的管理指南、安全保護、監測預警、應急處置和檢測評估等規范。把時間標準納入國家法制計量，將原子鐘、高穩晶振等時間計量器具列入《實施強制管理的計量器具目錄》。協同推進標準時間管理，提升新基建精準時間同步的發展和安全水平。二是設立國家級時間標準管理機構，負責統籌全國范圍內授時體系規劃制定、總體體系設計和授時基礎設施管理，以及政策法規、標準規范、產業發展等統籌協調工作。

第二，完善標準規范，加快技術研發夯實發展基礎。一是加快制定和完善原子鐘、高穩晶振、時間同步設備等國家標準和行業標準，包括測試方法、性能評價、使用標準、行業規范條件等。制定時間同步產品評價標識管理辦法，對產品的時間精度等級和可靠性進行評價，動態管理和發布評價結果與標識產品目錄。二是重新修訂《高精度時間同步技術要求》。加入陸基授時網絡和5G通信網絡的建設內容，明確不同數量的時間同步設備接入和傳輸網絡抖動等對時間精度的影響，提高時間同步信號傳輸和組網的可靠性和時間精度，滿足新基建應用領域時間同步信號傳輸網的建設需要。三是加快推進工業互聯網、人工智能、智能交通、智能電網等新基建不同應用領域的時間同步基本規定、系統及設備技術規范等，并針對越來越復雜的環境，強化抗干擾性、抗摧毀性等安全性的建設要求。四是以自主創新為主線，對精準時間同步涉及的核心產業鏈和供應鏈嚴格分析把關，加快新一代原子鐘、高穩晶振、時間同步芯片產業鏈中關鍵環節的技術研發、成果轉化、檢驗評價等平臺建設，保障新基建領域精準時間同步建設需要。

第三，采取多樣舉措，積極防范、化解可能出現的風險。一是減少對星基授時的依賴，發揮國家時間頻率中心作用，建設和完善覆蓋全國多系統融合陸基授時體系。加快小規模光網絡的建設和驗證，形成我國光網絡授時體系獨立自主的理論、系統、技術和標準，條件成熟后建設全國光網絡高精度授時網絡。二是加快存量設備GPS授時替換，評估不同應用領域GPS授時信號消失帶來的危害性，制定關鍵領域存量設備GPS授時模塊的替換時間表，加快將GPS授時向北斗/GPS雙模授時或其他標準時間信息的替換。三是推動時間同步信息傳輸協議的技術和安全測評標準研究。將現有應用中的時間同步信息傳輸的安全測評及風險評估，納入新基建安全風險管理過程，并推動新型時間同步信息傳輸協議的發展和進步，充分應對未來超大數量級時間同步設備的高精度時間同步需要。