分布式衛星通信系統時間統一的設計與實現

李娟娟,李 淼,張宇航

(中電防務科技有限公司,江蘇 南京 210000)

0 引言

在現代衛星通信運用中由于地域遼闊甚至涉及全球,不可能由單臺設備完成作戰任務,需要有多臺設備甚至多個系統來完成通信任務。 要使所有設備協調工作,得到準確交互數據信息,就需要一個統一的時間參考。 在異地分布式衛星通信系統中,各節點之間的時間同步是一個重要的問題,涉及系統的多個層面。 各級節點間如果時間偏差過大會對系統消息事件顯示、系統性能分析統計及系統管理造成影響甚至造成系統運行混亂。 各級系統必須有嚴格統一的時間標準,時間的統一性和精確度是系統內軟硬件設備正常工作和交互的前提[1]。 要實現系統的時間統一首先需要精確的時間源。 時間源面向通信系統提供具有溯源唯一性的參考時間。 有了時間源,要實現多地系統內及系統間的時間統一,需設計時間統一軟件完成系統間和系統內部多設備的時間統一。

1 多節點通信系統時間統一實現方法設計

1.1 時間源的選擇

完成時間統一的工作離不開授時和定時兩個重要部分。 以有線或者無線方式將時間信息從時間源傳遞到用戶端的過程統稱授時;接收時間信號并設置本地時間使其和授時端發布的標準時間信息相一致的過程統稱定時。 根據授時的方式不同,可以分為短波、長波、衛星和其他方式授時/定時,此外高精度原子鐘也是精確計時的常用手段,日常時間同步中有時也使用服務器本身時間作為時間源。

相比較短波授時和長波授時,衛星授時由于衛星與用戶之間傳播的無線電波是直達波,不像短波和長波傳播的無線電波是依靠電離層的發射和折射,它受大氣折射的影響小,因此精度比較高。 衛星授時由于覆蓋面廣、精度高以及相對成本較低的特點近年來得到廣泛應用。 中國自主研制的“北斗三號”衛星導航定位系統采用高強度加密設計,安全、可靠且穩定,統覆蓋中國及周邊國家和地區24 h 全天候服務,無信號盲區,且北斗授時精度已達納秒級。

原子鐘是目前最精確的時間和頻率標準設備,在計量學中稱其為頻率標準器具。 在原子鐘里銣原子鐘具有體積小、重量輕、功耗低、技術難度較低、可靠性高等優勢。

時間源各選擇中,衛星授時和原子鐘授時具有可行性、經濟性、先進性,長短波授時已不是現今主流的授時方式,不利于以后的擴展。 因此,本系統采用北斗授時設備和銣原子鐘兩種時統設備作為標準時間來源,平時主用北斗授時設備作為時鐘源,銣鐘用來守時,當北斗衛星授時失效時,銣鐘能夠實現對衛星授時失效前的時間實現自守時,北斗授時設備的精度已達ns 級,銣原子鐘守時可實現一年內無衛星授時的情況下誤差不超過5 ms。

1.2 時間同步方案設計

1.2.1 時間同步模式選擇

在衛星通信網中實現時間同步需要一個時間同步服務器,網絡內的其他設備及終端從時間同步服務器獲取時間信息。 網絡時間同步有3 種實現方式。

(1)客戶端/服務器模式。 服務器時間為基準時間,客戶端的時間被服務器端同步,但服務器端不能被客戶端同步。 這種模式下,時間基準方是固定的。

(2)對稱模式。 時間同步雙方均可作為服務器端或客戶端,先發出申請建立連接的一方工作在服務器模式下,另一方工作在客戶端模式下,客戶端的時間被服務器端同步。 這種模式下時間基準方不固定。

(3)廣播模式。 廣播模式采用一對多的同步方式,服務器不管客戶端的連接狀態,時間源服務器以固定的時間周期廣播自己的時間信息,客戶端通過廣播接收到時間信息,直接使用接收到的時間信息設置自己的本地時鐘,而忽略時間偏差和網絡延遲。

相較于前兩種模式,廣播模式的時間同步誤差相對較大,對時間精度要求較高的系統應采用服務器/客戶端模式進行時間同步。 本系統采用服務器/客戶端模式。

1.2.2 客戶端/服務器端時間同步原理

時間同步雙方通過發送時間同步數據報文,在客戶端和服務器間的通信完成時間信息同步[2]。 下面以一次同步過程介紹其工作原理,過程如圖1 所示。

圖1 服務器/客戶端時間同步示意

時間同步雙方客戶端A 和服務器端B 通過有線或無線建立連接。

(1) A 向B 發送時間同步數據報文,數據包中包含報文發出時的時間戳T1;

(2) B 接收到報文數據后解析并記錄到達時間戳T2;

(3) B 向A 發送確認應答報文,報文包含T1、T2、T3,其中T3為B 發出報文的時間戳;

(4) A 收到B 返回的報文數據,解析并記錄收到的時間戳T4。

假設Toffset為客戶端A 和服務器端B 之間的時間偏差[3],Tdelay1,為A 向B 發送時間同步請求的傳輸時延,Tdelay2為B 向A 返回確認報文的傳輸時延,可得出:

從式(2)可以看出,客戶端和服務器端時間偏差Toffset和雙方報文傳輸時延Tdelay只與T2-T1的差值及T4-T3的差值有關[4],與T2、T3之間的差值無關,即時間同步結果與服務器端解析處理報文所用時間無關。根據式(2)中Toffset的計算方式,利用4 個時間戳,可得出客戶端與服務器端之間的時間偏差,客戶端根據計算結果調整自身本地時間。 另外,在本系統中即使同時多個設備同時發送時間同步請求導致服務器端反應速度減慢,也不會影響時間同步精度[5]。

1.3 時間統一軟件設計

系統各個節點可能部署于全國各地,因此必須考慮各地節點之間時間同步問題。 在衛星通信系統中整個系統提供一個統一的基準時間,各地系統節點維護自己的內部時間源,用于對系統內的各設備時間統一。系統各地網絡節點根據時間同步的方式(手動同步/自動定時同步)向統一基準時間進行時間同步,來調整節點內維護的時間源信息,以達到各個節點的時間源和系統統一基準時間保持一致。 本文中,衛星網絡通信管理系統中提供統一基準時間的節點為系統一級節點,其他節點均為下級節點。

任意下級節點時間統一軟件可向一級節點發起時間同步,根據一級節點的基準時間信息調整其維護的當前節點時間源信息。 在本系統中,一級節點為服務器端,所有下級節點均為客戶端。

1.3.1 功能組成

時間統一軟件主要是為了系統內各節點的時間統一,時間統一軟件包括時間同步和時間校準兩個功能模塊,如圖2 所示。

圖2 時間統一軟件功能組成

時間同步功能負責下級節點時間源向一級節點時間同步確保各級時間源信息一致,以及對系統節點內管轄的服務器及設備的時間進行同步,從而實現全網時間統一。

時間校準負責自動檢查當前節點維護的本地時間源和一級基準時間服務器之間的誤差,當誤差達到預設的閾值時能夠自動進行告警,同時向操作臺發送告警信息。

1.3.2 模塊設計

1.3.2.1 時間同步

系統根據時間同步的方式(手工和定時自動)調整本節點維護的時間源服務器時間信息,使系統內各個節點的時間源和基準時鐘源服務器保持統一。 節點內任意設備作為客戶端發起時間同步請求,時間源服務器端返回時間信息,客戶端根據返回的時間信息調整本地操作系統時間。 同時下級節點時間源服務器端作為客戶端定時和一級基準時鐘源服務器進行時間同步。

時間統一軟件通過有線或無線的方式向管轄范圍內的服務器/衛通設備進行時間同步。 時間統一軟件接收高精度外部時鐘信號作為整個網絡的基準時間。下級節點對于一級時間統一軟件來說作為客戶端等待一級服務器反饋相關報文,從而完成同步過程。 時間信息同步方式通過服務器/客戶端模式。 各級節點時間同步過程如圖3 所示。

圖3 時間同步過程示意

在本系統中時間同步分以下兩個步驟:

(1)下級節點的時間源服務器作為客戶端向一級節點的基準時間服務器請求時間同步獲取本節點的標準時間;

(2)本級節點內的設備向本節點的時間源服務器請求時間同步。

通過以上步驟可實現全系統時間同步,客戶端和服務器端時間同步流程分別如圖4—5 所示。

圖4 客戶端程序流程

1.3.2.2 時間校準

時間校準功能能夠自動檢查當前節點維護的本地時間源和一級時間同步服務器之間的誤差,當達到預設的閾值時能夠進行時間告警,同時向綜合管理發送一條告警信令。

時間校準的流程如圖6 所示。 時間校準過程為:

圖6 時間校準流程

(1)設定時間誤差閾值為t,設定時間檢查周期T;

(2)每個時間檢查周期本地時間與標準時間之間的差值,若超過閾值t則發送告警信令并糾正本地時間。

1.4 時間同步誤差測試

圖5 服務器端程序流程

本系統中各下級節點的基準時間都是從一級節點獲取,因此計算時統設備到終端的時間同步誤差得出系統最大誤差值。 時間從授時設備到終端共經歷4 各階段:北斗授時階段、一級時間基準服務器到下級時間源服務器時間同步、時間源務器到網控設備時間同步、網控設備到終端時間同步。 計算這4 個階段的時間誤差即可得出系統時間統一最大誤差。 測試網絡搭建如圖7 所示。

圖7 時間同步測試網絡

通過搭建測試網絡,經實測得出測試數據如下表1所示。

表1 時間統一時間誤差分析

測試數據表明,在終端具備時間校準能力的前提下,全網時間同步最大誤差為26～75 ms。

2 結語

本文介紹的多節點分布式衛星通信系統時間統一方案適用于無線衛星網絡和有線網絡混合使用的多地、多節點且節點內多設備的時間統一。 本系統通過兩步法實現全網時間統一。 第一步,各下級節點選定的時間源服務器向一級節點基準時間服務器進行時間同步;第二步,節點內各設備向本節點的時間源服務器進行時間同步。 通過兩步法避免了所有設備都向一級節點進行時間同步導致的網絡擁塞和一級節點的時間基準服務器處理壓力過大,同時也避免了由于一級節點時間基準服務器故障可能造成的全網時間錯亂。 兩步法的時間統一方案兼顧了可靠和高效。