地下大空間有線-無線混合時間同步網絡技術研究

中圖分類號：TN87 文獻標志碼：A

0 引言

時間同步作為共性技術，是定位導航、通信、電力傳輸的基礎，深刻影響著人類日常生活[1]。隨著科技的發展，人類的活動空間逐步從地表向太空和地下空間延伸。地下空間包括城市地鐵、地下管廊、礦井等，都離不開時間同步網絡。例如：城市地下管廊智慧物流中使用的各種傳感器設備，需要統一的時間基準；對于地下煤礦，要保證礦井的安全，需要對多種傳感器采集的數據進行融合分析，而時間統一是多傳感器進行數據信息融合的前提；對于地下大空間的定位導航，定位基站需要高精度的站間時間同步。根據測算，1ns的時間同步誤差將會造成 0.3m 的定位偏差。當前，地下大空間多類型設備迫切需要時間統一。

對于地表開闊空間，一般通過接收全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）信號，獲得統一時間[2]。然而，GNSS信號落地電平低，地下空間難以使用。針對地下大空間應用場景，本文根據用戶對時間同步精度的需求，研究有線-無線混合時間同步網絡架構，將用時場景分為高精度和一般精度2種類型。對于高精度用時場景，利用WhiteRabbit光纖時間同步技術[3]，將時間基準從源頭向用時區域進行遠距離高精度傳遞。對于一般精度用時場景，本文利用無線時間同步技術，從光纖節點處獲得時間參考，通過無線鏈路進行傳遞，最終實現時頻信號無縫覆蓋，解決地下大空間設備時間同步問題。

本文首先給出地下大空間有線和無線混合時間同步網絡架構；其次，對有線和無線時間同步技術進行單獨介紹；然后，對混合網絡時間同步性能進行分析；最后，給出本文結論。

1系統結構

地下大空間有線-無線混合時間同步網絡架構如圖1所示，利用光纖和無線2種時間方式將時頻量值進行傳遞，為不同類型用時終端提供準確可靠的時間。整個時間傳遞流程為：北斗衛星授時接收機通過地面天線接收衛星信號，馴服內部銣原子鐘，獲得時頻參考量值。衛星授時接收機將 10MHz 頻標、秒脈沖定時信號和協調世界時（CoordinatedUniversalTime，UTC）時碼送入WhiteRabbit時頻同步主節點。WhiteRabbit時頻同步主節點通過光纖級聯其余從節點，構成分布式光纖時瀕傳遞網絡。以光纖作為媒介的WhiteRabbit時頻同步設備具有高精度、高穩定性的優點，適用于地下大空間時間同步網絡骨干節點，能夠對高精度用時需求的設備提供授時服務，例如：偽衛星定位基站。無線時頻同步主節點根據實際場景，從WhiteRabbit節點處獲得統一時間參考，隨后從節點通過無線鏈路與主節點進行同步。無線時頻同步技術相比有線方式更加靈活，能夠實現時頻信號無縫覆蓋，滿足一般用時精度用戶需求。

圖1地下大空間有線-無線混合時間同步網絡架構

2 無線時間同步

2.1無線時間同步基本原理

無線時間同步和精密授時協議[3]（Precision TimeProtocol，PTP）基本原理一致，利用4個時間戳，通過發送數據包方式測量主從節點時間差，從節點根據時間差進行時鐘相位調整，進而實現主從節點時間同步。

主節點首先在 t₁ 時刻發送同步數據包，從節點檢測到該數據包時刻為 t₂ 并進行記錄存儲，隨后主節點將 t₁ 時刻時間戳發送給從節點。主從節點下行鏈路時延可以表示為：

delay_MS=t₂-t₁-offset_MS

其中， offset_MS 為主從節點時間差。從節點在 t₃ 時刻發送延遲請求數據包，主節點記錄接收該數據包時刻為 t₄ 。從節點上行鏈路時延可以表示為：

delay_su=t₄-t₃+offset_MS

根據公式（1）和（2），上下行總時延為：

delay_MM=delay_MS+delay_SM=t₄-t₃+t₂-t₁

假設忽略上下行時延的不對稱性，

根據公式（1）和（4），主從節點時鐘時間偏差為：

從節點根據計算得到的時間差，進行時鐘相位動態調整。

2.2無線時間同步樣機

無線時間同步設備開發方案如圖2所示，主節點可通過外部GNSS或者本地1PPS/B碼進行授時。秒脈沖（1pulseper second，1PPS）通過馴服內部晶振，獲得 10MHz 頻標， 10MHz 與1PPS輸出相位鎖定。無線時間同步設備通過內部時間碼（TimeofDay，TOD）模塊，對國軍標或者美標B碼進行編解碼。主從節點通過 2.4GHz 頻段信號實現時間同步。該無線時間同步設備支持多種時頻信號輸出，包括10MHz 頻標、1PPS定時信號、國軍標和美標B碼、National Marine Electronics Association-ZDA 串口報文輸出。

3單波雙向WhiteRabbit光纖時間同步

3.1單波雙WhiteRabbit時間同步基本原理

WhiteRabbit在PTP協議基礎上對鏈路上下行時延進行精確建模[3-4]。如圖3所示，鏈路下行時延可以表示為：

delay_MS=Δ_TXM+δ_MS+Δ_RXS+ε_s

其中， Δ_?TXM 包含了WhiteRabbit主節點基帶板卡硬件電路和光路時延， δ_?MS 為光纖鏈路下行時延，Δ_?RXM 為從節點接收端電路和光路固定時延， ε_s 為從節點進行串并轉換引起的隨機比特滑動。鏈路上行時延可以表示為：

delay_SM=Δ_TXS+δ_SM+Δ_RXM+ε_M

圖2無線時頻傳遞模塊設計

圖3單波雙向WhiteRabbit鏈路延時模型

其中， Δ_rxs 表示從節點電路和光路時延， δ_sy 為光纖鏈路上行時延， Δ_?RXM 為主節點接收總的電路和光路固定時延， ε_u 為主節點進行串并轉換引起的隨機比特滑動。相比于傳統WhiteRabbit時頻同步技術，地下大空間光纖時頻同步，使用了單波雙向技術。通過利用密集波分復用技術（DenseWavelengthDivisionMultiplexing，DWDM）光模塊和光環形器，免去了光纖上下行時延不對稱系數標定環節。假如忽略DWDM光模塊波長抖動的影響，光纖上下行時延近似一致：

δ_MS=δ_SM

根據公式（3）（6）、（7）和（8），可以得到：

Δ_?RXM-Δ_?TXS+ε_s-ε_?M）

通過計算，主從節點時鐘偏差為：

Δ_RXS-Δ_RXM-Δ_TXS+ε_S-ε_M）

3.2 WhiteRabbit時間同步樣機

基于WhiteRabbit開源IP核WhiteRabbitPTPCore- ?v4.2 版本[5]，研制WhiteRabbit光纖時頻同步樣機。使用XilinxKintex ^-7 系列 xc7k325tffg900-2 型號現場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）進行邏輯開發。單波雙向WhiteRabbit主從DWDM光模塊中心波長為 1550.12nm ，數據通信速率為 1.25Gbps ，工作溫度范圍為 0～70^°C 。為了控制光纖上下行時延的一致性，光模塊選型中心波長漂移小于 0.1nm 。

研制出的WhiteRabbit光纖時頻同步設備樣機分別支持3路和8路時頻信號分發。該樣機支持10MHz、1PPS、美標和國軍標B碼以及NMEA-ZDA報文輸出，同時向下兼容網絡時間協議（NetworkTimeProtocol，NTP），可進行樹形和星型網絡級聯。

4實驗結果與分析

4.1光纖時間同步性能

使用GNSS北斗衛星接收機，為WhiteRabbit主節點提供 10MHz 、1PPS和TOD信息。將WhiteRabbit主節點通過 50km 光纖卷與另一臺從節點設備連接。經過標定后，使用時間間隔計數器SR620測量主從節點1PPS時間差，測試結果如圖4所示。1PPS時間差統計均值為 16ps ，標準差為 9ps 。對于地下大空間偽衛星定位基站時間同步應用場景，有線時間同步網絡能夠有效保證高精度定位結果。

圖4光纖時間同步性能

5結語

本文研究了地下大空間有線和無線混合時間同步網絡。對于地下大空間高精度用時場景，利用WhiteRabbit光纖時間同步技術，通過在光域采用單波雙向技術，能夠實現光纖上下行時延不對稱系數免標定。在 50km 光纖距離下，實現均值為 16ps ，標準差為 9ps 的同步精度。對于一般精度用時場景，利用無線時間同步技術，在 30m 范圍內，無線時間同步網絡能夠提供均值為 0.14μs 、標準差為 0.3μs 的無線時間同步精度，實現時頻信號無縫覆蓋。

4.2無線時間同步性能

為了測試地下大空間無線時間同步性能，將無線時頻同步從機1和2分別置于相距主機 30m 的位置。無線同步主節點使用WhiteRabbit節點進行授時。為了測量無線時間同步網絡性能，無線時間同步主從節點均以WhiteRabbit光纖時間同步設備作為基準，使用時間間隔計數器測試WhiteRabbit設備和無線時頻同步設備的秒脈沖時間差。圖5描述了無線時間同步網絡設備相對于WhiteRabbit光纖時間基準的同步偏差。主機、從機1和從機2時間同步均值分別為 0.13μs，-0.14μs 和 -0.09μs 。標準差分別為 0.024μs.0.3μs 和 0.1μs 。選取較差場景，可以看到，在 30m 范圍內，地下大空間無線時間同步網絡能夠提供均值為 0.14μs 標準差為 0.3μs 的無線時間同步精度。

圖5無線時間同步性能

參考文獻

[1]華宇，郭偉，燕保榮，等.我國授時服務體系發展現狀分析[J].時間頻率學報，2016（3）：193-201.

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[3]龔光華，李鴻明.基于光纖以太網的高精度分布式授時技術[J].導航定位與授時，2017（6）：68-74.

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[5]朱望純，康博，李恩，等.基于WR-PTP的亞納秒時間同步技術研究與實現[J].光通信技術，2020（12）：6-10.

[6]潘維斌.LHAASO實驗高精度時間測量系統研究[D].北京：清華大學，2014.

（編輯 王永超）

Research on wired and wireless hybrid time synchronization network technology in underground large spaces

ZHANG Xulun 1， 2， ZHANG Jingkui 1 2，JIA Runkun 1 2 （1.The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang O5OO81，China;2.State Key Laboratoryof Satellite Navigation System and Equipment Technology，Shijiazhuang O5Oo81，China）

Abstract：Facingthe demand for time synchronization in large underground Spaces，this paper studies the wired and wireless hybridtimesynchronizationnetwork architecture.Ituses both optical fiberand wirelessmethods toconduct multi-channel transmisionand distributionof timeand frequency values，providing preciseand unified timereferences forusers with diferent timeaccuracyrequirements.Theoptical fiber time synchronization network，as the backbone network for time synchronization in large underground Spaces，can meet the requirements of high-precision time usage scenarios.As a time synchronization access network，the wirelesstime synchronization network can meet the general precision time usage scenarios and realize the on-demand acessof time-using devices.In this project，a prototype of optical fiber and wirelesstime synchronization was developed.The experimental resultsshow that the accuracy of optical fiber time synchronization isatthe picosecond level，andtheaccuracyof wireless time synchronization is atthe sub-microsecond level.

Key words：largeunderground space;unified time;optical fiber time synchronization；wireless time synchronization