地下大空間有線-無線混合時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究

中圖分類號(hào)：TN87 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

時(shí)間同步作為共性技術(shù)，是定位導(dǎo)航、通信、電力傳輸?shù)幕A(chǔ)，深刻影響著人類日常生活[1]。隨著科技的發(fā)展，人類的活動(dòng)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(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)。例如：城市地下管廊智慧物流中使用的各種傳感器設(shè)備，需要統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)；對(duì)于地下煤礦，要保證礦井的安全，需要對(duì)多種傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，而時(shí)間統(tǒng)一是多傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)信息融合的前提；對(duì)于地下大空間的定位導(dǎo)航，定位基站需要高精度的站間時(shí)間同步。根據(jù)測(cè)算，1ns的時(shí)間同步誤差將會(huì)造成 0.3m 的定位偏差。當(dāng)前，地下大空間多類型設(shè)備迫切需要時(shí)間統(tǒng)一。

對(duì)于地表開闊空間，一般通過接收全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）信號(hào)，獲得統(tǒng)一時(shí)間[2]。然而，GNSS信號(hào)落地電平低，地下空間難以使用。針對(duì)地下大空間應(yīng)用場(chǎng)景，本文根據(jù)用戶對(duì)時(shí)間同步精度的需求，研究有線-無線混合時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將用時(shí)場(chǎng)景分為高精度和一般精度2種類型。對(duì)于高精度用時(shí)場(chǎng)景，利用WhiteRabbit光纖時(shí)間同步技術(shù)[3]，將時(shí)間基準(zhǔn)從源頭向用時(shí)區(qū)域進(jìn)行遠(yuǎn)距離高精度傳遞。對(duì)于一般精度用時(shí)場(chǎng)景，本文利用無線時(shí)間同步技術(shù)，從光纖節(jié)點(diǎn)處獲得時(shí)間參考，通過無線鏈路進(jìn)行傳遞，最終實(shí)現(xiàn)時(shí)頻信號(hào)無縫覆蓋，解決地下大空間設(shè)備時(shí)間同步問題。

本文首先給出地下大空間有線和無線混合時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；其次，對(duì)有線和無線時(shí)間同步技術(shù)進(jìn)行單獨(dú)介紹；然后，對(duì)混合網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步性能進(jìn)行分析；最后，給出本文結(jié)論。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

地下大空間有線-無線混合時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，利用光纖和無線2種時(shí)間方式將時(shí)頻量值進(jìn)行傳遞，為不同類型用時(shí)終端提供準(zhǔn)確可靠的時(shí)間。整個(gè)時(shí)間傳遞流程為：北斗衛(wèi)星授時(shí)接收機(jī)通過地面天線接收衛(wèi)星信號(hào)，馴服內(nèi)部銣原子鐘，獲得時(shí)頻參考量值。衛(wèi)星授時(shí)接收機(jī)將 10MHz 頻標(biāo)、秒脈沖定時(shí)信號(hào)和協(xié)調(diào)世界時(shí)（CoordinatedUniversalTime，UTC）時(shí)碼送入WhiteRabbit時(shí)頻同步主節(jié)點(diǎn)。WhiteRabbit時(shí)頻同步主節(jié)點(diǎn)通過光纖級(jí)聯(lián)其余從節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成分布式光纖時(shí)瀕傳遞網(wǎng)絡(luò)。以光纖作為媒介的WhiteRabbit時(shí)頻同步設(shè)備具有高精度、高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)，適用于地下大空間時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)骨干節(jié)點(diǎn)，能夠?qū)Ω呔扔脮r(shí)需求的設(shè)備提供授時(shí)服務(wù)，例如：偽衛(wèi)星定位基站。無線時(shí)頻同步主節(jié)點(diǎn)根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景，從WhiteRabbit節(jié)點(diǎn)處獲得統(tǒng)一時(shí)間參考，隨后從節(jié)點(diǎn)通過無線鏈路與主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步。無線時(shí)頻同步技術(shù)相比有線方式更加靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)頻信號(hào)無縫覆蓋，滿足一般用時(shí)精度用戶需求。

圖1地下大空間有線-無線混合時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2 無線時(shí)間同步

2.1無線時(shí)間同步基本原理

無線時(shí)間同步和精密授時(shí)協(xié)議[3]（Precision TimeProtocol，PTP）基本原理一致，利用4個(gè)時(shí)間戳，通過發(fā)送數(shù)據(jù)包方式測(cè)量主從節(jié)點(diǎn)時(shí)間差，從節(jié)點(diǎn)根據(jù)時(shí)間差進(jìn)行時(shí)鐘相位調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)主從節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步。

主節(jié)點(diǎn)首先在 t₁ 時(shí)刻發(fā)送同步數(shù)據(jù)包，從節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到該數(shù)據(jù)包時(shí)刻為 t₂ 并進(jìn)行記錄存儲(chǔ)，隨后主節(jié)點(diǎn)將 t₁ 時(shí)刻時(shí)間戳發(fā)送給從節(jié)點(diǎn)。主從節(jié)點(diǎn)下行鏈路時(shí)延可以表示為：

delay_MS=t₂-t₁-offset_MS

其中， offset_MS 為主從節(jié)點(diǎn)時(shí)間差。從節(jié)點(diǎn)在 t₃ 時(shí)刻發(fā)送延遲請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，主節(jié)點(diǎn)記錄接收該數(shù)據(jù)包時(shí)刻為 t₄ 。從節(jié)點(diǎn)上行鏈路時(shí)延可以表示為：

delay_su=t₄-t₃+offset_MS

根據(jù)公式（1）和（2），上下行總時(shí)延為：

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

假設(shè)忽略上下行時(shí)延的不對(duì)稱性，

根據(jù)公式（1）和（4），主從節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘時(shí)間偏差為：

從節(jié)點(diǎn)根據(jù)計(jì)算得到的時(shí)間差，進(jìn)行時(shí)鐘相位動(dòng)態(tài)調(diào)整。

2.2無線時(shí)間同步樣機(jī)

無線時(shí)間同步設(shè)備開發(fā)方案如圖2所示，主節(jié)點(diǎn)可通過外部GNSS或者本地1PPS/B碼進(jìn)行授時(shí)。秒脈沖（1pulseper second，1PPS）通過馴服內(nèi)部晶振，獲得 10MHz 頻標(biāo)， 10MHz 與1PPS輸出相位鎖定。無線時(shí)間同步設(shè)備通過內(nèi)部時(shí)間碼（TimeofDay，TOD）模塊，對(duì)國軍標(biāo)或者美標(biāo)B碼進(jìn)行編解碼。主從節(jié)點(diǎn)通過 2.4GHz 頻段信號(hào)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。該無線時(shí)間同步設(shè)備支持多種時(shí)頻信號(hào)輸出，包括10MHz 頻標(biāo)、1PPS定時(shí)信號(hào)、國軍標(biāo)和美標(biāo)B碼、National Marine Electronics Association-ZDA 串口報(bào)文輸出。

3單波雙向WhiteRabbit光纖時(shí)間同步

3.1單波雙WhiteRabbit時(shí)間同步基本原理

WhiteRabbit在PTP協(xié)議基礎(chǔ)上對(duì)鏈路上下行時(shí)延進(jìn)行精確建模[3-4]。如圖3所示，鏈路下行時(shí)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(jié)點(diǎn)基帶板卡硬件電路和光路時(shí)延， δ_?MS 為光纖鏈路下行時(shí)延，Δ_?RXM 為從節(jié)點(diǎn)接收端電路和光路固定時(shí)延， ε_s 為從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換引起的隨機(jī)比特滑動(dòng)。鏈路上行時(shí)延可以表示為：

delay_SM=Δ_TXS+δ_SM+Δ_RXM+ε_M

圖2無線時(shí)頻傳遞模塊設(shè)計(jì)

圖3單波雙向WhiteRabbit鏈路延時(shí)模型

其中， Δ_rxs 表示從節(jié)點(diǎn)電路和光路時(shí)延， δ_sy 為光纖鏈路上行時(shí)延， Δ_?RXM 為主節(jié)點(diǎn)接收總的電路和光路固定時(shí)延， ε_u 為主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換引起的隨機(jī)比特滑動(dòng)。相比于傳統(tǒng)WhiteRabbit時(shí)頻同步技術(shù)，地下大空間光纖時(shí)頻同步，使用了單波雙向技術(shù)。通過利用密集波分復(fù)用技術(shù)（DenseWavelengthDivisionMultiplexing，DWDM）光模塊和光環(huán)形器，免去了光纖上下行時(shí)延不對(duì)稱系數(shù)標(biāo)定環(huán)節(jié)。假如忽略DWDM光模塊波長抖動(dòng)的影響，光纖上下行時(shí)延近似一致：

δ_MS=δ_SM

根據(jù)公式（3）（6）、（7）和（8），可以得到：

Δ_?RXM-Δ_?TXS+ε_s-ε_?M）

通過計(jì)算，主從節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘偏差為：

Δ_RXS-Δ_RXM-Δ_TXS+ε_S-ε_M）

3.2 WhiteRabbit時(shí)間同步樣機(jī)

基于WhiteRabbit開源IP核WhiteRabbitPTPCore- ?v4.2 版本[5]，研制WhiteRabbit光纖時(shí)頻同步樣機(jī)。使用XilinxKintex ^-7 系列 xc7k325tffg900-2 型號(hào)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）進(jìn)行邏輯開發(fā)。單波雙向WhiteRabbit主從DWDM光模塊中心波長為 1550.12nm ，數(shù)據(jù)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(shí)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(shí)頻同步設(shè)備樣機(jī)分別支持3路和8路時(shí)頻信號(hào)分發(fā)。該樣機(jī)支持10MHz、1PPS、美標(biāo)和國軍標(biāo)B碼以及NMEA-ZDA報(bào)文輸出，同時(shí)向下兼容網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NetworkTimeProtocol，NTP），可進(jìn)行樹形和星型網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1光纖時(shí)間同步性能

使用GNSS北斗衛(wèi)星接收機(jī)，為WhiteRabbit主節(jié)點(diǎn)提供 10MHz 、1PPS和TOD信息。將WhiteRabbit主節(jié)點(diǎn)通過 50km 光纖卷與另一臺(tái)從節(jié)點(diǎn)設(shè)備連接。經(jīng)過標(biāo)定后，使用時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器SR620測(cè)量主從節(jié)點(diǎn)1PPS時(shí)間差，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。1PPS時(shí)間差統(tǒng)計(jì)均值為 16ps ，標(biāo)準(zhǔn)差為 9ps 。對(duì)于地下大空間偽衛(wèi)星定位基站時(shí)間同步應(yīng)用場(chǎng)景，有線時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)能夠有效保證高精度定位結(jié)果。

圖4光纖時(shí)間同步性能

5結(jié)語

本文研究了地下大空間有線和無線混合時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于地下大空間高精度用時(shí)場(chǎng)景，利用WhiteRabbit光纖時(shí)間同步技術(shù)，通過在光域采用單波雙向技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)光纖上下行時(shí)延不對(duì)稱系數(shù)免標(biāo)定。在 50km 光纖距離下，實(shí)現(xiàn)均值為 16ps ，標(biāo)準(zhǔn)差為 9ps 的同步精度。對(duì)于一般精度用時(shí)場(chǎng)景，利用無線時(shí)間同步技術(shù)，在 30m 范圍內(nèi)，無線時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)能夠提供均值為 0.14μs 、標(biāo)準(zhǔn)差為 0.3μs 的無線時(shí)間同步精度，實(shí)現(xiàn)時(shí)頻信號(hào)無縫覆蓋。

4.2無線時(shí)間同步性能

為了測(cè)試地下大空間無線時(shí)間同步性能，將無線時(shí)頻同步從機(jī)1和2分別置于相距主機(jī) 30m 的位置。無線同步主節(jié)點(diǎn)使用WhiteRabbit節(jié)點(diǎn)進(jìn)行授時(shí)。為了測(cè)量無線時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)性能，無線時(shí)間同步主從節(jié)點(diǎn)均以WhiteRabbit光纖時(shí)間同步設(shè)備作為基準(zhǔn)，使用時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器測(cè)試WhiteRabbit設(shè)備和無線時(shí)頻同步設(shè)備的秒脈沖時(shí)間差。圖5描述了無線時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相對(duì)于WhiteRabbit光纖時(shí)間基準(zhǔn)的同步偏差。主機(jī)、從機(jī)1和從機(jī)2時(shí)間同步均值分別為 0.13μs，-0.14μs 和 -0.09μs 。標(biāo)準(zhǔn)差分別為 0.024μs.0.3μs 和 0.1μs 。選取較差場(chǎng)景，可以看到，在 30m 范圍內(nèi)，地下大空間無線時(shí)間同步網(wǎng)絡(luò)能夠提供均值為 0.14μs 標(biāo)準(zhǔn)差為 0.3μs 的無線時(shí)間同步精度。

圖5無線時(shí)間同步性能

參考文獻(xiàn)

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（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