水下信息传输网时间同步研究*

李东海，杨 帆

（解放军91404部队，河北 秦皇岛 066001）

0 引 言

随着人类科技的不断进步和对海洋探索的不断深入，水下信息传输网络平台的建设已经成为各国科学研究的重点。水下信息传输网主要是以特制光电复合海缆为通道，以各类主、次接驳盒为枢纽，将布放在海底的各种传感器和观测仪器连接起来，形成一个既能完成水下供电任务又能实现水下信息高效稳定传输的网络[1]。它具备统一的通信协议、标准的通信和供电接口，可对海底进行长期、连续、高效的实时观测和信息采集，将信息资源从下到上、从点到面更加紧密地结合起来，可综合应用于海洋资源开发、海洋自然灾害预防、科学研究及国防信息化建设等各个方面。水下环境复杂，网络所含节点、各类传输设备、观测仪器众多，网络覆盖面广。如果没有统一的时间同步标准，观测仪器采集到的数据传送到岸基时就失去了准确性和时效性；布放在不同区域、相隔几百米甚至几千米的节点之间，也没法做到信息的同步传输和实时的互联互通。只有针对水下信息传输网的特点，制定合适的、特定的时间基准，采集到的数据才有分析、研究和利用的价值。因此，关于水下信息传输网时间同步的研究在海底各设备的实时监测、采集信息的时效性与可利用性等方面具有十分重大的意义。

1 时钟源的分析与选取

以往的通信网在时间同步的解决方案上一般利用接收GPS时间信号来实现对系统的时间同步。这种模式可能在陆地上尚可运行，但在水下信息传输网中不具适用性，一方面水下环境特殊，施工和维护都非常困难，接驳设备空间也有限，难以加装GPS设备；另一方面，传输网部署在水下或者是海底，接收的GPS信号可能很薄弱、很不稳定，甚至接收不到GPS信号。因此，需通过在岸基接收时钟源信号作为整个水下信息传输网的主时钟，再通过系统网络达到时间同步。

当前，由于原理的不同，有很多不同的授时方式，主要有低频时码授时系统（BPC）、长短波授时系统（BPL、BPM）、卫星授时系统等。当前，卫星授时系统比较主流的又有全球定位系统（GPS）、我国的北斗卫星导航定位系统、俄罗斯全球导航卫星系统GLONASS以及欧盟一些国家联合开发的伽利略GALILEO系统等[2]。表1为不同授时方式的对比情况。

表1 不同授时方式的对比情况

由表1可知，低频时码授时系统和长短波授时系统由于只需要接收无线信号，用户设备设计相对简单，所以成本较低。但是，由于无线信号受到距离、天气条件、大气电离层条件、气候季节变化等因素影响，时常出现接收到的信号弱或接收不到信号的情况，导致其无法保证可靠性。此外，这2种授时方式的授时精度只能达到毫秒级和微秒级。作为要在整个水下信息传输网中进行同步的时钟源，其精度是不够的。反之，在卫星授时系统方面，它的授时精度能达到纳秒量级，其中北斗能达到百纳秒级，GPS则更高，能达到十纳秒级。这是卫星授时是最常用的授时方式的最重要原因。但是，GPS不由我国自主控制权，其在安全性和可控性方面都存在着很高的安全隐患。相比之下，北斗则是由我国自主研发、拥有自主控制权的卫星系统，拥有稳定、精度高、可控、安全等特点。考虑到水下信息传输网的应用场景和用途，北斗最适合作为水下信息传输网的时钟源。

2 OTN时间同步方式的分析与选取

水下信息传输网中，核心层采用OTN技术传输数据和业务。因此，如何在OTN中实现时间同步，成为水下信息传输网时间同步的关键。一般来说，在OTN中实现时间同步的方式有3种[3]，特点如表2所示。

表2 不同同步方式详细对比表

由表2可以看出，带外OSC方式和带内ESC方式相比于透明传输方式来说，都能提供较高的时间同步精度。但是，这2种方式都需要对现有OTN设备进行改造，尤其是带内ESC方式，且还存在标准不统一的问题。由于水下环境的复杂性和特殊性，无论在成本上还是在工程实施上，这都是很棘手的问题。此外，透明传输方式是简单的将PTP报文信号作为OTN的业务来承载，实行透明传输，无须进行任何其他改造或者外加接口，传输过程简单。因此，在水下信息传输网中，采用透明传输方式来实现OTN的时间同步。

3 水下信息传输网时间同步系统方案设计

水下信息传输网按设备上大体上可以分为岸基站设备层、主接驳盒设备层、次接驳盒设备层以及各类水下传感器设备层。在传输上，它又可分为核心层、汇聚层和接入层3个层面，再加上水下信息传输网接入设备多样，用途广泛。例如，作为时钟源的岸站设备层不仅要求精度高，而且要长时间稳定运行；而接驳盒中对电能分配控制、状态的监控信息的处理只需达到毫秒级别即可，所以对系统设置不同级别的同步精度，增加系统同步方式灵活性，有利于减少系统设备的繁杂度和整个系统的顺畅运行。

当前，最主要的网络时间同步技术主要集中在NTP（Network Time Protocol）技术和PTP（Precision Time Protocol）技术的研究上[4]。

3.1 NTP技术概述

NTP技术是由美国的Delaware大学的David L.Mill提出的，主要应用于计算机网络同步。经过多年不断的发展和改进，它现已发展到NTPv4版本[5]。它是从时间协议（Time Protocol）、ICMP时间戳消息及IP时间戳选项演变来的一种网络时间协议，主要工作在多播模式、客户端/服务器模式、对称模式下。其中，客户端/服务器模式时间同步精度最高，被广泛应用于大型的广域网或者局域网中。NTP能实现的时间精度一般在毫秒级[6]。图1为NTP工作在客户端/服务器模式下的原理图。

图1 NTP同步原理

如图1所示，客户端以特定的周期在时刻T1向服务器发送带有时间戳T1的NTP报文。服务器在T2时刻接收到后，随即给报文加上时间戳T2。T3时刻将带有T3时间戳的报文反馈给客户端，客户端于T4接收到此报文，并加上时间戳T4。那么，客户端与服务器之间的时间偏移量可以表示为：

客户端与服务器之间的路径延迟可以表示为：

关于NTP协议的报文格式、网络体系结构、过滤算法等详细内容，在RFC-1305[7]中都有很全面的规定。

3.2 PTP技术概述

PTP（Precision Time Protocol）是一种精确时间协议，一般又称为IEEE1588协议。随着技术的发展进步，越来越多的局域网、工业控制网需要更精确的时间同步精度。而它的产生正是为了满足NTP协议所达不到的高时间精度需求，加上一定的硬件支持，时间同步精度可以达到微秒级别。

基于IEEE1588协议的时间同步系统中的每个节点（设备）都拥有自己的时钟，一般分为普通时钟和边界时钟两类，也有主、从时钟之分。这些时钟按照特定的周期向网络内的其他节点发送加了时间戳信息的数据包，通过互联互通的网络，达到使整个系统的时间同步。

PTP协议工作在主从模式，主要通过定义的4种时钟报文类型——Sync（同步报文）、Follow_Up（跟随报文）、Delay_Req（延迟请求报文）和Delay_Resp（延迟请求响应报文）进行工作。它同步过程分为两个阶段：一是主从时钟之间的时间偏移量的测量阶段；二是网络延时的测量阶段[8]。它的同步原理，如图2所示。

图2 PTP同步原理

主从时钟偏移量测量阶段，主时钟于Ts1时刻向从时钟发送同步报文Sync（通常是周期性的），同时记下Ts1并放入随后发出的跟随报文Follow_Up中，从时钟接收到同步报文Sync并记下时刻Tr1；则主从时钟的时间偏移便可以表示出来，记为Oあset。

主从时钟网络延时测量阶段，主要是来测量主从时钟之间在传输过程中的时间延迟，即Delay。从时钟向主时钟发送一个延迟请求报文Delay_Req（非周期性的），并记下发送时刻Ts2。当主时钟接收到延迟请求报文时，记下时刻Tr2，然后再将Tr2作为时间戳加在延迟请求响应报文Delay_Resp上发往从时钟。从时钟接收到时间信息Ts2和Tr2之后，便可以表示出网络延时误差，记为Delay。因此，最终得出时间偏移和网络延时的公式为：

综合考虑，NTP协议是软件同步协议，不需要硬件的支持，虽然精度相对较低，但是在水下信息传输网中，由于接驳盒、海底观测仪器等水下设备的安装空间有限，且有的功能和业务也不需要很高的时间精度，所以可以利用NTP协议实现一些低精度的同步。另外，也对接驳盒和观测仪器加装PTP端口，满足其他业务的高精度同步需求。所以，水下信息传输网采用NTP和PTP结合使用的方式来实现同步。

3.3 水下信息传输网时间同步方案

水下信息传输网的时间同步总体架构，如图3所示。

图3 水下信息传输网时间同步总体方案

3.3.1 岸基层面。

岸基在时间同步系统中主要担当时钟源和下放时钟的作用。因此，它的稳定运行是时间同步的基础。为保证可靠性，设计时除了选用北斗卫星系统作为主时钟源，也要选用其他手段作为备用时钟源。它的同步过程如下。

岸基时钟应设计相应的主控制模块来选择时钟。一般情况下，采用北斗卫星系统作为主时钟源，岸站北斗授时设备接收北斗授时信号。当北斗授时出现异常时，应内置高精度的OCXO（恒温晶体振荡器）作为发生异常情况时的备用时钟源，以保证授时系统的可靠性。岸基站对接收到的时间信号进行信息处理后，向下输出NTP信号和PTP信号。这些信号与岸基站其他信号（控制命令等）一起进入到岸基的OTN设备中进行透明传输。

3.3.2 接驳盒层面

这一层面的时间同步既要保证接驳盒内部各种监测信号的实时性，以便岸基能及时获得第一手监测数据并进行分析，从而掌握接驳盒的运行情况，又要为从岸基下方的高精度时间信号能顺利在远距离传输后，顺利通过主、次接驳盒，达到观测仪器时不降低其精度提供保障。它的同步过程如下。

NTP信号和PTP信号通过OTN的透明传输，经由水下光电复合缆传输至主接驳盒内的OTN设备中。同时，在接驳盒内实现光电转换。接驳盒里的相应控制模块可以对已经转换为电信号的NTP信号和PTP信号进行选择性处理，根据不同的业务需求，既可以选择同步精度低的NTP信号来实现毫秒级的同步，也可以选择PTP信号实现微秒级的同步。比如，对接驳盒内关于温湿度信号、电压和电流信号等监控信息的传输，对实时性要求不高，毫秒级即可满足需求，完全可以采用同步NTP信号的方式实现此类信息的时间同步。同时，主接驳盒通过电缆及相关网络接口继续将这两种电信号形式的时间信号下放到次接驳盒内。在次接驳盒内，同样也有控制模块来控制要同步的时间信号，实现对应的功能。此外，在次接驳盒内，需要将NTP信号和PTP信号通过网络交换设备来输出时间脉冲信号，将时间信号下发到最后的接入层中的观测仪器中去。

3.3.3 观测仪器层面

这些观测仪器承担着测量、监测水下信息的重大任务，尤其是海底。海底由于人类生理的局限性，一直是难以探知的领域。但是，随着诸多海底观测仪器的发明，通过一些实时的测量数据，海底得以简便地呈现在人类面前。因此，根据观测仪器的功能不同给各种不同的信号加上不同精度的时间戳，对于岸基的数据分析来说将会变得更加便利，同步过程如下。

由于观测仪器的多样性，它在网络接口、数据格式、精度等方面都有不同的要求。因此，为满足多样化需求，对输出到观测仪器中的时间信号，不再是单一的PTP信号和NTP信号。经过远距离传输的时间信号在经过次接驳盒中的网络交换模块时，通过控制模块使之输出不同类型的时间信号，如串口同步信号（RS422RS232RS485）、PPS秒脉冲信号、IRIG-B时间信号等[9]，如此便可根据观测的对象、仪器的设计、综合成本等实际因素，实现“对症下药”式的时间同步。精度要求不高的仪器，可以像接驳盒内的模块一样选择直接同步NTP信号，实现毫秒级的同步；精度高的仪器可以利用PPS信号、IRIG-B等时间信号与NTP协议协同工作，来对在格式方面有要求的仪器实现不同精度级别的同步。同样，通过在仪器内放置PTP从时钟，与岸基PTP主时钟协同获得串口同步信号（RS422RS232RS485），以满足不同接口仪器的同步需求。如图4所示。

图4 观测仪器中时间同步

4 结 语

本文详细分析了水下信息传输网的特点，提出了一种适用于水下信息传输网的时间同步方案，能为多样的水下观测仪器提供多种时间同步信号，从而可根据实际情况实现毫秒级、微秒级等不同精度的时间同步。本文尚未对方案进行实验测试或者仿真研究，可在下一步研究中进行，也可从时间协议算法、硬件设计、OCXO稳定性方面进行研究，从而优化时间同步方案。

参考文献：

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