分布式卫星通信系统时间统一的设计与实现

李娟娟,李 淼,张宇航

(中电防务科技有限公司,江苏 南京 210000)

0 引言

在现代卫星通信运用中由于地域辽阔甚至涉及全球,不可能由单台设备完成作战任务,需要有多台设备甚至多个系统来完成通信任务。 要使所有设备协调工作,得到准确交互数据信息,就需要一个统一的时间参考。 在异地分布式卫星通信系统中,各节点之间的时间同步是一个重要的问题,涉及系统的多个层面。 各级节点间如果时间偏差过大会对系统消息事件显示、系统性能分析统计及系统管理造成影响甚至造成系统运行混乱。 各级系统必须有严格统一的时间标准,时间的统一性和精确度是系统内软硬件设备正常工作和交互的前提[1]。 要实现系统的时间统一首先需要精确的时间源。 时间源面向通信系统提供具有溯源唯一性的参考时间。 有了时间源,要实现多地系统内及系统间的时间统一,需设计时间统一软件完成系统间和系统内部多设备的时间统一。

1 多节点通信系统时间统一实现方法设计

1.1 时间源的选择

完成时间统一的工作离不开授时和定时两个重要部分。 以有线或者无线方式将时间信息从时间源传递到用户端的过程统称授时;接收时间信号并设置本地时间使其和授时端发布的标准时间信息相一致的过程统称定时。 根据授时的方式不同,可以分为短波、长波、卫星和其他方式授时/定时,此外高精度原子钟也是精确计时的常用手段,日常时间同步中有时也使用服务器本身时间作为时间源。

相比较短波授时和长波授时,卫星授时由于卫星与用户之间传播的无线电波是直达波,不像短波和长波传播的无线电波是依靠电离层的发射和折射,它受大气折射的影响小,因此精度比较高。 卫星授时由于覆盖面广、精度高以及相对成本较低的特点近年来得到广泛应用。 中国自主研制的“北斗三号”卫星导航定位系统采用高强度加密设计,安全、可靠且稳定,统覆盖中国及周边国家和地区24 h 全天候服务,无信号盲区,且北斗授时精度已达纳秒级。

原子钟是目前最精确的时间和频率标准设备,在计量学中称其为频率标准器具。 在原子钟里铷原子钟具有体积小、重量轻、功耗低、技术难度较低、可靠性高等优势。

时间源各选择中,卫星授时和原子钟授时具有可行性、经济性、先进性,长短波授时已不是现今主流的授时方式,不利于以后的扩展。 因此,本系统采用北斗授时设备和铷原子钟两种时统设备作为标准时间来源,平时主用北斗授时设备作为时钟源,铷钟用来守时,当北斗卫星授时失效时,铷钟能够实现对卫星授时失效前的时间实现自守时,北斗授时设备的精度已达ns 级,铷原子钟守时可实现一年内无卫星授时的情况下误差不超过5 ms。

1.2 时间同步方案设计

1.2.1 时间同步模式选择

在卫星通信网中实现时间同步需要一个时间同步服务器,网络内的其他设备及终端从时间同步服务器获取时间信息。 网络时间同步有3 种实现方式。

(1)客户端/服务器模式。 服务器时间为基准时间,客户端的时间被服务器端同步,但服务器端不能被客户端同步。 这种模式下,时间基准方是固定的。

(2)对称模式。 时间同步双方均可作为服务器端或客户端,先发出申请建立连接的一方工作在服务器模式下,另一方工作在客户端模式下,客户端的时间被服务器端同步。 这种模式下时间基准方不固定。

(3)广播模式。 广播模式采用一对多的同步方式,服务器不管客户端的连接状态,时间源服务器以固定的时间周期广播自己的时间信息,客户端通过广播接收到时间信息,直接使用接收到的时间信息设置自己的本地时钟,而忽略时间偏差和网络延迟。

相较于前两种模式,广播模式的时间同步误差相对较大,对时间精度要求较高的系统应采用服务器/客户端模式进行时间同步。 本系统采用服务器/客户端模式。

1.2.2 客户端/服务器端时间同步原理

时间同步双方通过发送时间同步数据报文,在客户端和服务器间的通信完成时间信息同步[2]。 下面以一次同步过程介绍其工作原理,过程如图1 所示。

图1 服务器/客户端时间同步示意

时间同步双方客户端A 和服务器端B 通过有线或无线建立连接。

(1) A 向B 发送时间同步数据报文,数据包中包含报文发出时的时间戳T1;

(2) B 接收到报文数据后解析并记录到达时间戳T2;

(3) B 向A 发送确认应答报文,报文包含T1、T2、T3,其中T3为B 发出报文的时间戳;

(4) A 收到B 返回的报文数据,解析并记录收到的时间戳T4。

假设Toffset为客户端A 和服务器端B 之间的时间偏差[3],Tdelay1,为A 向B 发送时间同步请求的传输时延,Tdelay2为B 向A 返回确认报文的传输时延,可得出:

从式(2)可以看出,客户端和服务器端时间偏差Toffset和双方报文传输时延Tdelay只与T2-T1的差值及T4-T3的差值有关[4],与T2、T3之间的差值无关,即时间同步结果与服务器端解析处理报文所用时间无关。根据式(2)中Toffset的计算方式,利用4 个时间戳,可得出客户端与服务器端之间的时间偏差,客户端根据计算结果调整自身本地时间。 另外,在本系统中即使同时多个设备同时发送时间同步请求导致服务器端反应速度减慢,也不会影响时间同步精度[5]。

1.3 时间统一软件设计

系统各个节点可能部署于全国各地,因此必须考虑各地节点之间时间同步问题。 在卫星通信系统中整个系统提供一个统一的基准时间,各地系统节点维护自己的内部时间源,用于对系统内的各设备时间统一。系统各地网络节点根据时间同步的方式(手动同步/自动定时同步)向统一基准时间进行时间同步,来调整节点内维护的时间源信息,以达到各个节点的时间源和系统统一基准时间保持一致。 本文中,卫星网络通信管理系统中提供统一基准时间的节点为系统一级节点,其他节点均为下级节点。

任意下级节点时间统一软件可向一级节点发起时间同步,根据一级节点的基准时间信息调整其维护的当前节点时间源信息。 在本系统中,一级节点为服务器端,所有下级节点均为客户端。

1.3.1 功能组成

时间统一软件主要是为了系统内各节点的时间统一,时间统一软件包括时间同步和时间校准两个功能模块,如图2 所示。

图2 时间统一软件功能组成

时间同步功能负责下级节点时间源向一级节点时间同步确保各级时间源信息一致,以及对系统节点内管辖的服务器及设备的时间进行同步,从而实现全网时间统一。

时间校准负责自动检查当前节点维护的本地时间源和一级基准时间服务器之间的误差,当误差达到预设的阈值时能够自动进行告警,同时向操作台发送告警信息。

1.3.2 模块设计

1.3.2.1 时间同步

系统根据时间同步的方式(手工和定时自动)调整本节点维护的时间源服务器时间信息,使系统内各个节点的时间源和基准时钟源服务器保持统一。 节点内任意设备作为客户端发起时间同步请求,时间源服务器端返回时间信息,客户端根据返回的时间信息调整本地操作系统时间。 同时下级节点时间源服务器端作为客户端定时和一级基准时钟源服务器进行时间同步。

时间统一软件通过有线或无线的方式向管辖范围内的服务器/卫通设备进行时间同步。 时间统一软件接收高精度外部时钟信号作为整个网络的基准时间。下级节点对于一级时间统一软件来说作为客户端等待一级服务器反馈相关报文,从而完成同步过程。 时间信息同步方式通过服务器/客户端模式。 各级节点时间同步过程如图3 所示。

图3 时间同步过程示意

在本系统中时间同步分以下两个步骤:

(1)下级节点的时间源服务器作为客户端向一级节点的基准时间服务器请求时间同步获取本节点的标准时间;

(2)本级节点内的设备向本节点的时间源服务器请求时间同步。

通过以上步骤可实现全系统时间同步,客户端和服务器端时间同步流程分别如图4—5 所示。

图4 客户端程序流程

1.3.2.2 时间校准

时间校准功能能够自动检查当前节点维护的本地时间源和一级时间同步服务器之间的误差,当达到预设的阈值时能够进行时间告警,同时向综合管理发送一条告警信令。

时间校准的流程如图6 所示。 时间校准过程为:

图6 时间校准流程

(1)设定时间误差阈值为t,设定时间检查周期T;

(2)每个时间检查周期本地时间与标准时间之间的差值,若超过阈值t则发送告警信令并纠正本地时间。

1.4 时间同步误差测试

图5 服务器端程序流程

本系统中各下级节点的基准时间都是从一级节点获取,因此计算时统设备到终端的时间同步误差得出系统最大误差值。 时间从授时设备到终端共经历4 各阶段:北斗授时阶段、一级时间基准服务器到下级时间源服务器时间同步、时间源务器到网控设备时间同步、网控设备到终端时间同步。 计算这4 个阶段的时间误差即可得出系统时间统一最大误差。 测试网络搭建如图7 所示。

图7 时间同步测试网络

通过搭建测试网络,经实测得出测试数据如下表1所示。

表1 时间统一时间误差分析

测试数据表明,在终端具备时间校准能力的前提下,全网时间同步最大误差为26～75 ms。

2 结语

本文介绍的多节点分布式卫星通信系统时间统一方案适用于无线卫星网络和有线网络混合使用的多地、多节点且节点内多设备的时间统一。 本系统通过两步法实现全网时间统一。 第一步,各下级节点选定的时间源服务器向一级节点基准时间服务器进行时间同步;第二步,节点内各设备向本节点的时间源服务器进行时间同步。 通过两步法避免了所有设备都向一级节点进行时间同步导致的网络拥塞和一级节点的时间基准服务器处理压力过大,同时也避免了由于一级节点时间基准服务器故障可能造成的全网时间错乱。 两步法的时间统一方案兼顾了可靠和高效。