时间同步系统的组成及特点

一、时间同步系统简介

时间同步系统一般是基于协调世界时（UTC）组建的时间频率同步系统。时间同步系统分为：基于TDM传输的硬件时间同步系统；与基于IP传输的软件时间同步系统。以下主要讨论时间同步系统。

在计算机网中收、发端之间无需时钟同步，但在计算机网中的很多应用需要有统一的时间。每台计算机都有自己的时间,并且是可以调节的。一般情况下，很难保证网络中各计算机节点具有相同的时间。但网中一些时间敏感的应用项目，对计算机的时间精确度以及计算机之间的时间同步，提出了非常严格的要求。为此，网络中有时间要求的各节点设备需要同步到同一个基准时间上。

时间同步系统的应用举例如下：

（1）IP包传送后会造成失序，可在发送端对发送的IP包分别打上时间戳，在接收端按时间戳进行重新组合。

（2）电子商务的交易经常发生在不同的城市，其交易数据中时间信息十分重要，这就要求各主机保证正确的时间以确认交易的次序。

（3）在CDMA移动通信系统中依靠基站扩频地址码不同的时间偏置，用来区分不同的基站。

（4）在电力、航空、军事、铁路的调度指挥中有很精确的时间要求，若出现命令与执行的时间产生偏差，可能会造成重大事故。

二、时钟与时间同步系统的异同

2.1同步系统的相同点

（1）具有相同的基准时钟源，例如：原子钟、GPST、高稳定度石英振荡器等。

（2）上下级采用主从同步方式。

（3）输出信号均具有稳定度与精确度的要求。

2.2同步系统的不同点

（1）时钟同步系输出为高稳定度、连续的振荡的频域信号；而时间同步系统则定时（例如每隔1秒）输出含标准时间（年、月、日、时、分、秒、毫秒）的时域信号。

（2）时钟同步系统采用TDM电路传送同步时钟信号；时间同步系统可采用TDM或IP电路传送时间同步信号。

（3）目前时钟同步采用硬件同步方法；时间同步可采用硬件或软件同步方法。

三、时间同步系统技术基础

3.1时间的概念

世界时系统

世界时系统是以地球自转运动为基准的时间系统。由于观察地球自转时所选择空间参考点的不同，世界时系统又分为平太阳时和世界时。

平太阳时是地方时，地球上各地点的平太阳时不同。为了使用方便，将地球按子午线划分为24个时区，每个时区以中央子午线的平太阳时为该区的区时。零时区（格林威治）的平太阳时称为世界时。由于地球自转速度是不均匀的，因此世界时不是一个严格均匀的时间系统。

原子时系统

原子时系统通常包括原子时、协调世界时和GPS北斗卫星时间系统三种

原子时

原子秒定义为：铯原子133原子基态两个超精细结构能态间跃迁所辐射的电磁振荡9192631770周所经历的时间，为1原子秒。原点取1958年1月1日的世界时，称为国际原子时。原子秒的稳定性很好，最高精度可做到±1s/500万年（6.342×10-15）的水平。

协调世界时（UTC）

原子时虽是秒长均匀、稳定度很高的时间系统，但与地球自转无关。世界时虽然不均匀，但与地球自转精密相关。原子时的秒长与世界时的秒长不等，大约每年差1秒。为了协调原子时与世界时的关系，建立了一种折衷的时间系统，即为UTC。

根据国际规定，UTC的秒长采用原子时的秒长，原点定在1980年1月6日0时，其累计时刻与世界时刻之差保持在0.9s之内，当超过时，采用跳秒（闰秒）的方法来调整。目前，世界各国发布的时间，均以UTC为基准。

GPS北斗卫星时间系统

为了定位的需要，GPS北斗建立了专用的时间系统（GPST和BDT），GPST和BDT都属原子时系统，秒长与原子秒一致，计时与UTC一致。

可见，使用UTC作为同步的时钟基准，具有最大的公信力，而采用GPS北斗卫星系统获得精确的UTC及北京时间，又是最为经济、便捷的方法。

3.2时钟的稳定度与精确度

时钟稳定度（亦称精度）为一段时间内时钟的走时误差；时钟精确度为该时钟与标准时间（我国为北京时间）之间的误差。例如，有一块表每天快慢在1s之内，则该表日稳定度为±1s/d。假设该表的使用者每天对一次表（校时），则该表的精确度为±1s/d或±1s/y。可见，时钟的精确度取决于其稳定度和校时的频度。

时钟稳定度常用相对值来表示，例如：时钟日稳定度为±1s/d，可表为：1s/24h×60min×60s=1.157×10-5/d。时钟稳定度用相对值来表示时无时间单位，通常前面省去±符号，在不注明测量时长时，一般系指长期（年）稳定度。

人们日常使用的电子钟、表，其驱动源均为晶振。时钟的精度等于驱动时钟的晶振精度。例如：某时钟精度为±1s/d其精度为1.157×10-5/d。若该时钟晶振频率为1MHz，则其日频率变化小于1.157×10-5×106Hz=11.57Hz。

四、时间同步系统分类

4.1硬件时间同步系统

硬件时间同步系统，利用硬件设施接受GPS时标（时间标准）信号进行时间同步，GPS时标信号的精确度在±5×10-8s以上，采用TDM方式传输时间同步信号。

硬件时间系统亦称为子母钟系统，通常用于航空、铁路、港口、电厂、广电等部门，现以地铁时钟系统为例进行介绍。地铁时钟系统按控制中心一级母钟和车站二级母钟两级组网方式设置，系统主要包括：GPS信号接收单元、控制中心一级母钟系统、车站二级母钟、时间显示单元（简称子钟）、接口设备等构成。

硬件时钟系统采用主从同步方式。中心一级母钟接收并同步来自GPS卫星的时标信号，并为其他各机电系统（例如：信号系统、指挥调度系统、自动售检票系统等）提供时标接口。一级母钟通过传输线路向各车站的二级母钟传送时标信号，同步二级母钟，由二级母钟驱动站内各子钟，从而使地铁全线执行统一的时间标准。

4.2软件时间系统

软件时间系统通常用于计算机网络节点间的时间同步。目前最常用的是网络时间协议（NTP）。

网络时间协议（NTP）可以估算消息包在网络中的往返时间，以及计算机之间的时钟偏差，把计算机的时间同步到某个时间服务器上。当前，授时网站提供的时间的精确度通常在广域网上为数十毫秒，在局域网上则为亚毫秒（10-3～10-6s）级或更高。NTP的应用越来越广泛，在互联网上工作的时间服务器已超过十万台。

NTP通常以客户机/服务器模式进行授时。如图1所示，客户机发送一个请求数据包，时间服务器接收后回送一个应答数据包。两个数据包都带有收发时间戳，根据这四个时间戳，可用来计算客户机与时间服务器之间的时间偏差和网络时延。

图1 NTP时间同步算法示意图

在图1中：

·T1为客户机发送查询请求包的时刻；

·T2为服务器收到查询请求包的时刻；

·T3为服务器回复时间信息包的时刻；

·T4为客户机收到时间信息包的时刻。

根据上述4个时间戮可解得服务器和客户机之间的时间偏差θ，以及两者之间的单程网络传输时间δ：

θ=[（T2-T1）-（T4-T3）]/2

δ=[（T2-T1）+（T4-T3）]/2

据此，客户机可根据所接收T4时间戳中的时标信息，以及根据4个时间戳，计算出θ与δ，用以调整本地时钟。

五、时间同步系统的发展展望

目前在计算机网上，基于NTP传输的时间标准信息精度太低，无法满足一些具有高精度定时需求的应用。因此采用IEEE1588-PTP精密时钟协议是大势所趋，西安同步电子科技有限公司研制的SYN4505A型时钟同步系统，具有NTP/SNTP/PTP精密网络授时功能，已经在电力行业、科研院所、测控行业大面积使用，是未来基于网络对时的新一代时间同步系统。