龔光華,李鴻明

(清華大學(xué) 工程物理系,粒子技術(shù)與輻射成像教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)

基于光纖以太網(wǎng)的高精度分布式授時(shí)技術(shù)

龔光華,李鴻明

(清華大學(xué) 工程物理系,粒子技術(shù)與輻射成像教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)

White Rabbit(WR)時(shí)鐘同步技術(shù)是綜合了同步以太網(wǎng)、精密定時(shí)協(xié)議(IEEE1588 v2)和數(shù)字相位測(cè)量技術(shù)而發(fā)展的分布式同步授時(shí)技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)千米范圍內(nèi)多節(jié)點(diǎn)亞納秒精度的時(shí)鐘分發(fā)。該技術(shù)兼容標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議,不占用額外網(wǎng)絡(luò)帶寬,與數(shù)據(jù)鏈路直接集成,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低。介紹了White Rabbit技術(shù)的基本技術(shù)原理及初步應(yīng)用方法,并給出了各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的測(cè)試結(jié)果。采用White Rabbit能很好地解決各種長(zhǎng)距離多節(jié)點(diǎn)高精度授時(shí)需求,能夠作為地基增強(qiáng)導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵支撐技術(shù)。

分布式同步;分布式授時(shí);同步以太網(wǎng);White Rabbit

0 引言

時(shí)間統(tǒng)一[1]和分布式授時(shí)系統(tǒng)[2]在電信、電力系統(tǒng)、交通運(yùn)輸、金融等國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)相關(guān)領(lǐng)域有著廣泛需求,已經(jīng)發(fā)展出了基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、路基無線電系統(tǒng)及有線授時(shí)等多種手段[3]。

在科學(xué)研究領(lǐng)域也面臨著在多節(jié)點(diǎn)的精確時(shí)間同步要求。面對(duì)大型粒子加速裝置控制和大規(guī)模高海拔宇宙線觀測(cè)實(shí)驗(yàn)[4]的要求,開發(fā)了一種基于光纖以太網(wǎng)技術(shù)的高精度分布式授時(shí)技術(shù)(White Rabbit技術(shù)，WR技術(shù))[5],能夠在寬廣的空間距離(lt;10km)實(shí)現(xiàn)上萬個(gè)節(jié)點(diǎn)間的亞納秒精度時(shí)間同步[6-7]。該方法可有效應(yīng)用于長(zhǎng)距離多節(jié)點(diǎn)高精度授時(shí)場(chǎng)合,還廣泛應(yīng)用于分布式網(wǎng)絡(luò)測(cè)控[14]、時(shí)間統(tǒng)一系統(tǒng)[1]、工業(yè)自動(dòng)化控制、分布式基站和遠(yuǎn)端射頻系統(tǒng)[11]、電力電網(wǎng)同步、自適應(yīng)陣列天線、多基地雷達(dá)、室內(nèi)定位等多種場(chǎng)合。

1 WR高精度實(shí)時(shí)同步以太網(wǎng)技術(shù)

WR綜合了同步以太網(wǎng)、PTP精密時(shí)鐘協(xié)議和數(shù)字鑒相技術(shù)等多項(xiàng)成熟技術(shù)。同步以太網(wǎng)(Synchronous Ethernet,Sync-E)保證在全網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有的時(shí)鐘都以共同的頻率運(yùn)行,即時(shí)鐘諧振;PTP精密時(shí)鐘協(xié)議(IEEE 1588)[8]是標(biāo)準(zhǔn)化高精度網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步協(xié)議,但是受限于時(shí)鐘的周期,其同步精度不可能優(yōu)于時(shí)間周期;數(shù)字鑒相器通過測(cè)量時(shí)鐘的相位,從而提高系統(tǒng)的精度,使系統(tǒng)的同步精度達(dá)到亞納秒級(jí)。

1.1 WR網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

WR完全兼容標(biāo)準(zhǔn)千兆以太網(wǎng)協(xié)議,具有低成本、高帶寬、高可靠性和靈活拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等特點(diǎn)。WR同步網(wǎng)絡(luò)主要包含三部分:外部參考時(shí)鐘源、WR交換機(jī)和WR節(jié)點(diǎn)。一個(gè)典型的WR網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示[5]。

圖1 White Rabbit同步網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of White Rabbit synchronized network

WR交換機(jī)完成時(shí)鐘的跨界同步,類似于PTP協(xié)議中定義的邊界時(shí)鐘(boundary clock),一方面作為從時(shí)鐘與上級(jí)時(shí)鐘進(jìn)行同步,另一方面作為主時(shí)鐘與下級(jí)時(shí)鐘進(jìn)行同步。WR時(shí)鐘同步過程包含兩部分,一是頻率同步,二是表征絕對(duì)時(shí)刻信息的時(shí)間同步,頻率同步是通過同步以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的,PTP協(xié)議和DDMTD實(shí)現(xiàn)了納秒級(jí)時(shí)間同步。

在WR網(wǎng)絡(luò)中,所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘最終都溯源同步到外參考時(shí)鐘。簡(jiǎn)單應(yīng)用中,可以使用頂層交換機(jī)的內(nèi)部振蕩器和時(shí)間信息作為全網(wǎng)絡(luò)參考頻率和參考時(shí)間;而高精度應(yīng)用中,可以使用獨(dú)立的外部參考時(shí)鐘,例如使用銣原子鐘或銫原子鐘作為外部頻率參考,使用GPS/北斗接收器或長(zhǎng)短波授時(shí)裝置作為外部時(shí)間參考,既能提高WR網(wǎng)絡(luò)內(nèi)頻率與時(shí)間信息的精度,也提供了多個(gè)WR網(wǎng)絡(luò)間同步的手段。

1.2 IEEE 1588精密時(shí)鐘協(xié)議

精確時(shí)鐘協(xié)議(PTP)是為本地網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的(IEEE 1588)標(biāo)準(zhǔn)化高精度時(shí)鐘協(xié)議,其主要目的是在以太網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的同步精度。與專用時(shí)鐘同步系統(tǒng)不同,PTPv2的定時(shí)鏈路與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈路復(fù)用,避免為定時(shí)功能增加額外通信鏈路的開銷。PTPv2定義了一種主從結(jié)構(gòu)的時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò),即所有從節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘需要與其參考的主節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步。這種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的時(shí)鐘同步通過交換帶有時(shí)間戳的網(wǎng)絡(luò)包實(shí)現(xiàn),如圖2所示。

·主端周期性發(fā)送SYNC報(bào)文,記錄發(fā)送時(shí)刻為t1,并將此t1時(shí)間戳通過FOLLOWUP報(bào)文發(fā)送給從端;

·從端接收SYNC報(bào)文,并記錄接收時(shí)間為t2,從端接收FOLLOWUP報(bào)文,獲得t1時(shí)間戳;

·從端發(fā)送DELAY_REQ報(bào)文,并記錄本地發(fā)送時(shí)刻t3;

·主端接收DELAY_REQ報(bào)文,記錄接收時(shí)刻t4,并通過DELAY_RESP報(bào)文發(fā)送給從端;

·從端接收DELAY_RESP報(bào)文,獲得t4時(shí)間戳,利用t1、t2、t3、t4計(jì)算出主從端的時(shí)間差,并調(diào)整本地的時(shí)間。

圖2 PTP同步機(jī)制Fig.2 PTP synchronization protocol

可以看出,PTP時(shí)鐘同步的準(zhǔn)確度很大程度上取決于4個(gè)時(shí)間戳的準(zhǔn)確度。然而在以太網(wǎng)中包傳輸?shù)难訒r(shí)并不是確定的,應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)或網(wǎng)卡均有可能引入不確定的延時(shí),從而降低時(shí)間戳的準(zhǔn)確度。因此若要獲得較高精度的同步結(jié)果,時(shí)間戳需要在網(wǎng)絡(luò)物理層處理。即使如此,PTP也很難實(shí)現(xiàn)亞納秒級(jí)的時(shí)鐘同步,其局限性主要體現(xiàn)在:

1)所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘都是獨(dú)立運(yùn)行的,各自的振蕩器頻率存在一定偏差,為了避免主從節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)較大的時(shí)間偏差,同步報(bào)文交換的頻率必須足夠高以及時(shí)補(bǔ)償偏差,這給通信鏈路帶來了較大的負(fù)荷。

2)主從時(shí)鐘的偏差是基于時(shí)間戳計(jì)算的,其精度受限于時(shí)間戳的分辨率。例如千兆以太網(wǎng)的鏈路驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘頻率為125MHz,其時(shí)間分辨僅為8ns。

3)未考慮傳輸介質(zhì)的非對(duì)稱性,假設(shè)收發(fā)鏈路是完全對(duì)稱的。

WR在完全兼容PTPv2協(xié)議的基礎(chǔ)上,采用物理層時(shí)鐘分布技術(shù)、全數(shù)字雙混頻鑒相器以及WR同步鏈路模型分別克服以上三點(diǎn)局限性,將同步準(zhǔn)確度提升至亞納秒級(jí)[13]。

1.3 物理層時(shí)鐘分布技術(shù)

WR基于千兆以太網(wǎng)物理層實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘分布。物理層時(shí)鐘分布的原理與SONET/SDH的頻率分布機(jī)制相同,將時(shí)鐘信號(hào)編碼至物理層后通過通信鏈路分布給其他節(jié)點(diǎn),Sync-E就是物理層時(shí)鐘分布的一個(gè)典型應(yīng)用,如圖3所示。在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)中,各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘都是獨(dú)立運(yùn)行的。而在同步以太網(wǎng)中,所有節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),子節(jié)點(diǎn)或子交換機(jī)從數(shù)據(jù)鏈路中恢復(fù)出時(shí)鐘,并經(jīng)過從節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的PLL,以消除時(shí)鐘恢復(fù)電路引起的抖動(dòng)(jitter)。該恢復(fù)出來的時(shí)鐘既是從節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)時(shí)鐘,也作為下一級(jí)節(jié)點(diǎn)的參考時(shí)鐘。這樣整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘頻率都與主節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘頻率精確同步(±10-11的長(zhǎng)期準(zhǔn)確度)[12]。

這種頻率分布技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于時(shí)鐘信息是編碼在數(shù)據(jù)中發(fā)送的,不占用鏈路帶寬;成本低,無論是FPGA的高速串行收發(fā)器還是串并轉(zhuǎn)換芯片都能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)鐘恢復(fù)功能;該技術(shù)的可靠性和穩(wěn)定性已在SONET/SDH的應(yīng)用中得到驗(yàn)證。

圖3 普通以太網(wǎng)與同步以太網(wǎng)的對(duì)比Fig.3 Compare between standard and Sync-E

1.4 WR同步鏈路模型

WR主從節(jié)點(diǎn)的同步鏈路如圖4所示,往返鏈路的總延時(shí)可以看作由三部分組成:

·主從節(jié)點(diǎn)收發(fā)電路的硬件延時(shí)(ΔTXM,ΔRXM,ΔTXS,ΔRXS),包括FPGA內(nèi)部邏輯的確定性延時(shí)、FPGA內(nèi)部走線延時(shí)、PCB走線延時(shí)、高速串行收發(fā)器以及光纖收發(fā)器的延時(shí),這部分延時(shí)可以認(rèn)為是相對(duì)固定的;

·比特位滑動(dòng)(bit slide)延時(shí)(εM,εS),這是由于串并轉(zhuǎn)換電路在進(jìn)行字對(duì)齊操作時(shí)引起的比特位滑動(dòng),這部分延時(shí)在光纖鏈路建立連接后保持不變,可以在每一次鏈路建立后通過BitSlide狀態(tài)機(jī)自動(dòng)獲取;

·光纖鏈路傳輸延時(shí)(δMS,δSM),這部分延時(shí)對(duì)溫度波動(dòng)非常敏感,需要實(shí)時(shí)刻度并補(bǔ)償。

WR往返鏈路的總延時(shí)可以表示為:

delayMM=δMS+δSM+Δ+εM+εS

其中,Δ=ΔTXM+ΔRXS+ΔTXS+ΔRXM。

當(dāng)鏈路建立后,主端可以通過PTP協(xié)議獲得鏈路總延遲,并通過上述公式計(jì)算出往返光纖鏈路的延時(shí)為

δMS+δSM=delayMM-(Δ+εM+εS)

為了精確計(jì)算光纖鏈路的單向延時(shí),需要考慮光纖鏈路的不對(duì)稱性。WR使用一根單模光纖連接主從節(jié)點(diǎn),采用波分復(fù)用技術(shù)(Wavelength Division Multiplexing, WDM)實(shí)現(xiàn)全雙工通信,主節(jié)點(diǎn)發(fā)出的光的波長(zhǎng)為1490nm,從節(jié)點(diǎn)發(fā)出的光的波長(zhǎng)為1310nm。使用波分復(fù)用技術(shù)可以節(jié)約成本,但是更重要的在于單根光纖里的往返鏈路長(zhǎng)度完全一致,延時(shí)不對(duì)稱性完全由不同波長(zhǎng)的光在光纖中的折射率決定。WR定義了光纖非對(duì)稱系數(shù)α,其表達(dá)式為

n1490和n1310為兩種波長(zhǎng)的光纖折射率,由于不同廠家生產(chǎn)的光纖的折射率略有差別,需要在實(shí)驗(yàn)室提前對(duì)光纖的非對(duì)稱系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。

由光纖的非對(duì)稱性可以計(jì)算出主從鏈路的單向總延時(shí)為

delayMS=δMS+ΔTXM+ΔRXM+εS

ΔTXM+ΔRXS+εS

進(jìn)一步可以計(jì)算可知主從時(shí)鐘的偏差為

offsetMS=t1-t2p+delayMS+ΔTXM+ΔRXM+εS

從節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘偏差的調(diào)整可以分為如下三個(gè)步驟。

1)TAI時(shí)間校正:offsetMS中整秒的偏差通過校正國際原子時(shí)(International Atomic Time,TAI)計(jì)時(shí)器完成;

2)時(shí)鐘周期計(jì)數(shù)器校正:調(diào)整計(jì)數(shù)器補(bǔ)償整數(shù)倍周期(8ns)的偏差;

3)相位調(diào)整:小于一個(gè)周期的偏差由從節(jié)點(diǎn)的鎖相環(huán)進(jìn)行相位調(diào)整。

corrpnase=offsetMS-[offsetMS]

這樣,就完成了主從時(shí)鐘的亞納秒級(jí)同步,由于溫度等環(huán)境因素的影響,offsetMS會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化,因此需要定期測(cè)量主從節(jié)點(diǎn)的時(shí)間偏差的變化,并且將其補(bǔ)償?shù)疆?dāng)前的相位上。

1.5 數(shù)字雙混頻鑒相器

WR使用鑒相器精確測(cè)量數(shù)據(jù)恢復(fù)時(shí)鐘與本地時(shí)鐘的相位差并對(duì)時(shí)間戳進(jìn)行校正,從而將基于PTPv2的時(shí)鐘同步技術(shù)帶入亞納秒級(jí)。此外,從節(jié)點(diǎn)端的鑒相器與濾波控制電路以及壓控振蕩器構(gòu)成了一個(gè)鎖相環(huán)電路,實(shí)現(xiàn)從節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘的相位鎖定和相位調(diào)整功能。

傳統(tǒng)的基于模擬方法的鑒相器能夠獲得很高的分辨率和線性度,然而它們需要增加額外的器件(如混頻器、濾波器等),特別是對(duì)于WR多端口交換機(jī)的應(yīng)用,不僅增加成本還給設(shè)計(jì)帶來了困難。

WR采用了一種全數(shù)字雙混頻鑒相器[9](Digital Dual Mixer Time Difference, DDMTD),其工作原理如圖5所示。利用外部鎖相環(huán)產(chǎn)生一個(gè)輔助時(shí)鐘信號(hào),該信號(hào)頻率與被測(cè)信號(hào)(clkA和clkB)的頻率存在微小的差別(fPLL=N/(N+1)·fclk)。在FPGA內(nèi)部使用該輔助時(shí)鐘信號(hào)分別對(duì)clkA和clkB進(jìn)行采樣。由于采樣頻率非常接近被測(cè)信號(hào)的頻率,所以D觸發(fā)器會(huì)輸出一個(gè)非常低頻的信號(hào)。被測(cè)信號(hào)的相位差在混頻之后被放大,因此通過測(cè)量觸發(fā)器輸出信號(hào)的相位差可以計(jì)算出原信號(hào)的相位差。DMTD雙混頻鑒相由數(shù)字方法實(shí)現(xiàn),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、線性度好、動(dòng)態(tài)范圍大的優(yōu)點(diǎn)。

圖5 DMTD相位檢測(cè)原理Fig.5 Principle of DMTD phase detection

2 WR時(shí)鐘系統(tǒng)組件

WR技術(shù)由多個(gè)研究所和高校共同參與開發(fā),并和公司合作實(shí)現(xiàn)商業(yè)化和產(chǎn)品化。借助成熟的商業(yè)COTS組件,能夠非常方便迅速地實(shí)現(xiàn)基于WR的應(yīng)用或改造。

2.1 WR交換機(jī)

圖6 White Rabbit交換機(jī)Fig.6 White Rabbit switch

WR交換機(jī)是WR網(wǎng)絡(luò)的核心部件,它在普通交換機(jī)的基礎(chǔ)上添加了WR功能支持,并提供了QoS支持、鏈路冗余和快速切換等特性,以滿足對(duì)時(shí)鐘和控制系統(tǒng)的高實(shí)時(shí)性要求。

WR交換機(jī)有18個(gè)SFP光纖口,可以任意配置為上行口或下行口,如圖6所示。通常配置其中2個(gè)為上行口,其中一個(gè)作為主要的WR從端口與上級(jí)交換機(jī)同步,另一個(gè)作為冗余端口,一旦前者鏈路斷開,該冗余端口將自動(dòng)切換為WR從端口;剩下的16個(gè)端口均配置為下行口, 用于與下級(jí)的16個(gè)WR從節(jié)點(diǎn)或交換機(jī)同步。

2.2 WR節(jié)點(diǎn)

WR節(jié)點(diǎn)有多種實(shí)現(xiàn)形式:載板模式、子板模式和IP核模式。

載板模式提供如圖7所示的符合標(biāo)準(zhǔn)型式的載板,例如VME、PCI-Express。在該載板上提供了WR節(jié)點(diǎn)的功能和必要的系統(tǒng)資源,并通過標(biāo)準(zhǔn)的FMC(FPGA Mezzanine Card)接口擴(kuò)展諸如ADC、DAC或DIO等應(yīng)用功能。

圖7 PCI-Express載板形式的WR節(jié)點(diǎn)Fig.7 WR node in PCI-Express carrier board form

子板模式提供如圖8所示的WR最小系統(tǒng)子卡(Cute-WR)[15],可以集成到應(yīng)用電子學(xué)系統(tǒng)內(nèi)。該子卡提供同步頻率,經(jīng)過編碼的時(shí)間信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)MAC接口。應(yīng)用電子學(xué)可以將其作為標(biāo)準(zhǔn)千兆網(wǎng)卡來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

圖8 FMC子卡形式的WR節(jié)點(diǎn)Fig.8 WR node in FMC mezzanine form

IP核模式將WR節(jié)點(diǎn)的所有功能封裝成IP包,可以直接在用戶的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn),進(jìn)一步提高應(yīng)用的靈活性和系統(tǒng)集成度。

3 WR性能測(cè)試

測(cè)試環(huán)境使用了4臺(tái)WR交換機(jī)和6個(gè)Cute-WR節(jié)點(diǎn),如圖9所示。每個(gè)節(jié)點(diǎn)利用其內(nèi)部時(shí)鐘定時(shí)輸出一個(gè)秒脈沖PPS(Pulse Per Second)信號(hào),通過測(cè)量不同節(jié)點(diǎn)間PPS信號(hào)的偏差值給出其同步的精度。測(cè)試時(shí)利用多盤數(shù)千米長(zhǎng)的G652單模光纖,將設(shè)備組建成各種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò),分別測(cè)量網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)和最頂級(jí)節(jié)點(diǎn)的同步偏差。

圖9 系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境Fig.9 Test setup

3.1 單節(jié)點(diǎn)同步精度

首先給出一主一從這種最基本的WR網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的同步精度測(cè)試結(jié)果。將CUTE-WR作為從節(jié)點(diǎn),與WR交換機(jī)通過2km的光纖連接,在常溫下使用示波器測(cè)量?jī)烧叩腜PS信號(hào)的偏差,如圖10所示。CUTE-WR與WR交換機(jī)的同步準(zhǔn)確度不超過200ps,同步精度達(dá)到了21ps。

圖10 WR同步精度測(cè)試Fig.10 Test result of WR synchronization

3.2 并聯(lián)多節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

交換機(jī)組成一主三從的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),每臺(tái)從交換機(jī)帶2個(gè)Cute-WR節(jié)點(diǎn),其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和多次測(cè)量后的系統(tǒng)同步偏差分布如圖11所示。

圖11 并聯(lián)多節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及測(cè)試結(jié)果Fig.11 Parallel topology and the test result

3.3 串聯(lián)多節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

交換機(jī)組成四級(jí)級(jí)聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),每臺(tái)從交換機(jī)帶2個(gè)Cute-WR節(jié)點(diǎn),其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和多次測(cè)量后的系統(tǒng)同步偏差分布如圖12所示。

圖12 串聯(lián)多節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及測(cè)試結(jié)果Fig.12 Cascade topology and the test result

4 結(jié)論

WR是一種新型的基于同步以太網(wǎng)和PTP協(xié)議的時(shí)鐘同步方法,通過全數(shù)字雙混頻鑒相器和準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)鏈路模型將同步精度提高到亞納秒級(jí)別,實(shí)現(xiàn)大范圍、多節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘分布和同步機(jī)制。該方法基于標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng),時(shí)鐘同步報(bào)文幾乎不占用網(wǎng)絡(luò)帶寬,定時(shí)鏈路與數(shù)據(jù)鏈路復(fù)用,是一種具有高可靠性和低成本的方案,能簡(jiǎn)化大規(guī)模分布式地基授時(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),提高同步性能,改善增強(qiáng)型導(dǎo)航定位精度。

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High-PrecisionTimeDistributionBasedonOpticalEthernet

GONG Guang-hua, LI Hong-ming

(Key Laboratory of Particle and Radiation Imaging of Ministry of Education, Department of Engineering Physics, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

WR (White Rabbit) is a technology that combined the Gigabit Ethernet, Sync-E, Precision Time Protocol (IEEE1588 v2) and digital phase tracking method to provide a sub-nanosecond accuracy of time amp; frequency distribution method for thousands of devices spanning several kilometers. WR technology is compatible with standard Ethernet, introduces very few network bandwidth load, high integration with data transmission and advantage of low cost. This paper introduces the technical principles of WR technology, the measurement results of a small WR network with different topology are presented as well. The WR technology is an ideal solution for all applications that requires high precision time synchronization among multiple nodes over long distance, to act as a key supporting technology for the thriving ground enhancement navigation system.

Distributed synchronization; Time distribution; Sync-E; White Rabbit*

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.06.011

TN913.7

A

2095-8110(2017)06-0068-07

2017-05-12；

2017-06-21

國家自然科學(xué)基金(11275111，11575096)

龔光華(1977-)，男，博士，副研究員，主要從事核電子學(xué)方面的研究。E-mail:ggh@tsinghua.edu.cn