中国移动时间同步网标准Word格式文档下载.docx
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YDN117-1999
数字同步网的规划方法与组织原则（1999年）
3缩略语
1PPS
1PulseperSecond
秒脉冲
ACTS
AutomatedComputerTimeService
自动计算机时间服务
DCLS
DCLevelShift
直流电平携带码
DCN
DataCommunicationsNetwork
数据通信网
DTS
digitaltime-stampservice
数字时间戳服务
IRIG
InterRangeInstrumentationGroup
国际仪表组织
LPR
LocalPrimaryReference
区域基准时钟
NTP
NetworkTimeProtocol
网络时间协议
PRC
PrimaryReferenceClock
全国基准时钟
SNTP
SimpleNetworkTimeProtocol
简单网络时间协议
SSL
SecureSocketsLayer
安全嵌套层
TAI
InternationalAtomicTime
国际原子时
UTC
CoordinatedUniversalTime
世界协调时
4时间同步概念
4.1时间同步原理
时间同步的原理就是按照接收到的时间来调控设备内部的时钟和时刻。
在将时刻校对到秒后，时间同步的调控原理与频率同步对时钟的调控原理相似，它既调控时钟的频率又调控时钟的相位，同时将时钟的相位以数值表示，即时间的时刻。
与频率同步不同的是，时间同步接受非连续的时间信息，非连续调控设备时钟，即设备时钟锁相环的调节控制是周期性的，其周期对应于获取时间的周期，且与调节方式、时钟的准确度和稳定度有关。
4.2时间定义
在规划和设计时间同步网时，在时间概念方面经常提到以下术语：
平均太阳日、世界时、国际原子时、协调世界时、闰秒等，下面对这些术语分别进行解释和定义。
（1）平均太阳日
人们习惯上是以太阳在天球上的位置来确定时间的，但因为地球绕太阳公转运动的轨道是椭圆，所以真太阳周日视运动的速度是不均匀的（即真太阳时是不均匀的）。
为了得到以真太阳周日视运动为基础而又克服其不均匀性的时间计量系统，人们引进了平均太阳日的概念。
平太阳时的基本单位是平太阳日，1平均太阳日等于24平均太阳小时，1平均太阳小时等于86400平均太阳秒。
（2）世界时（UT0/UT1/UT2）
以平子夜作为0时开始的格林威治（英国伦敦南郊原格林尼治天文台的所在地，它又是世界上地理经度的起始点）平太阳时，就称为世界时。
世界时与恒星时有严格的转换关系，人们是通过在世界各地利用天文望远镜观测恒星后平均得到世界时的，其精度只能达到10-9。
由于地极移动和地球自转的不均匀性，最初得到的世界时，也是不均匀的，我们将其记为UT0；
人们对UT0加上极移改正，得到的结果记为UT1；
再加上地球自转速率季节性变化的经验改正就得到UT2。
（3）国际原子时（TAI）
原子时间计量标准在1967年正式取代了天文学的秒长的定义新秒长规定为：
位于海平面上的铯Cs133原子基态的两个超精细能级间在零磁场中跃迁振荡9192631770个周期所持续的时间为一个原子时秒，我们称之为国际原子时（TAI），其稳定度可以达到10-14以上。
另外规定原子时起点在1958年1月1日0时（UT），即在这一瞬间，原子时和世界时重合。
（4）协调世界时（UTC）
相对于以地球自转为基础的世界时来说，原子时是均匀的计量系统，这对于测量时间间隔非常重要。
但世界时时刻反映了地球在空间的位置，并对应于春夏秋冬、白天黑夜的周期，是我们熟悉且在日常生活中必不可少的时间。
为兼顾这两种需要，引入了协调世界时（UTC）系统。
UTC在本质上还是一种原子时，因为它的秒长规定要和原子时秒长相等，只是在时刻上，通过人工干预，尽量靠近世界时。
（5）闰秒
UTC在秒长上使用原子时秒，但是在时刻上，需要通过人工干预，使其尽量靠近世界时。
这就需要对UTC进行“闰秒操作”，即每当UTC与世界时UT1时刻之差超过接近或超过0.9秒时，在当年的6月底或12月底的UTC时刻上增加一秒或减少一秒。
详见附录A“秒及闰秒的定义”。
4.3时间同步网描述
时间同步网由节点时间同步设备和时间同步链路共同组成。
时间同步大致可以分为以下三个过程：
（1）高精度UTC时间信息的获得
目前主要通过卫星接收系统实现。
（2）时间传送
将时间信息从高级时间同步设备传送到低级时间同步设备以及从时间同步设备传送到需要时间同步的通信设备。
根据设备需要的时间精度不同，可以采用不同的传输手段。
（3）时间分配
也就是设备通过适当的手段获取时间同步的方法。
5时间同步技术
5.1时间传递的几种方法
从时间源（如全球卫星定位系统）获得标准时间后，需要将时间信息通过局间/局内时间分配链路发送到各种需要时间同步的设备上。
目前国际上比较通用的方法有IRIG-B、DCLS、NTP、ACTS、1PPS、串行口ASCII字符串等几种方法，下面将就这几种方法作简单介绍。
（1）IRIG-B（InterRangeInstrumentationGroup）
IRIG编码源于为磁带记录时间信息，带有明显的模拟技术色彩，从50年代起就作为时间传递标准而获得广泛应用。
IRIG-A和IRIG-B都是于1956年开发的，它们的原理相同，只是采用的载频频率不同，所以分辨率不一样。
IRIG-B采用1KHz的正弦波作为载频进行幅度调制，对最近的1秒进行编码。
IRIG-B的帧内包括的内容有：
天、时、分、秒及控制信息等。
其占用最大通道带宽为3KHz。
所以可以用普通的双绞线在楼内传输，也可在模拟电话网上进行远距离传输。
到了九十年代，为了适应世纪交替对年份表示的需要，IEEE1344-1995规定了IRIG-B时间码的新格式，要求编码中还包括年份，其它方面没变。
（2）DCLS（DCLevelShift）
DCLS是IRIG码的另一种传输码形，用直流电位来携带码元信息，等效于IRIG调制码的包络。
IRIG-DCLS技术比较适用于双绞线局内传输。
IRIG-B普通方式与IRIG-DCLS方式的比较如图1所示。
在利用该技术进行居间传送时间时，需要人工补偿传输系统介入的固定时延。
图1IRIGB与DCLS对照图
（3）NTP（NetworkTimeProtocal）
在计算机网络中传递时间的协议主要的有三种：
时间协议（TimeProtocol）、日时协议（DaytimeProtocol）和网络时间协议NTP（NetworkTimeProtocol）。
另外还有一个仅用于用户端的简单网络时间协议SNTP（SimpleNetworkTimeProtocol）。
SNTP与NTP相同，只是客户端软件做的处理较少。
网上的时间服务器会在不同的端口上连续的监视使用以上协议的定时要求，并将相应格式的时间码发送给客户。
表1列举了上述各协议的文献号、格式、使用端口等。
在上述几种网络时间协议中，NTP协议最为复杂，所能实现的时间准确度最高。
在RFC-1305中非常全面地规定了运行NTP的网络结构、数据格式、服务器的认证以及加权、过滤算法等。
NTP非常有效，至多每分钟一个数据包即可将两台机器同步至毫秒量级。
它采用层级的概念来描述一台机器离时间源有几个NTP跳。
一台运行NTP软件的机器会自动选择层级数最低的作为它的时间源。
NTP有一套严密的方法防止时间网上的“时间自环”和防止同步于时间不准确的时间服务器。
它是通过两种方法来实现的：
首先，永远不能同步于自已发布的时间；
然后，NTP比较几个时间服务器同时发布的时间，时间值明显差异于其它时间服务器的那个时间服务器将不被NTP用于时间同步，即便它的层级显示最低。
在IP网上运行NTP的时间服务器事先配置上所有它将建立起联系的其他时间服务器的IP地址。
通过与其他时间服务器交换NTP消息而获得准确的守时。
在一个局域网内，NTP也可采用IP广播方式，这样配置就简化许多，每台时间服务器只用简单配置成发送或接收NTP广播消息即可，但精度可能下降些。
为了防止被攻击，NTP协议也提供认证和加密的功能。
表1不同网络时间协议的比较
协议名称
内容格式
端口分配
时间协议
RFC-868
非成帧的32比特二进制数，携带的时间是从1900年1月1号开始计数的UTC秒时间。
端口37
TCP/IP,UDP/IP
日时协议（ASCII）
RFC-867
其发送的码是标准的ASCII字符传送时间码（精确到秒）。
端口13
网络时间协议（NTP）
RFC-1305
数据包中包括一64位比特的时间标签，所携带的时间是从1900年1月1号开始计数的UTC时间，其分辨率为200ps。
端口123
UDP/IP
简单网络时间协议（SNTP）
RFC-1769
数据包与NTP相同，但客户端软件做的处理较少，调整的准确度也较低。
（4）ACTS（AutomatedComputerTimeService）
客户端的MODEM通过电话网拨通时间服务器的MODEM，两个MODEM建立起通路后，通过一定的协议，客户端就可以收到时间服务器的时间，对传输距离没有特别的要求。
由美国NITS开发的ACTS即是这种协议，我国陕西天文台授时中心也开发了相似的协议。
（5）1PPS（1PulseperSecond）
秒脉冲信号，不包含时刻信息，但其上升沿标记了准确的每秒的开始，通常用于本地测试，也可用于局内时间分配，精度达到100ns量级。
（6）串行口ASCII字符串
通过RS232/RS422串行通讯口，将时间信息以ASCII码字符串方式进行编码，波特率一般为9600bps，精度不高，通常还需同时利用1PPS信号。
但由于串行口ASCII字符串目前没有统一的标准，不同厂家设备间无法实现互通，故该方法应用范围较小。
5.2时间同步的精度
时间同步的精度依赖于如下几个方面：
（1）时钟传递手段和路径
传递路径越简单越短，则传递时延和时延的不确定性就越小，就越能估算准确。
因此专线方式最好，电路型交换网次之，包交换网（如因特网）较差。
（2）时钟本振源的准确度
时钟本振源的准确度越高，则它的守时能力越好。
在各种设备中，交换机设备时钟本振源较好，SDH网元的次之，计算机的最差，不同本振源的守时能力如表2所示。
表2不同本振源的守时能力
本振源
老化率/最低准确度
变化±
1ms需用时间
移动频率同步网PRC/LPR
±
2x10-12（骨干网工程指标）
约16年
G.811规定的1级时钟
1x10-11（最低准确度）
约3.2年
铷原子钟
5x10-11（月老化率）
约7.5月
高稳晶体振荡器
1x10-9（天老化率）
约11.5天
普通晶体振荡器
1x10-7（天老化率）
约2.8小时
一般计算机
1x10-5（天老化率）
约100秒
（3）设备受控调节方式
调控方式是一种具体算法以及采用连续调控还是“步跳”式调控。
连续调控比“步跳”式调控好，NTP协议的算法比较好。
（4）设备内部时间的分辨率
所能获得的设备内部时钟的值有一个分辨率问题，例如分辨率为100ms，则获得的时刻值将处于“加减100ms”之内。
设备内部时间的分辨率将视设备结构的不同而不同，显然设备受控调节后的时钟准确度值不可能优于分辨率值。
各种时间同步方法能够获得的时间精度及其应用范围如表3所示。
表3时间同步的精度
种类
连接形式
传输距离
相对精度
适用范围
IRIG-B
双绞线或同轴电缆
1.2Km
10ms-100ms
楼内近距离设备
64KDDN专线
无限制
100ms-1ms
（需补偿传输时延）
楼内或远距离设备
直连
公用因特网、专用IP网
100ms-1000ms
广域网
城域网
200ms-10ms
局域网
100米左右
10ms-200ms
两节点LAN
电话线
远距离设备
同轴电缆
100ns量级
测试用或楼内近距离设备
串行口ASCII字符串
双绞线
6各种移动通信业务对时间同步的要求
中国移动通信网主要在以下三个方面对时间同步提出要求：
（1）网络优化的需要。
目前，中国移动通信网的网络规模和用户数量都处于相对稳定的发展时期，当前很重要的工作就是对网络进行优化，提高网络效率，保障网络安全。
其中强化网络管理系统和建立七号信令监测系统是网络优化的重要工作内容，而网络管理系统和七号信令监测系统都需要时间同步，特别是七号信令监测系统的顺利运行更需要高精度的时间同步信号，用于标记监测到的信令流先后发生的顺序；
（2）提高服务质量的需要。
通信运营市场的竞争日趋激烈，而服务质量是赢得竞争的最主要因素之一。
计费问题是目前消费者非常关注的问题之一，而引起计费纠纷最主要的原因之一是时间不同步，因此需要迫切解决计费系统的同步问题。
（3）发展移动新业务的需要。
中国移动在业务发展过程中，需要不断引入新的业务以适应市场的需要，如3G、VOIP、位置定位、电子商务等，这些新业务的顺利开展，都需要一定精度的时间同步保证。
下面分别针对以上三个方面，对移动通信网中不同业务的时间同步需求进行分析，并给出相应的时间精度要求。
其中，网络管理系统、七号信令监测系统和CMNET安全认证系统属于网络优化方面；
计费系统属于服务质量方面；
IP网络及业务、3G网络及新业务等属于新业务方面。
6.1网络管理系统
目前，各种移动通信网大都建有各自的集中网管系统，能集中收集网络的性能数据进行统计分析以及收集各网元设备的告警信息进行告警定位。
当网上一台设备出现告警时，往往其它相关设备也出现各种告警。
设备送出的告警信息中其所含的时间标签是由各设备的时钟打上的，如果它们是同步的，网管设备只要把这些告警按时间排序，就可以分析出故障的源头及引起的后果。
这对网上故障定位和查找故障原因是很有用的。
移动通信网网络管理系统对时间同步的要求为500ms左右。
6.2七号信令监测系统
为了准确定位移动通信网中出现的故障类型和故障点，需要在信令流量较大的STP节点设立信令采集点，建立一套完善的七号信令监测系统，用于监测和分析网上信令流的动向。
当网上出现故障时，所有相应的信令流数据将被送往此监测系统进行分析处理，并进行快速故障定位。
为避免因信令出现先后顺序的错误而产生虚假信息，必须要求所有信令流的时间信息是准确无误的，进而确保故障类型以及故障点快速定位的准确性。
由于信令流的时间标签是由各信令采集点分别产生的，因此要求各个信令采集点必须保持时间同步。
另外，若要利用此七号信令监测系统对网络接通率和呼损率进行统计，信令采集点之间时间不同步有可能会使统计出现偏差，从而影响对整个通信网性能的评估。
七号信令监测系统对时间同步的精度要求为1ms左右。
6.3CMNET安全认证系统
移动通信网目前正在进行网络安全方面的优化，即建立CMNET安全认证系统。
但是在全网进行检测时发现，目前通信网上大部分设备时间都不一致，从而根本无法对全国的网络进行全面的评估。
时间不同步直接影响到CMNET的建设以及将来CMNET的顺利运行。
CMNET安全认证系统对时间同步的要求暂定为500ms左右。
6.4计费系统
在移动通信网中，计费对时间同步的要求主要表现在两个方面：
一是移动通信网自身计费对时间同步的要求；
另一个方面是移动通信网与其它运营商网络进行网间费用结算时对时间同步要求。
目前在每个移动交换机都有通话记录产生模块，由此模块产生话单，打上时间标签，标示出通话的起始时刻、结束时间以及通话时长，并将其送到相应的计费中心进行处理。
一般来说，计费模块的时钟准确度都比较低，差不多在1E-5到1E-6的量级，这意味着两个交换机在一个月内的时间偏差可能会达到半分钟。
对于移动通信网来说，各MSC交换机之间大的时间偏差可能会导致出现有相互矛盾的话单，如有“同一个通话的主被叫处于不同时段”的矛盾，从而引起用户的申告；
另外，随着多家电信运营商的出现，移动公司与其它运营商之间会有互联互通、网间清算等问题。
具备准确的时间同步，可以大大提高网间结算的准确度，减少出现费用结算的纠纷，特别是随着计费单位变小（现在长途话费按6秒为单位进行计算），这些都要求计费要越来越准确，因此交换机等通信设备的时间准确性也就越来越重要了。
移动通信网计费对时间同步的要求为500ms左右。
6.5IP网络及业务
在IP网中，为了对路由选择进行监视或控制，数据包每经过一个路由器都会打上该路由器的当前时间，通过分析这些时间戳，就可以计算出各段路径所引入的时延。
因此，保证各个路由器的时间同步对于分析各段路由的流量，顺利完成路由选择是十分重要的。
对于基于IP的电子商务等，其网络安全性对时间同步也有严格的要求。
网络安全是实现电子商务的基础，而一个通用性强，安全可靠的网络协议则是实现电子商务安全交易的关键技术之一，它也会对电子商务的整体性能产生很大的影响。
SSL协议（SecureSocketsLayer，安全套接层）是目前安全电子商务交易中使用最多的协议之一。
SSL协议在“重传攻击”上，有它独到的解决办法。
SSL协议为每一次安全连接产生了一个128位长的随机数——“连接序号”。
理论上，攻击者提前无法预测此连接序号，因此不能对服务器的请求做出正确的应答。
但是计算机产生的随机数是伪随机数，它的实际周期要远比2128小，更为危险的是有规律性，所以说SSL协议并没有从根本上解决“信息重传”这种攻击方法，有效的解决方法是采用“时间戳”。
但是这需要解决网络上所有节点的时间同步问题。
在各种政务和商务文件中，时间更是十分重要的信息。
在书面合同中，文件签署的日期和签名一样均是十分重要的防止文件被伪造和篡改的关键性内容。
在电子文件中，同样需对文件的日期和时间信息采取安全措施，即通过数字时间戳服务（DTS：
digitaltime-stampservice）对文件进行安全保护，这也需要解决时间同步问题。
VOIP业务对时间同步精度有待进一步研究。
IP网以及电子上午等对时间精度的要求在100ms量级，随着今后多媒体业务的发展，对时间精度的要求会进一步提高。
6.63G网络及新业务
3G网络有三种制式：
WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA，其中在CDMA2000和TD-SCDMA系统中，基站系统之间需要准确的时间同步。
在软切换中，如果RNC和NodeB之间没有时间同步，可能导致在选择器中发生邮件指令不匹配，从而使通话连接不能建立起来。
CDMA2000和TD-SCDMA系统对时间同步的精度要求是10ms。
WCDMA属于异步工作方式，其正常工作时不需要准确的时间同步。
在3G网络中，将会出现其它一些新的移动业务，例如基于位置定位的服务等。
在移动通信网中实现基于位置定位的服务有几种技术选择，其中的一种实现手段是利用手机接收附近多个基站发送的无线信号进行定位。
这要求基站的精确位置是预知的，并且都是时间同步的。
根据定位精度要求的不同，基站时间同步的精度要求也是不同的。
一般来说，若各基站之间时间同步的误差在1ms，则位置定位的精度大约在300米左右。
3G网络中其它一些新业务对时间同步精度的要求也有待进一步研究。
3G网络及某些新业务对时间精度的要求将在ms量级。
7移动时间同步网的网络结构及构成
7.1网络等级结构
现阶段，时间同步网采用混合组网方式，它是多个基准时间源头控制的网络，各个时间源头均能溯源到与UTC比对的时间系统。
每个时间源头控制的区域内同步方法采用等级主从同步。
在采用等级主从同步的网络内各节点之间是主从关系，每个时间同步网节点都赋予一个等级地位，只容许较高等级的节点向较低等级的节点传送时间基准信号。
图2表示了移动时间同步网的等级结构。
图2移动时间同步网等级结构
移动时间同步网分为两级，其中一级节点采用1级时间同步设备，二级节点采用2级时间同步设备，客户端采用时间服务单元。
客户端时间同步链路是时间同步网节点至客户端的时间同步链路，它包括NTP传送方式在内的各种传输链路。
节点时间同步链路是时间同步网节点之间的时间同步链路，它包括除NTP传送方式以外的各种传输链路。
在移动时间同步网中，主要采用DCLS传送方式的专线链路。
7.2网络构成
移动时间同步网的构成如图3所示。
时间同步设备TSN1是时间同步网的一级设备，必须具有时间信号跟踪锁定、时间分配、频率跟踪锁定、守时等功能。
时间同步设备TSN2是时间同步网的二级设备，必须具有时间信号跟踪锁定、时间分配、具有频率跟踪锁定功能、守时等功能。
客户端时间服务单元应能通过各种时间接口从1级或2级时间同步设备获取时间信号，并能为各种业务网网管系
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