时间同步性能评估指标及测试方法探讨＊

潘 峰 中国信息通信研究院通信标准研究所工程师

刘 刚 国网福建省电力有限公司信息通信分公司工程师

李 信 国网冀北电力有限公司信息通信分公司高级工程师

朱 林 国电南瑞科技股份有限公司工程师

1 引言

时间同步是将共同的时间参考基准分配至通信网中的各实时时钟。网络中所有相关联的节点访问关于时间的信息（换句话说，基准定时信号的每个周期均已标记并确定具体的日期）并共享一个共同的时标和相关的时刻（在相应的时间精度要求内）（见图1）。

这些共同的时标包括协调世界时（UTC）、国际原子时（TAI）、协调世界时+偏差（如本地时间）、GPS时间、PTP时间和本地任意时间等。

在电信网中，3G/4G基站空中接口对时间同步精度的要求优于±1.5μs，且随着5G移动通信及量子通信的发展，其对时间同步的要求更加严格。在电力自动化系统中，被授时设备中行波测距、同步向量测量和雷电定位系统对时间同步精度的要求优于±1μs。除电力、电信领域，其他如航空、铁路运输、工业控制与测量、气象预报预测等领域均离不开时间同步的应用。一个系统的时间同步性能采取什么性能评估指标来衡量以及利用何种测试方法来验证，目前国际和国内并未有统一的观点。本文将重点探讨时间同步的性能评估指标及测试方法。

图1 时间同步示意图

2 时间同步性能评估指标

在研究评估时间同步的性能指标下，先介绍下频率同步及相位同步的概念。频率同步，就是所谓时钟同步，是指信号之间的频率或相位上保持某种严格的特定关系，其相对应的有效瞬间以同一平均速率出现，以维持通信网络中所有的设备以相同的速率运行。相位同步，意味着所有相关联的节点可以访问参考定时信号，其显著事件发生在同一时刻（在相应的相位精度要求内）。相位同步是指相对于相位（相位对齐）对准时钟的过程。时间同步，相位同步和频率同步既相互联系，又有所区别，频率同步是时间同步和相位同步的基础，时间同步和相位同步是频率同步在绝对时间和绝对相位保持一致情形下的延伸。

评估频率同步的性能指标通常包括频率准确度、频率稳定度、频率漂移、时间间隔误差（TIE）、最大时间间隔误差（MTIE）、时间偏差（TDEV）。由于时间同步要保证系统中各节点每一个时刻的时间与时间标准的误差（Time Error,TE）均要限制在某一特定范围内（ns级），且时间误差由两部分组成，即恒定时间误差（Constant Time Error,cTE）与动态时间误差（Dynamic Time Error,dTE）。因此衡量时间同步的性能应从以下几个方面进行评估，时间精度、时间稳定度与守时精度。

2.1 时间精度

当时间同步系统正常跟踪于卫星接收机的情况下，系统的输出绝对时间精度应采用设备的最大绝对时间误差（Maximum Absolute Time Error,max|TE|）进行衡量，它包括恒定时间误差和动态时间误差的噪声产生。对于G.8271规定的A类和B类T-BC，其值分别为100ns与70ns，接口类型为1PPS和PTP接口。对于时间同步设备，我国规定1PPS+Tod与PTP输出接口均为±150ns。IRIG-B码为±20μs。

2.2 时间稳定度

在正常跟踪卫星定位系统的情况下，对于时间同步设备，1PPS接口输出信号的MTIE/TDEV应满足我国频率同步网的1级基准时钟漂移产生的要求（观察时间待定）。对于G.8271规定的A类和B类T-BC，其PTP和1PPS输出口的恒定误差产生分别为±50ns与±20ns，对于动态误差的噪声产生，若其内部含有一个EEC-Option1的时钟，且时间和频率均处于锁定状态，当通过一个0.1Hz的一阶低通滤波器进行测量时，在1000s的观察时间内，其MTIE不超过40ns，当通过一个0.1Hz的一阶高通滤波器进行测量时，在1000s的观察时间内，其MTIE不超过70ns。

在正常跟踪1PPS+ToD信号时，对于时间同步设备，1PPS接口输出信号的MTIE/TDEV应满足我国频率同步网的2级和3级节点时钟漂移产生的要求（观察时间待定）。

2.3 守时精度

当时间同步输入功能失效时，在时间同步设备内部时钟正常跟踪于我国1级基准时钟的定时信号时，通过1PPS接口或PTP接口进行观测，在3天之内的相对守时精度应优于±1μs；时间同步设备内部时钟无法正常跟踪于我国1级基准时钟的定时信号时，对于内部时钟配置为2级节点时钟，在1天之内的相对守时精度应优于±5μs；若内部时钟配置为3级节点时钟，在1天之内的相对守时精度应优于±0.1ms。

3 时间同步性能测试方法

无论是对时间同步设备还是时间同步系统，其测试方法均可分为绝对测试方法和相对测试方法。对于单个设备的测试，也可将其视为一个单节点的时间同步系统，因此接下来的测试方法均以时间同步系统为待测对象进行介绍。

3.1 绝对测试法

所谓绝对测试法，是指时间同步系统的时间源和测试仪表的时间源均来自于全球导航卫星系统GNSS（包括北斗、GPS、GLONASS和Galileo），整个系统通过某种方式达到时间同步，再通过时间测试仪测试其最末端设备的时间输出性能，其组网方式如图2所示。

根据上述配置，若A地和B地位于同一地点，例如在同一实验室，则可通过GNSS多路分配器同时接入时间测试仪和时间服务器，并计算两路接入线缆的长度差，以估量所产生的时延差，以达到测试的绝对时间误差最小；若A地和B地位于不同地点，则应采用共模共视法计算出时间服务器和时间测试仪分别接收GNSS信号的时间误差，再对系统进行测试，测试后的结果应补偿掉时间服务器和时间测试仪的时间误差。对于某些具有GNSS处理模块和接口的时间同步设备，可直接利用其设备接收GNSS信号，不再需要时间服务器，但这类设备必须具备至少两路时间输出接口，以便运行的同时能进行验证测试。总之，采用绝对测试法，其优点就是能保证测试结果的准确性和可靠性更高，缺点是配置复杂，需进行二次测试才能保证系统绝对时间的准确。

图2 时间系统的绝对测试组网图

3.2 相对测试法

所谓相对测试法，是指时间同步系统的时间源来自于测试仪表，整个系统通过某种方式达到时间同步，再通过时间测试仪测试其最末端设备的时间输出性能，其组网方式如图3所示，时间测试仪表并不要求与绝对时间同步，即它的时间源可跟踪GNSS的时间信号，也可采用内部保持模式。

根据上述配置，时间同步系统的源和宿均为时间测试仪，这样测得的结果，其误差全来自于整个时间同步系统，能更方便地确定系统的长期输出精度。且对于时间测试仪，是否接入GNSS对系统的时间输出精度并无影响。但是，要测量系统的守时精度，则需接入GNSS，否则时间测试仪自身本振的准确度不高，将会影响时间同步系统的守时精度。对于现网中的测试，设备N与设备1一般不位于同一地点，所以无法保证如上的配置，此时并不适用于采用相对测试组网。总之，相对测试法较绝对测试法配置简单，经济成本较小，但应用场景受到一定的限制。

图3 时间系统的相对测试组网图

4 结束语

本文阐述了时间同步性能的几个关键性能及评估指标，并简单探讨了时间同步系统的两种测试方法。随着各行业对时间同步的要求更高，采取更好的方式保证系统的时间同步，利用更优的时间同步性能评估指标进行衡量，以及采取配置方便、误差最小的测试方法进行系统的验证测试将是未来时间同步领域研究的重点。

1 YD/T 1012-1999.数字同步网节点时钟系列及其定时特性

2 YD/T 2022-2009.时间同步设备技术要求

3 ITU-T G.8260.Definitions and Terminology for Synchronization in Packet Networks.2011

4 IEEE 1588-2008.IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems.2008

5 ITU-T G.8273.2.Timing Characteristics of Telecom Boundary Clocks and Telecom Time Slave Clocks.2015