[发明专利]时间同步装置、设备及系统

说明书

技术领域

本发明涉及时间同步技术，具体地，涉及一种时间同步装置、设备及系统。

背景技术

时间同步通常是指将通信网络上各种通信设备或计算机设备的时间信息（年/月/日/时/分/秒）与协调通用时间（UTC，Universal Time Coordinate）之间的时间偏差限定在足够小的范围（比如100毫秒以内）的同步过程。

伴随计算机网络的快速发展，越来越多的应用对时间同步精度提出较高的需求，许多领域根据需要开发具备一定功能的分布式网络系统。如何构造时钟系统为不同的分布式网络系统提供有效的时间服务，成为一个迫切需要解决的问题。

精确时钟协议（PTP，Precision Time Protocol）正是因此而诞生的精确时间同步协议，利用这项技术设计或集成分布式系统，能达到不增加网络负荷的情况下，实现整个系统中各类不同精度、稳定性的时钟的高精度同步，有效解决分布式系统中的实时性问题，进一步改善与提高系统精度。

在PTP的协议框架下，美国电气和电子工程师协会（IEEE，Institute of Electrical and Electronics Engineers）1588v2以太时间接口和1秒脉冲+日时间（1Per Pulse Second+Time Of Day，简称1PPS+TOD）接口逐渐成为业界主流的时间同步标准。

为了保证分布式网络中网络有个高精度且可靠的时钟源，通常会对通信设备通过1PPS＋TOD接口进行高精度时间源授时，保证系统在一定的时间内可靠稳定地运行。

在1PPS+TOD接口授时方式中，1PPS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。TOD信息以美国新型交互标准码（ASCII，American Standard Code for Information Interchange）字符串方式进行编码，通过RS232/RS422串行通信口传输，波特率一般为9600bit/s，精度不高，通常还需同时利用1PPS信号。

但是，目前全世界对于高精度时间同步1PPS+TOD接口并没有统一的规范，各大全球定位系统（GPS，Global Positioning System）厂商和运营商都拥有自身的规范，对于传统支持单一接口的时间同步设备提出巨大挑战。

目前，1PPS+TOD接口标准具有三种版本，分别为1PPS+TOD移动标准、UBX（U-blox）标准和美国国家海洋电子协会（National Marine Electronics Association）标准。

1、1PPS+TOD移动标准

随着时分同步码分多址（TD-SCDMA，Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access）、时分长期演进（TD-LTE，Time Division Long Term Evolution）系统高精度时间地面传送需求的出现，要求网络设备和基站设备等提供各种类型的高精度时间同步接口。根据1PPS+TOD移动标准，基站应支持通过1PPS信号和TOD信息输入，获得同步定时信息，使基站与传输网络上游时间同步设备之间实现满足空口时间和频率精度要求的同步。

1PPS信号和TOD信号的波形图如图1所示，1PPS秒脉冲采用上升沿作为准时沿，上升时间应小于50ns，脉宽应为20ms～200ms。TOD信息波特率默认为9600，无奇偶校验，1个起始位（用低电平表示），1个停止位（用高电平表示），空闲帧为高电平，8个数据位，应在1PPS上升沿1ms后开始传送TOD信息，并在500ms内传完，此TOD消息标示当前1PPS触发上升沿时间。TOD协议报文发送频率为每秒1次。

TOD消息使用完整的8bit一个字节的数据进行传输，采用校验和保护，使用消息类型和消息ID两级的方式对消息进行分类。bit0代表字节中的最低有效位（LSB，Least Significant Bit），每个字节发送时，bit0最先发送。TOD报文包括帧头、消息类、消息ID、消息长度域、净负荷域和帧校验序列（FCS，Frame Check Sequence）域，对于超过一个字节的域（消息长度域和净负荷域），需遵循降序（Big Endian）规范。

在TOD帧的净负荷域中传输的消息内容包括：GPS时间周内秒、GPS时间周数、GPS时间与UTC时间偏移量、秒脉冲状态、PPS抖动量级等内容。

2、UBX标准