楊 輝，蔚保國，王正勇，于 奧，白 巍，張 杰

(1.北京郵電大學 信息光子學與光通信國家重點實驗室，北京 100876；2.衛(wèi)星導航系統(tǒng)與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081)

0 引言

空間信息網(wǎng)絡是以空間平臺(如高、中、低軌道衛(wèi)星，氣球和飛機等)為載體，實時獲取、傳輸和處理空間信息的網(wǎng)絡系統(tǒng)。作為國家重要基礎設施，空間信息網(wǎng)絡應用于服務移動網(wǎng)絡系統(tǒng)、遠洋航行、應急救援、導航定位、航空運輸和航天測控等重大應用的同時，向下可支持對地觀測的高動態(tài)、寬帶實時傳輸，向上可支持深空探測的超遠程、大時延可靠傳輸，從而將人類科學、文化、生產(chǎn)活動拓展至空間、遠洋、乃至深空，是全球范圍的研究熱點[1]。隨著空間信息網(wǎng)絡的快速發(fā)展，不可避免地出現(xiàn)了網(wǎng)絡規(guī)模可擴展與時間同步高精度的挑戰(zhàn)[2]。以中國第三代移動通信標準中的TD-SCDMA為例，由于TD-SCDMA網(wǎng)絡需要承載高清視頻、高質量通話等對時間同步精度要求較高的業(yè)務[3]，網(wǎng)絡基站目前使用GPS作為其唯一的時間源[4]。有了GPS系統(tǒng)的高精度授時，TD-SCDMA可以實現(xiàn)在相同頻率發(fā)送上行/下行數(shù)據(jù)，保持基站之間的同步，并將同步精度控制±1.5 μs內[5]。但眾所周知，GPS系統(tǒng)從實際應用來看具有較高的安全隱患。據(jù)統(tǒng)計，GPS部分除了射頻模塊外，已經(jīng)成為第二高頻故障率衛(wèi)星系統(tǒng)，約占全球總故障數(shù)的15%[6]。2010年就曾有報道稱一對美國夫婦輕信GPS導航儀上可以節(jié)省40 km的路程，隨后將汽車陷入雪地中，足足花費了3天的時間才找到一個能夠撥打手機的地方[7]。

第五代移動通信標準(5G)可以提供超快的網(wǎng)絡速度(網(wǎng)速可達5～6 M/s)，極低延遲的網(wǎng)絡環(huán)境已成為5G網(wǎng)絡平穩(wěn)運行的必要條件[8]。為了獲得這個結果，高穩(wěn)定、高可靠的授時系統(tǒng)對于5G移動網(wǎng)絡至關重要。在這種情況下，北斗系統(tǒng)可能是替代GPS系統(tǒng)實現(xiàn)5G網(wǎng)絡高精度時間同步的最優(yōu)選擇，而優(yōu)化空間信息網(wǎng)絡衛(wèi)星系統(tǒng)的時間同步是其必要條件。為了實現(xiàn)這一目標，提出利用光載無線網(wǎng)絡(Radioover Fiber Network，RoFN)來提高空間信息網(wǎng)絡衛(wèi)星地面基站的時間同步精度。RoFN是通過將射頻信號的子載波調制到光載波來實現(xiàn)光纖網(wǎng)絡傳輸?shù)募夹g[9]。利用光載無線網(wǎng)絡中的模擬傳輸特征，傳遞北斗衛(wèi)星時鐘信號，在實現(xiàn)時鐘同步的同時，提升同步精度和網(wǎng)絡傳輸帶寬，避免了數(shù)字化同步過程中帶來的失真和帶寬浪費[10]。此外，在時間同步過程中，至少需要處理星/地通信和地/地通信這2種通信模式，這意味著需要同時處理有線和無線傳輸。而軟件定義的光網(wǎng)絡(Software Defined Optical Network，SDON)作為統(tǒng)一的控制架構，可以實現(xiàn)由控制功能與傳送功能的緊耦合到控制功能與運營功能的緊耦合、由以連接過程為核心的閉合控制到以組網(wǎng)過程為核心的開放控制的模式轉變[11]。因此，應用SDON技術來控制和優(yōu)化空間信息網(wǎng)絡中的資源分配是十分必要的。

1 空間信息網(wǎng)絡時間同步網(wǎng)絡架構：軟件定義光載無線網(wǎng)絡

隨著移動網(wǎng)絡的快速發(fā)展，移動互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)量呈指數(shù)級增長，移動網(wǎng)絡資源調度變得越來越復雜，傳統(tǒng)網(wǎng)絡結構中服務質量(Quality of Service，QoS)不能得到保證。而在RoFN中，RoF技術可以將大型基站設施集中到中心站(Central Station，CS)，使得運營商可以更容易地添加新的無線小區(qū)站點，并且其在系統(tǒng)成本方面也很有競爭力。換句話說，正是由于RoFN的出現(xiàn)，遠程基站(Remote Base Station，RBS)大大簡化，設備和頻譜帶寬資源成為可以動態(tài)分配的共享資源[12]。另外，RoFN在CS中集中資源的思想與SDON的集中控制思想相吻合。所以，構建軟件定義的光載無線網(wǎng)絡(SD-RoFN)的想法已經(jīng)呼之欲出。

SD-RoFN的融合網(wǎng)絡架構如圖1(a)所示。該架構由3部分組成：衛(wèi)星系統(tǒng)部分(包括同步衛(wèi)星和地面基站)、RoFN部分(包括CS、邊緣節(jié)點和RBS)和SDN控制器。對于衛(wèi)星系統(tǒng)的一部分，同步衛(wèi)星發(fā)揮原子鐘信號發(fā)生器的作用，而地面基站負責信號的接收與轉發(fā)。在RoFN架構中，光傳輸網(wǎng)絡(OTN)可以實現(xiàn)CS，地面基站和邊緣節(jié)點的互連，而分布式RBS則融合到OTN中。因此，SD-RoFN由衛(wèi)星和RoF兩種資源組成。二者均由SDN控制器以OpenFlow協(xié)議統(tǒng)一定義和控制。如圖1(b)所示，SD-RoFN共有3種時間同步信號傳輸模式：① 信號通過OTN直接傳輸?shù)降孛婊尽＠?，一些地面基站處于不適合從衛(wèi)星接收信號的位置，則可以通過光纖接收來自臨近地面基站的信號。這樣做的優(yōu)點是地面基站可以通過OTN互連。② 信號通過RoFN在地面基站和RBS之間進行傳輸。通過這種方式，使衛(wèi)星和移動網(wǎng)絡的通信互傳成為可能，實現(xiàn)5G移動網(wǎng)絡的高精度授時服務。③ 信號通過RoFN傳輸?shù)降孛婊?。它體現(xiàn)了RoFN和衛(wèi)星通信的結合，包括前2種模式。不僅可以實現(xiàn)OTN的地面基站之間的通信，還可以實現(xiàn)衛(wèi)星與移動網(wǎng)絡的連接。但是對于這個地面基站來說，它并不直接與其他地面基站連接，可以從最近的RBS接收信號，所以這種方法具有更廣泛的適用性。首先，SD-RoFN強調衛(wèi)星系統(tǒng)與RoFN之間的協(xié)作，以克服量化誤差。其次，基于RoFN和SDN的網(wǎng)絡架構大大簡化了系統(tǒng)的結構，豐富了傳輸模式，是提高交互性和提高傳輸能力的有力解決方案[13]。

(a) SD-RoFN網(wǎng)絡架構 (b) 信號傳輸方式圖1 SD-RoFN網(wǎng)絡架構與信號傳輸方式

2 基于SD-RoFN的時間同步方法

為了確保5G網(wǎng)絡時間同步的精度以及北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的正常運行，網(wǎng)絡必須首先保持不同地面基站點之間的同步精度，這就需要地面基站從衛(wèi)星原子鐘中提取時鐘信號以確保同步。然而，高精度衛(wèi)星時間同步方案要求地面基站天線具有良好的對空對地視野，以確保接收機能夠接收有效信號。雖然使用IEEE 1588時鐘同步協(xié)議可以解決時間同步精度和成本高的問題[14]，但在時間同步過程中，時鐘信號以數(shù)字信號的方式進行傳輸[15]，在信號量化過程中不可避免地會產(chǎn)生失真，導致接收器無法識別確切的同步信息。這就會增加時鐘傳輸?shù)臅r延，最終對同步延遲和精度有一定的影響[16]。

時間同步網(wǎng)絡是為傳輸網(wǎng)絡和各種業(yè)務網(wǎng)絡提供高質量、高可靠同步信號的基礎網(wǎng)絡，是保證時間同步精度和通信網(wǎng)絡正常運行的關鍵因素[17]。因此，正如圖1(a)所示，SD-RoFN中有3種同步網(wǎng)絡：① 基于地面基站的端到端同步網(wǎng)絡，適合短距離地面基站的同步；② 移動網(wǎng)絡的同步網(wǎng)絡，提供單向時間同步方案；③ 結合前2種情況的混合方案，不僅在地面基站之間提供同步網(wǎng)絡，而且還提供移動網(wǎng)絡中的同步網(wǎng)絡。因此，基于第3種方案設計了一種同步方法。

基于SD-RoFN架構的時間同步方案如圖2所示，提出了基于SD-RoFN中的原子鐘同步方案。衛(wèi)星產(chǎn)生的原子鐘由RoFN鏈接傳送到其他網(wǎng)絡單元，如RBS和地面基站。以不能接收衛(wèi)星信號的地面基站為例：首先，某一地面基站接收衛(wèi)星系統(tǒng)產(chǎn)生的原子鐘模擬同步信號。然后，同步信號將通過RoFN鏈路發(fā)送到RBS。之后，相鄰的RBS可以共享由特定RBS通過無線模式接收的模擬同步信號。最后，從相鄰RBS接收信號的RBS可以通過RoFN鏈路將模擬同步信號發(fā)送到網(wǎng)絡的每個單元，包括遠程的地面基站。

圖2 基于SD-RoFN的時間同步方案

本方案的主旨是在ROF系統(tǒng)中采用模擬信號傳輸?shù)姆绞綄崿F(xiàn)時間同步，避免了數(shù)字/模擬轉換過程中產(chǎn)生的量化誤差，進一步提升北斗地面基站之間的同步精度，同時優(yōu)化網(wǎng)絡資源，增強北斗導航系統(tǒng)的覆蓋能力，地面基站架構如圖3所示。

圖3 基于光載無線網(wǎng)絡的北斗地面基站架構示意

下面簡述實現(xiàn)方式，具體的交互過程如圖4所示。

① 地面基站B向地面基站A發(fā)送時間同步請求；

② 地面基站A向北斗系統(tǒng)發(fā)送時間同步信息請求；

③ 北斗系統(tǒng)接收到同步請求后，獲取原子鐘時鐘信號T，并將時鐘信號發(fā)送給地面基站A；

④ 地面基站A計算同步消息時延t1；

⑤ 地面基站A向地面基站B發(fā)送時間同步響應消息T+t1;

⑥ 地面基站B計算同步響應消息時延t2；

⑦ 地面基站B獲得同步時間T+t1+t2，實現(xiàn)與地面基站A的時間同步。

圖4 時間同步交互過程示意

更具體地說，時間同步過程可以分為2個步驟?！癋ollow_up”同步信號由射頻信號承載，即RoF鏈路傳送原子鐘同步信號。當信號達到時，每個網(wǎng)絡元件將提取消息以獲取準確的時鐘。而其他同步信號在傳輸過程中將始終保持數(shù)字信號的狀態(tài)。一言之，“Follow_up”消息在同步過程中是模擬的，它將會用于保證將原子鐘信號傳輸?shù)矫總€網(wǎng)絡單元，從而實現(xiàn)高精度時鐘同步。

時間同步過程如圖5所示。首先，主機發(fā)送同步消息Sync，從機記錄Sync(T2)到達的確切時間。在“Follow_up”中，主機發(fā)送在網(wǎng)絡時間(T1)的更精確測量值，這樣可以計算出傳播偏移；第二步，從機向主機發(fā)送一個Delay_req(T3)消息，并返回一個Delay_resp(T4)消息。那么系統(tǒng)可以精確地計算通過特定網(wǎng)絡部分傳輸消息所需的時間。

圖5 時間同步模型

在這2步之后，利用以下公式來獲得延遲和偏移量，并完成時間同步。

T2=T1+offset+delay，

(1)

T4=T3-offset+delay，

(2)

offset=(T2-T1-T4+T3)/2，

(3)

delay=(T2-T1+T4-T3)/2，

(4)

BiasError= |offsetideal-offsetvirtual|。

(5)

3 仿真結果與分析

對基于IEEE 1588標準的時間同步方案實現(xiàn)，已經(jīng)有了很多不同精度結果的研究。在這部分中，通過仿真和分析比較了傳統(tǒng)方法的性能和提出的方法，并通過對比常規(guī)方法和所提方法之間的偏移誤差來進行比較。仿真邏輯如圖6所示，很容易發(fā)現(xiàn)，地面基站1從衛(wèi)星獲得的主時鐘(MC)。從時鐘有2種：SC1(從時鐘1)是遠程基站；SC2(從時鐘2)是不能從衛(wèi)星接收信號的地面基站2。從時鐘之間的差異是傳輸距離和傳輸模式。從圖6中可以看出，地面基站經(jīng)光纖通過CS連接遠程基站，RBS通過無線方式相互通信。因此，SC1通過光纖獲得MC的時間信號，SC2通過光纖和無線獲取信號。需要注意的是，常規(guī)IEEE 1588同步的特點是MC和SC之間的鏈路是對稱的。因此，為了充分驗證這種方法的廣泛適用性，引入了非對稱比率，它定義為主從方向的端對端延遲除以從對主方向的端到端延遲，當非對稱比例變化時，可以記錄偏移的變化。

圖6 仿真邏輯

為了在仿真中獲得更好的對比度效果，通過式(5)定義偏差誤差。SC的偏移量設置為50 s。主從方向的端到端延遲被假定為25 ms。不對稱比例范圍為1∶1～8∶1。從時鐘偏置誤差在不對稱比例條件下的分析結果如圖7所示。

圖7 傳統(tǒng)方案與所提方案的對比結果

圖7中比較了傳統(tǒng)方法和所提方法中SC1和SC2的仿真結果，得出3個重要結論：① 偏差誤差隨著不對稱比例的增加而增加；② SC1總是比SC2好；③ 提出的方法明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法。也就是在不對稱比率條件下，所提出的方法具有一定的穩(wěn)定性和獨立性。此外，SD-RoFN架構的偏差誤差范圍為200 ns～1 μs，可滿足5G移動網(wǎng)絡標準的需求。在實驗結果中也存在一些問題，例如SC1和SC2之間的差距。這種結果的原因可能是多方面的，如無線延遲和更長的傳輸距離。此外，實際上應避免由不對稱比率引起的偏差誤差的增長。

4 結束語

重點介紹了傳輸模式對時間同步精度的影響。為了滿足5G時代的需求，討論了有關時間同步的問題，設計了SD-RoFN架構，并提出了業(yè)務模型來傳輸時間同步信息[18]。同時，引入了SDN控制器和RoF來實現(xiàn)網(wǎng)絡集中控制與高精度時間同步。最后進行了仿真對比測試，證明了該方法的準確性。數(shù)字結果表明，傳統(tǒng)方法在條件變化時具有很大的缺點，所提方法的偏差誤差在條件變化時能保持穩(wěn)定。雖然模擬信號在傳輸距離方面有一定的限制，但隨著技術的發(fā)展將會被克服。

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