分布式切换技术对时统可靠性的影响✴

韩健，刘崇伟（解放军63999部队，北京100094）

分布式切换技术对时统可靠性的影响✴

韩健，刘崇伟
（解放军63999部队，北京100094）

为了分析分布式切换技术对时统可靠性的影响，在给出集中式切换时统和分布式切换时统的结构组成和信号流程的基础上，建立了两种切换技术的频率信号和时码信号的可靠性模型，并分别计算了其可靠性。结果表明，分布式切换技术对时统频率信号和时码信号可靠性的提高均超过40%，能够为时统可靠性设计提供参考依据。

时统；分布式切换；可靠性模型；失效率

1 引言

时统是由导弹、航天试验等长距离或超长距离测量和控制的需求而发展起来的一门工程学科，目前已广泛应用于导航、测控、通信、交通等领域。时统向用户设备提供高精确度、高稳定度的标准时间和频率信号，以实现整个系统时间和频率的统一［1］。可靠性是时统最为重要的技术指标之一，因此在时统的设计和研制过程中必须进行可靠性管理［2＼〛。在传统的时统结构设计中一般采用集中式切换技术，然而集中式切换会导致切换器成为系统可靠性的瓶颈。分布式技术由于采用故障分散原则，在原理上能够提高系统可靠性［3］。国内学者对分布式技术进行了较深入的研究，但对分布式切换技术及其在时统设备中的应用和影响研究较少。本文采用可靠性工程理论对分布式切换技术在时统中的应用效果进行分析。

2 时统中的分布式切换技术

2.1 集中式切换的时统结构

时统设备主体由频率标准单元、定时单元、时码产生单元和区放输出单元组成［1］。为了提高系统可靠性，一般关键单元采用冗余备份设计。本文对冗余情况设定如下：

（1）频率标准单元采用2个铷原子钟（或石英晶振）冗余；

（2）定时单元采用GPS和“北斗”冗余；

（3）时码产生单元采用2个时码产生器冗余；

（4）区放输出单元采用2路输出为同一用户提供信号冗余。

对于冗余备份设计，多路输入需要进行选择切换，因此系统设计中需要增加切换器。在传统时统设计中一般采用集中切换方法，即切换器位于冗余单元之后和下一级输入之前，切换器选择一路信号后输入下一级单元，其结构组成和信号流程如图1所示。由此可见，在集中式切换方法中任何一个切换器发生故障则整个系统故障，因此切换器成为系统可靠性的瓶颈。

2.2 分布式切换的时统结构

分布式技术就是在网络计算平台上开发、部署、管理和维护，以资源共享和协同工作为主要目标的分布式应用系统，分布式系统具有资源共享、开放性、并发性、容错性和透明性等特征。目前分布式技术已经突破计算机领域，在工业控制、发电系统、信息监测等诸多领域获得了广泛应用［4-5］。将分布式技术应用于冗余切换方面即为分布式切换技术。分布式切换就是把切换器“后移”到下一级单元的每个冗余模块中，多路冗余信号同时输入下一级冗余模块并在其中进行选择切换，这在原理上能够解决切换器的可靠性瓶颈问题，从而提高时统可靠性。为了降低时码产生器之前定时切换和频标切换的复杂度，本文采用的方法是将频标与时码产生器“绑定”，即将频标和时码产生器一一对应关系固定，则减少了频标切换过程。

按照上述设计，时统的结构组成和信号流程如图2所示。由图可见分布式切换技术避免了切换器成为可靠性瓶颈的问题，但代价是增加了切换器的数量。

3 可靠性计算分析

3.1 可靠性模型

分布式切换技术在原理上能够提高系统的可靠性，但还需要定量的计算验证。本文根据集中式切换和分布式切换两种系统结构的信号流程建立系统的可靠性模型，进行可靠性的计算和对比。通过分析可知，在集中式切换时统结构可靠性模型中包含了热储备系统、表决系统和并联系统。其中2个定时参考源为热储备系统；2个频标为热储备系统；2个时码产生器为热储备系统；定时单元和频标单元既为串联系统又为表决系统；表决系统和时码产生器为串联系统；2个频率信号输出和2个时码信号输出均为并联系统。由分析可知，上述表决系统为特殊情形的2／2（G）系统，即定时单元和频标单元均正常时表决系统正常，该系统等价于2个单元的串联系统，又由于定时单元和频标单元本身为串联系统，因此表决系统可以忽略。则集中式切换时统的频率信号和时码信号的可靠性模型框图如图3所示。

分布式切换技术将切换器“后移”从而避免了集中切换，但是所有的切换原理仍为热储备系统。由于可靠性模型比较复杂，将频率信号和时码信号单独分析。在分布式切换频率信号可靠性模型中包含并联系统、串联系统和热储备系统。其中2个定时参考源为热储备系统；定时参考源切换后和频标为串联系统；2个频标为热储备系统；频标切换后和频率信号输出为串联系统；2个频率信号输出为并联系统。分布式切换时统结构的频率信号可靠性模型框图如图4所示，其中为了简化框图用“定时参考源切换”模块代表2个定时参考源和定时切换器组成的热储备系统。在分布式切换时码信号可靠性模型中包含并联系统、串联系统、热储备系统和表决系统，并联、串联和热储备与频率信号基本相同，不同的是定时单元和频标既为串联又为表决系统。表决系统也为特殊情形的2／2（G）系统，即定时单元和频标均正常时表决系统正常，该系统等价于2个单元的串联系统，又由于定时单元和频标本身为串联系统，因此表决系统可以忽略，即为定时单元、频标与时码产生器形成串联系统，分布式切换时统结构的时码信号可靠性模型框图如图5所示。

3.2 可靠性计算分析

为了计算上述两种结构不同信号的可靠性，首先设定所有组成单元的可靠性大小，本文采用失效率λ来表征可靠性指标。电子期间的寿命一般服从指数分布，可靠性设定如下：2个定时参考源的失效率均为λ1，定时切换失效率为λ2，2个频标的失效率均为λ3，频标切换器的失效率为λ4，时码产生器的失效率为λ5，时码切换器的失效率为λ6，频率信号输出失效率为λ7，时码信号输出失效率为λ8。根据时统不同单元的设计和工艺复杂程度、设备研制场所采用的可靠性分配方案和工程应用中的数据统计，本文对不同单元的失效率大小关系设定如下：

按照可靠性模型中的串联系统、并联系统和两单元热储备系统的系统可靠性计算方法进行计算［6］，集中式切换时统结构的频率信号和时码信号的系统失效率λtf和λtt由下式计算。

分布式切换时统结构的频率信号和时码信号的系统失效率λdf和λdt计算如下。

将两种时统结构的频率信号和时码信号系统失效率作比较，即

可见分布式切换技术降低了时统的系统失效率，即提高了系统可靠性。将两种时统结构的频率信号和时码信号的平均无故障工作时间（MTBF）作比较，即

可见基于本文对不同单元可靠性的设定，分布式切换技术对时统的频率信号系统可靠性提高了43%，对时统的时码信号系统可靠性提高了47%，提高程度均大于40%。

4 结束语

本文对分布式技术应用于时统冗余切换领域对时统可靠性的影响进行了分析，可以得出如下结论：分布式切换技术能够有效提高时统可靠性，对频率信号和时码信号可靠性的提高程度均超过40%，代价是增加了一定数量的切换器。研究结论能够为时统可靠性的设计提供一定的参考依据。另外，本文的计算结果基于对时统不同单元失效率关系的一定假设，对于其他的时统结构和不同的系统失效率，分布式切换技术对可靠性的提高程度有所不同。

［1］童宝润.时间同一系统［M］.北京：国防工业出版社，2004. TONG Bao-run.Time Unification System［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2004.（in Chinese）

［2］朱起悦.电子产品研制过程的可靠性管理［J］.电讯技术，2005，45（2）：183-187. ZHU Qi-yue.Reliability Management for Developing Electronic Product［J］.Telecommunication Engineering，2005，45（2）：183-187.（in Chinese）

［3］胡华平，金士尧，李宏亮.高可靠、强实时分布式系统的切换技术研究［J］.国防科技大学学报，1999，21（6）：80-83. HU Hua-ping，JIN Shi-yao，LI Hong-liang.The Switch Technology Study of High Reliability，Hard Real-time Distributed System［J］.Journal of National University of Defense Technology，1999，21（6）：80-83.（in Chinese）

［4］王晓楠，王颖龙.联合防空战场信息网分布式模糊控制策略［J］.电讯技术，2009，49（10）：21-25. WANG Xiao-nan，WANG Ying-long.Distributed Fuzzy Control Strategy of Joint Air-defense Battle Information Network［J］.Telecommunication Engineering，2009，49（10）：21 -25.（in Chinese）

［5］Jiang Zhanjun，Pan Wen，Zhao Xinsheng，et al.Analysis of hand ofin distributed mobile communications system based on remote antenna unit selection［J］.Journal of Southeast University（English Edition），2007，23（2）：156-161.

［6］周正伐.可靠性工程基础［M］.北京：中国宇航出版社，2009. ZHOU Zheng-fa.Reliability Engineering Foundation［M］. Beijing：China Astronautics Press，2009.（in Chinese）

HAN Jian was born in Xuzhou，Jiangsu Province，in 1980.He received the M.S.degree in 2006.He is now an engineer.His research direction is time and frequency technology.

Email：jianhan1224＠163.com

刘崇伟（1966—），男，四川南充人，1987年获学士学位，现为高级工程师，主要研究方向为军事航天通信技术。

LIU Chong-wei was born in Nanchong，Sichuan Province，in 1966.He received the B.S.degree in 1987.He is now a senior engineer.His research direction is military astronautics communication technology.

Effect of Distributed Switch Technology on Time Unification System Reliability

HAN Jian，LIU Chong-wei
（Unit63999 of PLA，Beijing 100094，China）

In order to analyse the effect of the switch technology on time unification system，the structure and signal process oftime unification system using centralized switch technology and distributed switch technology are given，the reliability models of frequency signal and time-code signal based on the two switch technology are established，and the reliability is computed respectively.The results show that distributed switch technology can improve the system reliability of frequency signal and time-code signal over 40 percent.The technology can provide reference for the reliability design of time unification system.

time unification system；distributed switch；reliability model；failure rate

TP273；TB114.3

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.02.028

韩健（1980—），男，江苏徐州人，2006获硕士学位，现为工程师，主要研究方向为时间频率技术；

1001-893X（2012）02-0255-04

2011-11-16；

2011-12-27