一种TDMA网络精确时间同步技术

四川九洲电器集团有限责任公司 朱 磊陆军航空兵军事代表局驻成都地区军事代表室 曹德垚

一种TDMA网络精确时间同步技术

四川九洲电器集团有限责任公司 朱 磊
陆军航空兵军事代表局驻成都地区军事代表室 曹德垚

本文介绍了一种基于TDMA机制的设备精确时间同步的技术。通过搭建低成本硬件电路的方式,采用往返计时周期测量方法,控制DAC输出,实现改变本地时钟的目的。该技术降低了设计成本和开发难度,延长了产品生命周期,设计灵活且容易实现。

TDMA;同步;NTR;恒温压控晶振

1.引言

基于TDMA运行机制的网络必须建立网内同步,使各个设备工作在同一时间基准上。网络时间同步的任务就是使网络中各个从设备的本地时间无限接近网络基准时间。在主从时间网络系统中,指定其中一个设备作为网络时间基准NTR(Network Time Reference),这个节点所保持的时间即是系统网络时间。网络同步质量的恶化将导致传输信号中产生大量的抖动、帧失步、误码,甚至网络中断,严重影响网络的稳定性和可靠性。

2.现有技术的缺点

当前基于TDMA的通信网为了提高网络设备间的时间同步能力,最直接的方法就是选用更高等级的晶振,提高晶振输出信号的稳定度和准确度,但是成本也成倍增长。另外,随着产品使用时间的增加,晶振老化加剧,其个体时间漂移的差异将造成各个设备之间时间偏差持续增长,却没有有效的办法来控制时间误差,影响网络时间同步性能。

3.TDMA网络时间同步原理

网内时间同步采用往返计时消息的方法实现主从设备之间的时间同步,其具体工作原理如图1所示。从设备在一个特定的时隙内主动发送RTTI(Round Trip Timing-Interrogation,往返计时询问)消息,并在同一个时隙内接收RTTR(Round Trip Timing-Reply,往返计时应答)消息。NTR收到RTTI后在当前时隙的固定时刻准时发送RTTR,RTTR消息中包含由NTR确定的询问信号到达时间TOAI。从设备在收到RTTR后确定信号到达时间TOAR。

图1 往返计时消息同步原理示意图

假设RTTI和RTTR的传播时间相等,忽略从设备的消息处理时间、接收抖动等误差,根据图1有

式中,TOAI是由NTR终端确定的RTTI询问消息到达时间; TOAR是由从设备确定的RTTR应答消息到达时间;td是固定值;tp是 RTT消息的传播时间;E是两个终端之间的时钟偏差,即从设备需要校正的时间偏差。整理合并式(a)、(b),有:

利用式(c)即可计算出从设备需要校正的时间偏差E,将此时间偏差对本地时钟进行校正即可修正从设备与NTR之间的时间偏差。

4.压控晶振调节原理

通信设备的本地时钟信号源一般采用晶体振荡器。压控晶振具有电压控制端,可以实现在一定范围内对晶振输出时钟频率进行小范围调节。本方案即是通过搭建硬件控制电路、采用特殊算法控制此电压控制端来实现本地时钟的自动精密调节,从而实现网络时间精确同步的。本方案的压控晶振控制电路如图2所示。压控晶振的时钟输出信号作为设备的时钟源,是整个设备工作的时间来源。

图2 压控晶振控制电路示意图

5.时间精确同步技术详细方案

首先测量从设备与NTR之间的时间偏差,通过调节DAC电压的方法得到一个初始的稳定电压Vini,此电压能使从设备与NTR之间的时间偏移保持最小。

确定初始电压后,从设备发出RTTI信号,NTR设备在接收到此信号后在同一时隙内发出RTTR信号,如果从设备是第一次接收到RTTR信号,那么此时的相对时间误差包含两部分:

1)电磁波空间传播延时造成的时间误差△T1;

2)主从设备之间晶振个体差异造成的时间误差△T2,并且△T1>>△T2。

因此第一次接收到RTTR后只需将传播延时误差抵消即可,并不进行DAC电压调节。在将传播延时误差修正后,再次进行RTTI时间请求,接收到RTTR消息后计算出从设备的TOA,根据公式(c)即可计算出主从设备之间的时间误差△T2,根据△T2值做如下处理:

1)△T2>0,表示从设备本地时间比NTR滞后,如果晶振的电压频率特性曲线为正,则需增加电压输出值,即增加DAC芯片内部电压参数设置值D,反之则需减小电压参数设置值D;

2)△T2<0,表示从设备本地时间比NTR提前,如果晶振的电压频率特性曲线为正,则需减小电压输出值,即减小DAC芯片内部电压参数设置值D,反之则需增加电压参数设置值D。

将调整后的电压Vt输出到晶振压控端即可改变时钟输出频率,从而达到调整从设备与NTR时间误差、实现网络时间精确同步的目的。

6.结束语

本技术方案适用于对系统网络时间同步精度要求较高的通信网络。此技术可以在不更换高等级时钟源的情况下,使用较低成本实现网络时间精确同步。本方案实施方法简单有效、软件升级方便,设备长期工作后还可通过软件升级的方式继续延长产品的使用寿命,节约了成本、延长了产品的生命周期。

[1]于佳亮,程华,于天泽。通信同步网与网同步[M]。人民邮电出版社,2011.1.

[2]梅文华,蔡善法。JTIDS/Link16数据链[M]。国防工业出版社,2007.6.

[3]Mischa Schwartz。Mobile Wireless Communications[M]。电子工业出版社,2006.9.

朱磊(1982-),男,汉族,四川眉山人,工程师,主要从事二次雷达和数据链专业领域系统设计和开发工作。

曹德垚(1985-),男,彝族,贵州毕节人,助理工程师,主要从事武器装备质量监督工作。