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CMIC:助力新基建 构建精准时间同步体系
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发布时间:2020-09-16 11:34:31   来源:赛迪智库   作者:张镇

  【CMIC讯】随着5G等新型基础设施持续建设和发展,在未来万物互联的庞大信息网络中,跨路由节点之间的彼此协同、大数据处理及节点数据融合的精度等环节,对精准时间同步要求越来越高。如果时间顺序出现混乱或者误差,将影响决策和执行效果,造成高昂的成本和严重的安全问题。因此,精准的时间同步在新型基础设施建设中至关重要。
  
  精准时间同步对新型基础设施有着战略意义。当前,我国新型基础设施中有大量设备在时间同步方面采用GPS授时。不过,GPS存在易受电子干扰且随时可能中断服务的致命威胁,为保障我国新型基础设施建设和运行的安全、可靠和稳定,建设我国自主的精准时间同步体系已刻不容缓。
  
  新基建对精准时间同步
  
  提出更高要求
  
  以5G、工业互联网、卫星互联网等为代表的新型信息基础设施,通信信号载波频率的稳定、上下行时隙校准、可靠传送等方面都需要精确的时间同步控制。
  
  虽然当前对时间同步精度没有完全确定,但是行业应用有严格的低时延、低抖动、低丢包率承载要求,对精准时间同步的质量要求也将越来越高。工业互联网中的网络跳频、资源分配、路由转发和数据融合等都依赖时间同步的应用,否则不能正常运行。特别是时间敏感型的工业互联网,对在设备上维持端到端的时间精度要求更高,甚至达到纳秒级。而对于卫星互联网、低轨卫星,只有实现相互间的精准时间同步,才能为覆盖区域提供高速卫星通信。另外,在智慧电网、智能矿山、智能道路等融合基础设施,以及重大科技基础设施中,系统控制、设备执行、运行统计、异常处理等都需要统一时间标准,否则将无法正常运行。
  
  精准的时间同步是网络的“脉搏”,是一切智能化应用的基础。缺少统一的精准时间作为基准,各网络节点采集的数据信息将被割裂,各类终端信息将难以统一处理,各种分布式设备的工作将无法协同,新基建中的人与物、物与物将无法动态、精确地投射到数字空间中。人工智能、大数据、区块链等都需要有相同的时间基准,才能对事件发生的时间和顺序做准确记录;工业物联网、智能电网等需要精准的时间同步来记录各传感器的数据,才能监测设备和系统是否正常运行;智能交通、自动驾驶等需要探测障碍物位置和制动装置等信息,只有在高精度时间同步后,才能够相互避让、避免碰撞。
  
  精准时间信息是所有新基建活动的基础,在超大规模信息系统中有大量的时间同步设备接入。由于应用环境越来越复杂,所以一旦授时系统被干扰、欺骗和破坏,时间同步的性能和精度将劣化,甚至造成整个系统的瘫痪。对于新基建的安全而言,可靠的时间同步是基础,提高相关设施的安全保护和快速恢复能力至关重要。
  
  精准时间同步建设
  
  面临诸多问题
  
  顶层设计不够,缺少标准时间管理的指导和规范。当前,我国将时间同步所属的时间频率行业纳入市场行为和管理体系中。既没有通过立法形式将时间标准纳入国家法制计量范围,确定应有的法律地位,也没有设定归口部门强制管理、厘清民用标准时间管理体制和机制。相比较而言,美国非常重视标准时间的建设和管理,先后签署并通过了《关键基础设施的安全性和弹性》《国家授时弹性与安全法案》《通过负责任地使用定位、导航与授时服务来增强国家弹性》等法规和行政命令,旨在确保美国标准时间管理的安全性和可靠性,并设立“SSA”作为统筹协调部门,与国土安全部、商务部、国防部和交通部等部门共同加强授时基础设施建设,应对可能出现的风险。
  
  标准规范缺乏,难以支撑新基建的时间同步建设。新基建的精准时间同步是系统工程,涵盖以原子钟或高稳晶振为时间源的上游产品,以时间同步模块和时间同步设备为集成的中游系统,以及以星基和陆基为授时、网络为手段的标准时间下游应用领域。新基建的精准时间同步涉及范围广、应用领域多,需要有相关的产品技术、测试方法和应用领域建设规范等标准,才能满足新基建的精准时间同步建设的推广使用。
  
  在关键部件领域,无论上游的原子钟或高稳晶振,还是中游的时间同步设备和系统,所涉及的技术要求及测试方法的标准都处于刚刚起步,甚至是空白阶段。在传输和组网领域,我国2020年发布了《高精度时间同步技术要求》行业标准,采用星基授时方式,主要适用于普通工业监测和3G通信等领域,最多可满足30个时间同步设备接入,最高时间精度设定为微秒级。但在以5G通信为基础的、更高时间精度的新基建领域,现有标准中未能涉及,无法满足建设需要。在新基建应用领域,精准时间同步在通信、物联网、电力、高速交通、轨道交通、自动驾驶等新基建应用领域正逐渐兴起。不过,除电力领域出台过《电力系统时间同步基本规定》《智能变电站时间同步系统及设备技术规范》等行业标准外,其他新基建应用领域的时间同步的建设和技术规范都还是空白,统筹和支撑作用不足。
  
  核心技术待加强,无法实现短时间内自主发展。在高端原子钟领域,高精准授时完全依赖原子钟质量。目前,铷原子钟在我国应用得最为广泛,部分类型产品已实现国产化,基本具备了自给自足的供应能力。但稳定性更好的铯原子钟和CRT等新型原子钟领域,依然被国外企业所垄断。目前,我国正处于研发试制阶段。在高端晶体器件领域,电子设备中的时钟晶体振荡器十分容易受到电磁、温度、湿度等外界环境干扰,造成的误差可能会带来严重后果。因此,高稳定性和高可靠性的晶体才能确保时间信号的稳定。当前,国内晶体企业在高基频、高稳定度、高可靠性、抗恶劣环境等技术研发和制造水平上,与国外企业相比仍存在差距。在时间同步芯片领域,时间同步设备主要包括卫星接收模块、控制存储模块、时间同步模块。其中,时间同步模块主要可以实现高精密时钟频率的控制与选择,涉及的芯片包括频率合成类器件、抖动过滤芯片、驱动芯片等。目前,时间同步芯片是我国时间同步设备发展最为薄弱的环节,还没有信息显示国内企业已涉足此领域。
  
  风险应对不足也可能出现灾难性后果。一是过度依赖星基授时的风险。目前,我国正在建设和完善以卫星导航系统授时为主、陆基授时为辅的授时体系。新基建的精确授时主要依赖GPS和北斗等星基授时系统,一旦星基授时信号受到外界干扰或因不可抗力因素遭到破坏,将使得新基建各个领域的时间同步系统应用失效。另外,室内、矿山、高电磁环境等场景无法通过星基授时获取时间,这也极大限制了新基建的应用和发展。二是存量GPS授时设备的风险。当前,我国大量时钟同步设备是以GPS授时为主,存量GPS授时设备风险需要高度关注。三是网络传输协议的风险。当前,IEEE1588V2协议及其衍生无线网络协议主要使用的高精度时间同步传输协议,能够让一定数量的时间同步设备实现亚微秒级精度。而未来5G时代所需纳秒级甚至更高的时间精度,将导致IEEE1588V2协议无法保证可靠应对等风险。
  
  对高精度时间同步
  
  三点建议
  
  第一,加强顶层设计,将标准时间纳入强制性管理。一是开展标准时间管理领域立法研究和相关法规建设工作。按照我国法律法规,制定授时基础设施的管理指南、安全保护、监测预警、应急处置和检测评估等规范。把时间标准纳入国家法制计量,将原子钟、高稳晶振等时间计量器具列入《实施强制管理的计量器具目录》。协同推进标准时间管理,提升新基建精准时间同步的发展和安全水平。二是设立国家级时间标准管理机构,负责统筹全国范围内授时体系规划制定、总体体系设计和授时基础设施管理,以及政策法规、标准规范、产业发展等统筹协调工作。
  
  第二,完善标准规范,加快技术研发夯实发展基础。一是加快制定和完善原子钟、高稳晶振、时间同步设备等国家标准和行业标准,包括测试方法、性能评价、使用标准、行业规范条件等。制定时间同步产品评价标识管理办法,对产品的时间精度等级和可靠性进行评价,动态管理和发布评价结果与标识产品目录。二是重新修订《高精度时间同步技术要求》。加入陆基授时网络和5G通信网络的建设内容,明确不同数量的时间同步设备接入和传输网络抖动等对时间精度的影响,提高时间同步信号传输和组网的可靠性和时间精度,满足新基建应用领域时间同步信号传输网的建设需要。三是加快推进工业互联网、人工智能、智能交通、智能电网等新基建不同应用领域的时间同步基本规定、系统及设备技术规范等,并针对越来越复杂的环境,强化抗干扰性、抗摧毁性等安全性的建设要求。四是以自主创新为主线,对精准时间同步涉及的核心产业链和供应链严格分析把关,加快新一代原子钟、高稳晶振、时间同步芯片产业链中关键环节的技术研发、成果转化、检验评价等平台建设,保障新基建领域精准时间同步建设需要。
  
  第三,采取多样举措,积极防范、化解可能出现的风险。一是减少对星基授时的依赖,发挥国家时间频率中心作用,建设和完善覆盖全国多系统融合陆基授时体系。加快小规模光网络的建设和验证,形成我国光网络授时体系独立自主的理论、系统、技术和标准,条件成熟后建设全国光网络高精度授时网络。二是加快存量设备GPS授时替换,评估不同应用领域GPS授时信号消失带来的危害性,制定关键领域存量设备GPS授时模块的替换时间表,加快将GPS授时向北斗/GPS双模授时或其他标准时间信息的替换。三是推动时间同步信息传输协议的技术和安全测评标准研究。将现有应用中的时间同步信息传输的安全测评及风险评估,纳入新基建安全风险管理过程,并推动新型时间同步信息传输协议的发展和进步,充分应对未来超大数量级时间同步设备的高精度时间同步需要。

责任编辑:言笑晏晏

 
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