助力新基建 構建精準時間同步體系

張鎮(zhèn)

隨著5G等新型基礎設施持續(xù)建設和發(fā)展，在未來萬物互聯(lián)的龐大信息網(wǎng)絡中，跨路由節(jié)點之間的彼此協(xié)同、大數(shù)據(jù)處理及節(jié)點數(shù)據(jù)融合的精度等環(huán)節(jié)，對精準時間同步要求越來越高。如果時間順序出現(xiàn)混亂或者誤差，將影響決策和執(zhí)行效果，造成高昂的成本和嚴重的安全問題。因此，精準的時間同步在新型基礎設施建設中至關重要。

精準時間同步對新型基礎設施有著戰(zhàn)略意義。當前，我國新型基礎設施中有大量設備在時間同步方面采用GPS授時。不過，GPS存在易受電子干擾且隨時可能中斷服務的致命威脅，為保障我國新型基礎設施建設和運行的安全、可靠和穩(wěn)定，建設我國自主的精準時間同步體系已刻不容緩。

新基建對精準時間同步提出更高要求

以5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等為代表的新型信息基礎設施，通信信號載波頻率的穩(wěn)定、上下行時隙校準、可靠傳送等方面都需要精確的時間同步控制。

雖然當前對時間同步精度沒有完全確定，但是行業(yè)應用有嚴格的低時延、低抖動、低丟包率承載要求，對精準時間同步的質量要求也將越來越高。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的網(wǎng)絡跳頻、資源分配、路由轉發(fā)和數(shù)據(jù)融合等都依賴時間同步的應用，否則不能正常運行。特別是時間敏感型的，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，對在設備，上維持端到端的時間精度要求更高，甚至達到納秒級。而對于衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、低軌衛(wèi)星，只有實現(xiàn)相互間的精準時間同步，才能為覆蓋區(qū)域提供高速衛(wèi)星通信。另外，在智慧電網(wǎng)、智能礦山、智能道路等融合基礎設施，以及重大科技基礎設施中，系統(tǒng)控制、設備執(zhí)行、運行統(tǒng)計、異常處理等都需要統(tǒng)一時間標準，否則將無法正常運行。

精準的時間同步是網(wǎng)絡的“脈搏”，是一切智能化應用的基礎。缺少統(tǒng)一的精準時間作為基準，各網(wǎng)絡節(jié)點采集的數(shù)據(jù)信息將被割裂，各類終端信息將難以統(tǒng)一處理，各種分布式設備的工作將無法協(xié)同，新基建中的人與物、物與物將無法動態(tài)、精確地投射到數(shù)字空間中。人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等都需要有相同的時間基準，才能對事件發(fā)生的時間和順序做準確記錄;工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)等需要精準的時間同步來記錄各傳感器的數(shù)據(jù)，才能監(jiān)測設備和系統(tǒng)是否正常運行;智能交通、自動駕駛等需要探測障礙物位置和制動裝置等信息，只有在高精度時間同步后，才能夠相互避讓、避免碰撞。

精準時間信息是所有新基建活動的基礎，在超大規(guī)模信息系統(tǒng)中有大量的時間同步設備接，人。由于應用環(huán)境越來越復雜，所以一旦授時系統(tǒng)被千擾、欺騙和破壞，時間同步的性能和精度將劣化，甚至造成整個系統(tǒng)的癱瘓。對于新基建的安全而言，可靠的時間同步是基礎，提高相關設施的安全保護和快速恢復能力至關重要。

精準時間同步建設

面臨諸多問題

頂層設計不夠，缺少標準時間管理的指導和規(guī)范。當前，我國將時間同步所屬的時間頻率行業(yè)納入市場行為和管理體系中。既沒有通過立法形式將時間標準納入國家法制計量范圍，確定應有的法律地位，也沒有設定歸口部門強制管理、厘清民用標準時間管理體制和機制。相比較而言，美國非常重視標準時間的建設和管理，先后簽署并通過了《關鍵基礎設施的安全性和彈性》《國家授時彈性與安全法案》《通過負責任地使用定位、導航與授時服務來增強國家彈性》等法規(guī)和行政命令，旨在確保美國標準時間管理的安全性和可靠性，并設立“SSA"作為統(tǒng)籌協(xié)調(diào)部門，與國土安全部、商務部、國防部和交通部等部門共同加強授時基礎設施建設，應對可能出現(xiàn)的風險。

標準規(guī)范缺乏，難以支撐新基建的時間同步建設。新基建的精準時間同步是系統(tǒng)工程，涵蓋以原子鐘或高穩(wěn)晶振為時間源的，上游產(chǎn)品，以時間同步模塊和時間同步設備為集成的中游系統(tǒng)，以及以星基和陸基為授時、網(wǎng)絡為手段的標準時間下游應用領域。新基建的精準時間同步涉及范圍廣、應用領域多，需要有相關的產(chǎn)品技術、測試方法和應用領域建設規(guī)范等標準，才能滿足新基建的精準時間同步建設的推廣使用。

在關鍵部件領域，無論上游的原子鐘或高穩(wěn)晶振，還是中游的時間同步設備和系統(tǒng)，所涉及的技術要求及測試方法的標準都處于剛剛起步，甚至是空白階段。在傳輸和組網(wǎng)領域，我國2020年發(fā)布了《高精度時間同步技術要求》行業(yè)標準，采用星基授時方式，主要適用于普通工業(yè)監(jiān)測和3G通信等領域，最多可滿足30個時間同步設備接人，最高時間精度設定為微秒級。但在以5G通信為基礎的、更高時間精度的新基建領域，現(xiàn)有標準中未能涉及，無法滿足建設需要。在新基建應用領域，精準時間同步在通信、物聯(lián)網(wǎng)、電力、高速交通、軌道交通、自動駕駛等新基建應用領域正逐漸興起。不過，除電力領域出臺過《電力系統(tǒng)時間同步基本規(guī)定》《智能變電站時間同步系統(tǒng)及設備技術規(guī)范》等行業(yè)標準外，其他新基建應用領域的時間同步的建設和技術規(guī)范都還是空白，統(tǒng)籌和支撐作用不足。

核心技術待加強，無法實現(xiàn)短時間內(nèi)自主發(fā)展。在高端原子鐘領域，高精準授時完全依賴原子鐘質量。目前，銣原子鐘在我國應用得最為廣泛，部分類型產(chǎn)品已實現(xiàn)國產(chǎn)化，基本具備了自給自足的供應能力。但穩(wěn)定性更好的銫原子鐘和CRT等新型原子鐘領域，依然被國外企業(yè)所壟斷。目前，我國正處于研發(fā)試制階段。在高端晶體器件領域，電子設備中的時鐘晶體振蕩器十分容易受到電磁溫度、濕度等外界環(huán)境干擾，造成的誤差可能會帶來嚴重后果。因此，高穩(wěn)定性和高可靠性的晶體才能確保時間信號的穩(wěn)定。當前，國內(nèi)晶體企業(yè)在高基頻、高穩(wěn)定度、高可靠性、抗惡劣環(huán)境等技術研發(fā)和制造水平上，與國外企業(yè)相比仍存在差距。在時間同步芯片領域，時間同步設備主要包括衛(wèi)星接收模塊、控制存儲模塊、時間同步模塊。其中，時間同步模塊主要可以實現(xiàn)高精密時鐘頻率的控制與選擇，涉及的芯片包括頻率合成類器件、抖動過濾芯片驅動芯片等。目前，時間同步芯片是我國時間同步設備發(fā)展最為薄弱的環(huán)節(jié)，還沒有信息顯示國內(nèi)企業(yè)已涉足此領域。

風險應對不足也可能出現(xiàn)災難性后果。一是過度依賴星基授時的風險。目前，我國正在建設和完善以衛(wèi)星導航系統(tǒng)授時為主、陸基授時為輔的授時體系。新基建的精確授時主要依賴GPS和北斗等星基授時系統(tǒng)，一旦星基授時信號受到外界干擾或因不可抗力因素遭到破壞，將使得新基建各個領域的時間同步系統(tǒng)應用失效。另外，室內(nèi)、礦山、高電磁環(huán)境等場景無法通過星基授時獲取時間，這也極大限制了新基建的應用和發(fā)展。二是存量GPS授時設備的風險。當前，我國大量時鐘同步設備是以GPS授時為主，存量GPS授時設備風險需要高度關注。三是網(wǎng)絡傳輸協(xié)議的風險。當前，IEEE1588V2協(xié)議及其衍生無線網(wǎng)絡協(xié)議主要使用的高精度時間同步傳輸協(xié)議，能夠讓一定數(shù)量的時間同步設備實現(xiàn)亞微秒級精度。而未來5G時代所需納秒級甚至更高的時間精度，將導致IEEE1588V2協(xié)議無法保證可靠應對等風險。

對高精度時間同步

三點建議

第一，加強頂層設計，將標準時間納人強制性管理。一是開展標準時間管理領域立法研究和相關法規(guī)建設工作。按照我國法律法規(guī)，制定授時基礎設施的管理指南、安全保護、監(jiān)測預警、應急處置和檢測評估等規(guī)范。把時間標準納人國家法制計量，將原子鐘、高穩(wěn)晶振等時間計量器具列入《實施強制管理的計量器具目錄》。協(xié)同推進標準時間管理，提升新基建精準時間同步的發(fā)展和安全水平。二是設立國家級時間標準管理機構，負責統(tǒng)籌全國范圍內(nèi)授時體系規(guī)劃制定、總體體系設計和授時基礎設施管理，以及政策法規(guī)、標準規(guī)范產(chǎn)業(yè)發(fā)展等統(tǒng)籌協(xié)調(diào)工作。

第二，完善標準規(guī)范，加快技術研發(fā)夯實發(fā)展基礎。一是加快制定和完善原子鐘、高穩(wěn)晶振、時間同步設備等國家標準和行業(yè)標準，包括測試方法、性能評價、使用標準、行業(yè)規(guī)范條件等。制定時間同步產(chǎn)品評價標識管理辦法，對產(chǎn)品的時間精度等級和可靠性進行評價，動態(tài)管理和發(fā)布評價結果與標識產(chǎn)品目錄。二是重新修訂《高精度時間同步技術要求》。加人陸基授時網(wǎng)絡和5G通信網(wǎng)絡的建設內(nèi)容，明確不同數(shù)量的時間同步設備接入和傳輸網(wǎng)絡抖動等對時間精度的影響，提高時間同步信號傳輸和組網(wǎng)的可靠性和時間精度，滿足新基建應用領域時間同步信號傳輸網(wǎng)的建設需要。三是加快推進工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、智能交通、智能電網(wǎng)等新基建不同應用領域的時間同步基本規(guī)定、系統(tǒng)及設備技術規(guī)范等，并針對越來越復雜的環(huán)境，強化抗干擾性、抗摧毀性等安全性的建設要求。四是以自主創(chuàng)新為主線，對精準時間同步涉及的核心產(chǎn)業(yè)鏈和供應鏈嚴格分析把關，加快新一代原子鐘、高穩(wěn)晶振、時間同步芯片產(chǎn)業(yè)鏈中關鍵環(huán)節(jié)的技術研發(fā)、成果轉化、檢驗評價等平臺建設，保障新基建領域精準時間同步建設需要。

第三，采取多樣舉措，積極防范、化解可能出現(xiàn)的風險。一是減少對星基授時的依賴，發(fā)揮國家時間頻率中心作用，建設和完善覆蓋全國多系統(tǒng)融合陸基授時體系。加快小規(guī)模光網(wǎng)絡的建設和驗證，形成我國光網(wǎng)絡授時體系獨立自主的理論、系統(tǒng)、技術和標準，條件成熟后建設全國光網(wǎng)絡高精度授時網(wǎng)絡。二是加快存量設備GPS授時替換，評估不同應用領域GPS授時信號消失帶來的危害性，制定關鍵領域存量設備GPS授時模塊的替換時間表，加快將GPS授時向北斗/GPS雙模授時或其他標準時間信息的替換。三是推動時間同步信息傳輸協(xié)議的技術和安全測評標準研究。將現(xiàn)有應用中的時間同步信息傳輸?shù)陌踩珳y評及風險評估，納人新基建安全風險管理過程，并推動新型時間同步信息傳輸協(xié)議的發(fā)展和進步，充分應對未來超大數(shù)量級時間同步設備的高精度時間同步需要。