焦利彬，赵 辉，阮军洲

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081;2.中国人民解放军75660部队，广西 桂林 541002)

0 引言

作为保证网络正常工作的关键技术之一，网同步的稳定与否决定着通信质量的好坏。由于时钟不稳会造成传输信号的滑码，这对不同种类的业务产生的影响表现也各不相同，严重时甚至会造成通信系统的瘫痪［1］。不同的网络规模、网络等级以及网络设计成本影响着通信网网同步所采取的同步方式。研究适合网络应用、具有一定稳准度的网同步技术一直一来都是各种通信网的重要研究方向之一。

某专用通信网网络规模在100个节点左右，全网为网状结构，节点采用异步传输方式(ATM交换机)，可以承载话音、数据和视频等多种业务，网络拓扑变化较频繁，中继线路采用无线通信为主，链路不稳定。网络对时钟同步要求不是太高，要求频率稳定度小于0.5 PPM，频率控制范围在50 PPM范围以内，同步收敛时间不大于100 s。本文根据实际需求，设计了一种可以容纳多种同步方式的专用通信网的网同步软件实现方案，满足了网络通信需求。

1 网同步技术概述

随着数字通信网向高速传输速率的发展，通信网络的同步技术越来越成为网络设计时考虑的重要问题之一［2］。通信网的同步是指对网内各交换节点的时钟频率和相位进行统一协调，使各个节点的时钟频率和相位一致，包括帧同步和时钟频率同步2个方面内容［3，4］，其中时钟同步是数字通信网工作的基本条件。通信网同步方式主要有准同步、主从同步和互同步3种同步方式。

1.1 准同步方式

准同步方式［2］是指网内各节点上都具有独立的高精度时钟源，这些时钟源具有一致的标称频率和频率容差，但实际的频率有微小差别，且各节点时钟相互独立，互不控制。由于没有时钟之间的相互控制问题，所以具有简单、灵活、不需要占用额外的网络资源等优点，同时，由于各节点的时钟源性能要求较高，且各时钟源不能做到频率完全一致，因此存在成本较高、周期性滑动的缺点。准同步方式一般用于大型的通信网络中。

1.2 主从同步方式

主从同步方式［5］是指在网内设置一个主时钟和若干个从时钟，以主时钟的频率来控制从时钟的信号频率，即各从时钟的信号频率根据主基准时钟适时调整各自的频率，保持与主基准时钟相同的精度，因此，网内只需要一个高性能的主基准时钟就能满足全网的时钟精度要求。主从同步具有同步费用低、正常情况下不存在周期性滑动等优点;由于要传输主基准时钟信号，因此造成全网同步时钟受主基准时钟、级联节点状况、传输线路状况等条件的限制，另外，对于网络拓扑经常变化的复杂通信网络，存在同步规划困难的缺点，容易形成定时环路。主从同步方式适用于星型或树状网络。

1.3 互同步方式

互同步方式［6］不区分时钟级别，每个时钟均接受其他节点时钟传送的定时信号，将自身频率锁定在所有接收到的定时信号频率的加权平均值上，最后网内所有节点时钟均稳定于一个统一的均值频率，从而实现全网的同步工作。互同步方式具有同步成本低、抗毁性强、可靠性高以及应用方式灵活等优点。由于参与同步计算的时钟较多，因此互同步方式存在受网络参数变化影响大、与其他同步方式兼容困难等缺点。互同步方式适用于网状网络。

2 网同步软件设计实现

组成专网的网络节点没有高稳时钟源，网络拓扑变化频繁，专用通信网的网同步要求以互同步方式为主，能够兼容准同步、外同步和主从同步方式［7］。网同步软件属于交换机软件中的高层应用软件，由初始化软件、定时中断处理软件、维护消息处理软件、网同步控制软件、晶振切换控制软件、加权系数算法软件和故障节点排除软件等组成。各软件模块接收外部用户指令，相互协作，通过操作相关时钟硬件，完成对本节点时钟的控制。网同步软件的组成架构如图1所示。

图1 网同步软件组成图

2.1 初始化软件

初始化软件主要完成:①初始化相关的硬件寄存器，例如:PortID［i］，用于记录各路时钟频率计数器的地址;②初始化软件使用的全局变量，例如:

typedef struct

{

UINT8 clk_State;/*该路时钟是否满足同步计算条件*/

UINT16 lastFreq;/*上一次频率比较计数值频率部分*/

UINT16 curFreq;/*当前频率比较计数值频率部分*/

UINT16 curPhase;/*当前频率比较计数值相位部分*/

UINT8 weight; /*时钟权值*/

}_PACK_STRUCT_ CPT_T，用于记录各路时钟特性;初始化定时中断，用于挂接、使能定时读取各路时钟频率和相位值的中断处理器;生成网同步时钟控制软件的任务实体和消息队列。交换机上电后，通过调用初始化软件的主函数启动网同步软件。

2.2 网同步控制软件

网同步控制软件完成时钟同步计算与时钟控制的主要控制功能，同时实现维护消息处理、加权平均算法和晶振切换控制等软件模块的调度管理，处理维护消息，根据定时中断得到的频率相位差，进行时钟关系计算，控制本地的时钟。

网同步控制软件是整个软件的主体，其主要流程如图2所示。

图2 网同步控制软件流程图

2.3 定时中断处理软件

定时中断处理软件用于定时读取硬件锁存的各路输入时钟的频率和相位值，并通过消息队列发送给网同步控制软件，从而使网同步控制软件根据本次的频率、相位值与上次的频率、和相位值进行计算，得出各路时钟的频率和相位差，对新的频率相位差进行加权计算，作为调整本地时钟的标准。定时中断源采用时钟频率振荡产生的定时。

2.4 维护消息处理软件

维护消息处理软件接收从交换机维护与管理软件模块发送来的维护类消息，对消息进行相应处理，并向维护管理软件模块发送响应消息及网同步软件的主动上报消息。接收的维护消息包括同步方式设置消息、中继链路状态通知消息等，根据同步方式设置消息中携带的内容，网同步控制软件可以设置调整交换机的同步方式为外同步、准同步、主从同步或者互同步方式;根据中继链路状态通知消息，网同步控制软件调整相应输入时钟的加权系数，确保正常的时钟参与同步计算，异常的时钟不参与同步计算。

2.5 晶振切换控制软件

为满足专网的网同步要求，既能适应时钟的调整范围，又能适应时钟调整精度，专网节点设计时采用高稳、低稳2个晶振配合使用，低稳晶振可调范围宽，调整力度粗;高稳晶振可调范围小，调整力度精细［5］。从而在满足工程指标要求的前提下，降低了设备成本。晶振切换控制软件主要实现判断晶振切换条件、控制晶振切换的功能。此软件模块由网同步控制软件调用，每次执行此软件模块时，晶振切换控制软件根据当前的同步方式，确定是否需要控制晶振切换，当满足晶振切换调整条件时，根据当前工作选用的晶振类型及需要调整的范围进行相应调整。当频率范围在高稳晶振可跟踪范围内，采用高稳晶振，反之，采用大范围可控的低稳晶振。为保证时钟同步收敛时间，在软件设计中，当2个晶振均满足调整条件时，选择大范围可控晶振进行时钟调整。

2.6 加权平均算法软件

加权平均算法软件实现对输入的各路时钟的频率相位差进行加权平均计算，从而得到用于调整本地晶振的指导值。

各路输入时钟所用的权值根据用户指定的同步方式以及输入的权值确定，参与同步计算的各路时钟的权值均由用户指定，或根据用户指定的同步方式由软件自动确定，权值可以为0和1两种，0表示本路时钟不参与同步计算，1表示本路时钟需要参与同步计算。

通过本路时钟权值与相应时钟状态的综合，加权平均算法软件决定该路时钟是否需要参与网同步计算。各路时钟的权值各自独立，互不相关。

具体情况如下:当用户指定采用互同步方式时，各路时钟的权值由用户指定;当用户指定采用外同步方式时，网同步软件自动设置外钟权值为1(参与同步计算)，其余输入时钟权值均为0(不参与同步计算);当用户指定采用主从同步时，网同步软件自动设置参与同步的线路时钟权值为1，其余各路时钟(包括外钟)的权值均为0;当用户指定采用准同步时，所有时钟权值均为0。

2.7 故障时钟排除软件

故障时钟排除软件主要完成检测本机时钟以及输入时钟的状态。当发现本机时钟异常后，网同步控制软件控制同步软件切换到软件初始状态，不再进行调整，同时设置本机时钟异常的全局标志变量，以供相关软件读取并发送至相邻节点。当检测到外部输入时钟状态异常后，通过设置相关变量配合网同步控制软件，排除外部输入异常的时钟参与网同步计算。

3 同步稳定措施处理

由于专用网络采用无线通信链路为主，拓扑结构变化频繁，经常会出现相邻节点的接入或退出现象，这就会造成网同步软件不断进行新的时钟计算，从而引起网内时钟的震荡，浪费交换机资源。

为解决这一问题，设计中采取了钝化延迟处理措施，即:当有新的时钟输入时，网同步软件并不是立即使用该时钟作为同步计算的钟源，而是持续检验该时钟状态一段时间。若该时钟在时间阈值到达后仍然稳定，则允许此时钟参与网同步计算;否则不允许参与同步计算。这样可以避免由于网络拓扑变化引起的时钟震荡现象。

网络中有时有一些特殊情况，在这些情况下，接口时钟不一定是真正的外来时钟源，例如为了调试，有时需要自环交换机的一些中继接口。此时该接口的输入时钟不是真正的外来时钟源，而是交换机本地的时钟源，因此在这种情况下，网同步计算软件不能采信该端口时钟参与同步计算。为解决这种异常情况造成的对同步算法的影响，设计中需要增加对接口输入时钟是否可用的特殊判断，只有经过判断合法的时钟才允许参与同步计算，以防止某个时钟在同步计算中所占的比重过大，影响时钟精度。

4 结束语

本专用通信网的网同步软件能够兼容准同步、外同步、主从同步和互同步等多种同步方式，在不需要高精度时钟源的条件下，通过比较输入时钟与本地时钟的频差及相差，综合各中继端口运行状况，经过运算送出调整控制字，去调整本地时钟晶振，从而实现具有一定稳准度的时钟，为专用通信网提供稳定可靠的时钟源。通过这种专用通信网的网同步软件实现的网同步方式，提高了网络对拓扑变化的适应性，降低了交换机的设计成本，增强了用户选择同步方式的灵活性，具有较高的工程实用价值。

［1］高明亮.对通信中同步技术的探讨［J］.西北民族大学学报，2007，28(66):45-47.

［2］姚建立，杨乐祥.传输系统时钟同步技术的研究和应用［J］.电力系统通信，2011，32(219):73-77.

［3］程根兰.数字同步网［M］.北京:人民邮电出版社，2001.

［4］程韧.现代通信原理与技术概论［M］.北京:清华大学出版社，2005.

［5］屈辉立.数字同步网系统及其几种常用同步方式比较［J］. 湖南信息职业技术学院，2006，25(7):21-23，53

［6］MILTRA D.Network Synchronization:Analysis of a Hybrid of Master-Slave and Mutual Synchronization［J］.IEEE Transactions on Communications，1980，COM-28(8):1245-1259.

［7］崔生保.野战通信网网同步技术研究与实现［D］.西安:西安电子科技大学，2005.