5G時代最重要的技術-“白兔”時鐘同步技術

大家知道，1588同步協議使用的最重要的一個先決條件是上下行鏈路時延相等，如果上下行鏈路時延不相等，則同步精度大打折扣。但基於PTP協議的1588技術卻無法檢測到上下行鏈路時延的不對稱問題。這種矛盾猶如一片烏雲一直困擾著整個網絡，“白兔”的出現把這個問題給解決了。今天（2020年4月21日），《IEEE Communications Magazine》更新了一篇文章，是講時間同步在金融領域應用的，使用的就是“歐洲核子研究委員會（CERN）”推出的“白兔”同步協議。這也是少數介紹時間同步在金融領域的高頻交易中起關鍵作用的文章，並且還跟“白兔”相關。

“白兔”是用於通用數據傳輸和同步的完全基於以太網的網絡。它可以在長達10 km的光纖長度上以亞ns精度同步超過1000個節點。

“白兔”可能會被認為是5G時代最具有應用前景的時鐘同步技術。也跟本公眾號前面發表的文章《硬件定製的TOE也是美股頻繁熔斷的原因之一嗎？》強相關。

“白兔”簡介

大家知道，1588同步最基本的應用前提就是必須建立在上下行鏈路時延相等的基礎上，如果上下行鏈路時延不相等，那麼時間同步的精度就會大打折扣。根本問題在於：1588時間同步技術是基於PTP協議的，但PTP協議本身卻無法檢測到不對稱性。如果已知不對稱，PTP會對其進行糾正以提高同步精度。近兩年來，筆者審閱了數十篇IEEE等雜誌相關的1588同步的文章，大部分都是基於上下行鏈路時間補償為對稱時延從而提高同步精度的角度來寫的，具體應用場景有EtherCAT、TTE、TSN等。物理層不對稱性的某些來源可以通過適當的網絡配置來消除，例如 從網絡中排除路由器或非PTP網橋。另外，還有其他一些問題，特別是由於物理介質不對稱性（即光纖雙向通信中傳播速度的差異）或PCB佈局（即PHY與時間戳硬件之間的連接長度）引起的不準確度，需要通過適當的先驗測量來獲得。

White Rabbit解決了這些限制，以實現亞納秒級的同步精度。它使用SyncE在物理介質上的整個網絡中分配通用的頻率概念。它將時間戳記問題植入相位檢測測量中。這些精確測量的結果既可以在正常的PTP操作期間使用，也可以在校準階段用於量化物理介質的不對稱性。同步的改進性能無需增加PTP相關流量即可實現（實際上可以減少），因為PTP僅控制同步，而同步由SyncE完成。

White Rabbit是用於通用數據傳輸和同步的完全基於以太網的網絡。它可以在長達10 km的光纖長度上以亞ns精度同步超過1000個節點。

2019年，基於白兔的IEEE 1588-2019（也就是PTPv2.1）的draft版本已通過了IEEE認定。

約十年前，歐洲核研究組織——歐洲核子研究委員會（CERN）推出了一項基於以太網的技術（代號“白兔”），旨在滿足高速精確計時的需要。該技術已廣泛分佈於許多應用程序中，包括100 G以太網和5G移動通信網絡、智能電網、高頻交易及地理定位系統。“白兔”以《愛麗絲夢遊奇境》故事中的兔子命名，其基於並且兼容標準的機制，如PTPv2 (IEEE-1588v2)和同步以太網，但對其稍加修正又可以實現亞毫微秒的精準性。“白兔”本身便可在遠程鏈接中進行自我校正，並可將時間分配至大量的設備中，且不會對設備產生的很大的影響。

白兔相關的經典論文如下：

WRPTP性能的測量結果表明，在5km的光纖鏈路上，亞納秒精度，低於10ps的精度和降低的PTP消息交換率。實施測試顯示與現有PTP裝置完全兼容。

White Rabbit可以看作是PTP的擴展。此擴展稱為WRPTP，定義了自己的PTP配置文件，並描述了所有特定於WR的機制，這些機制需要由節點/交換機實現以實現與另一個節點/交換機的亞納秒級同步。通過逐步和/或部分升級到WRPTP，與PTP的兼容性使WR更有可能在現有的基於PTP的系統中使用。

WRN的目的是基於公認的標準，以確保其長壽命，廣泛的支持和商業可行性。通過融合現有技術，對硬件進行支持並對其進行擴展，並且仍保持兼容，可以實現出色的結果。這包括亞ns級的高精度和魯棒的同步精度，這被證明是最準確的已知PTP實現（ISPCS，2010年9月，美國），並使用基於FPGA的PLL設計實現了低於2ps集成抖動的頻率傳輸性能。

起初，由位於西班牙格拉納達的Seven Solutions公司協助設計“白兔”產品，其設計不僅包含電子產品，也涵蓋固件和門邏輯。同時，公司還基於該技術提供定製化服務和交鑰匙解決方案。“白兔”技術作為以太網技術的延展，是否可能出現在下一個高精度框架配置文件的精準時間協議標準(IEEE-1588v3)中，這正在進行詳盡的評估。標準化將促使“白兔”技術與其它各種不同的技術進行融合。

“白兔”涵蓋了大量的機制，以便在以太網擴展框架內優化其計時精度（以此保持以太網通信結構）。其將PTP、同步以太網和數字雙混頻時差（DMTD）相位跟蹤集為一體。

“白兔”內核（WRC）中應用的同步機制包含以下元素：

• 物理層調整：所有網絡設備使用相同的物理層時鐘。時鐘在以太網載波中編碼，並由接收器芯片恢復。相位檢測允許亞納秒延遲測量。

• 數字雙混頻器時差：用於精確的相位測量。用FPGA和SoftPLL實現。62.5MHz WR時鐘和N = 14導致3.814kHz輸出信號。

• 鏈路延遲模型：靜態硬件延遲：TXM，RXM，TXS，RXS。半靜態硬件延遲：M，S。光纖不對稱係數a。

White Rabbit的相關資料和文章可以從以下鏈接下載：
https://ohwr.org/projects/white-rabbit。

因此，“白兔”已被公認為是5G時代最具有競爭力的時間同步協議。

“白兔”以太網交換機及端系統節點硬件結構

下圖是具有WR功能的18端口千兆以太網交換機。光學收發器：最長10km，單模光纖。

交換機內部採用Xilinx Virtex6 FPGA作為核心器件。交換機內部模塊連接關係如下：

FPGA內部模塊劃分如下圖，從圖中可以看出內部交換結構採用基於Wishbone的crossbar交換結構。交換機內部的詳細實現以及詳細的時鐘同步內容請參考Tomasz Włostowski的碩士論文《Precise time and frequency transfer in a White Rabbit network》。

https://www.ohwr.org/project/white-rabbit/wikis/Documents/Tom's-Master-thesis。

端系統節點（WR節點）稱為SPEC板（基於FMC的硬件套件）。所有運營商卡均配有“白兔”端口。Mezzanines可以使用準確的時鐘信號和“ TAI”（同步採樣時鐘，觸發時間標籤等）。

White Rabbit PTP Core的內部結構如下。顯示了White Rabbit PTP Core HDL設計的完整框圖。它由與流水線Wishbone接口通信的獨立模塊組成。它們都與兩個Wishbone Crossbar互連，並由LatticeMicro32 32位RISC軟核CPU或外部Wishbone Master進行管理。 該項目包括兩個時鐘域，以放鬆綜合時序約束。一組是與千兆位以太網，時間戳記計數器和1-PPS生成直接相關的所有模塊。它們使用125MHz時鐘，而所有其他模塊均使用較慢的62.5MHz信號作為時鐘。更詳細內容請參照Grzegorz Daniluk碩士論文《White Rabbit PTP Core the sub-nanosecond time synchronization over Ethernet》。

https://www.ohwr.org/project/white-rabbit/wikis/Documents/Greg's-Master-thesis。

WR網絡可通過以太網進行時鐘分配：用單根光纖代替數十根電纜。可在遠距離工作，而不會降低信號質量。可以通過單個標準鏈接提供各種時鐘（許多環和直線加速器的RF）。

WRR網絡可實現分佈式示波器：整個網絡中的通用時鐘：ADC之間沒有偏差。能夠通過分佈式DDS使用不同的時鐘進行採樣。外部觸發器可以用TDC進行時間標記，並用於在操作員的PC中重建原始時基。

另外，交換機和端節點可商購。現在的工作圍繞改善WR網絡的診斷和遠程管理，以及改善相位噪聲和執行廣泛的網絡壓力測試。IEEE 1588修訂過程正在進行中，並且包含一個專門針對“白兔”的小組委員會（高精度），修訂草案已於2019年表決通過。基於冗餘信息以及冗餘光纖和交換機之間的快速切換將是未來的一個研究方向。

“白兔”以太網交換機在射電望遠鏡中的應用

白兔（WR）以太網硬件是在檢測器之間準確分配時間的重要設備。WR的用途之一是分發參考時鐘的信號，例如原子鐘中的計時設備氫氣maser（H-maser）。WR使通過長度補償的光纖網絡進行時間和頻率分配成為可能，並允許在檢測器之間進行亞納秒級的時間分配。對原始開發的WR的升級可以允許將單個H-maser的時間和頻率轉移到長距離（> 100 km）上的許多客戶，而不會顯著降低穩定性。與使用多個H-maser相比，此解決方案的成本大大降低。

白兔以太網交換機，具有低抖動子板和鎖相振盪器（PLL）

為了提高相位噪聲和光纖鏈路上射頻的穩定性，對市售的WR以太網交換機進行了升級，使其具有低抖動子板和鎖相振盪器。然後在實驗室條件下進行測試。低抖動子板改善了相位噪聲並提高了所傳輸無線電頻率的穩定性。鎖相振盪器進一步改善了相位噪聲和短期穩定性，從而可以達到H-maser的性能。為了表明性能有所改善，平均頻率穩定性從1 s時的7x10-13降低到7000 s時的3x10-16，啟用帶寬為0.5 Hz。對於改進版本的WR設備，測得的RMS相位抖動（介於1 Hz和100 kHz之間）為0.18 ps，而對於默認WR設備，RMS相位抖動為13 ps。

升級後的硬件將用於Westerbork和Dwingeloo射電望遠鏡的H-maser，該射電望遠鏡用於超長基線干涉儀（VLBI）。

大型分佈式射電望遠鏡基於天文干涉測量法起作用。這是一組分離的傳感器，它們共同工作以提供理論上與陣列各組件之間的間距一樣大的角度分辨率。這些設施需要共享一個共同的頻率用於信號採樣以及一個時間參考，以關聯來自不同天線的信號。

許多望遠鏡和探測器放置在偏遠地區，並在極端條件下運行，例如極端溫度和乾旱。在距貝加爾湖50公里的西伯利亞，使用Tunka先進的Gammy射線和宇宙射線天體物理學（TAIGA）項目，對White Rabbit（WR）硬件進行了現場條件測試。TAIGA項目將成像大氣Cherenkov望遠鏡（IACT）與TAIGA高靈敏度宇宙原始Origin Explorer（HiSCORE）陣列的廣角非成像光學探測器陣列相結合，以證明一種適用於大面積伽馬射線的新型，高性價比技術望遠鏡，用於切倫科夫望遠鏡陣列（CTA）範圍之外的能量。

TAIGA-HiSCORE站每個都包含四個大面積光電倍增管（PMT）和WR節點，這些節點可實現亞秒級時間校準分佈在0.4 km2上的所有站。西伯利亞的設置允許在惡劣環境下比較各種類型的WR硬件，並可以長期監視這種複雜設置的穩定性。在2017-2018年冬季，正在進行WR硬件的現場測試。

帶鏡子和照相機的IACT。右側的相機電子盒內部有一個WR設備（幾乎可見）。在後臺可以看到HiSCORE站。

在以亞納秒精度定時模式常規運行HiSCORE陣列時，發現了意外的發現。國際空間站（ISS）每年以400公里的高度越過TAIGA HiSCORE探測器，並幾次對準地面。完整的HiSCORE陣列同時被ISS / CATS-LIDAR超短激光脈衝照亮。該激光束被證明是獨特的校準工具，並證明了穩定的WR操作。更重要的是，它首次允許在獨立運行中驗證TAIGA-HiSCORE的絕對天文指向性–這項任務通常需要消耗大量能量的天體物理學資源，遠高於電流檢測極限。

KM3NET：歐洲深海中微子望遠鏡

“白兔”在金融服務器中的應用

在物理上獨立的數據中心模塊之間分配時間（所有模塊之間的距離都相當長）是一個難題。“白兔”使我們能夠以亞納秒的精度來管理時間戳設備的時鐘。

監管部門正推動金融業對其大部分業務進行註冊，並將其時間戳合法追溯至全球通用時間基準，且誤差最高為1us。這給該行業帶來了挑戰，因為提供行業時間的最常用解決方案可能不符合要求。雖然典型的基於網絡的解決方案在大型網絡中使用時可能無法達到所需的時間精度水平，但基於衛星的選件很容易受到外部干擾或攻擊。此外，當需要追溯到法定時間時，這兩種方法都很難解決。我們建議的服務包括提供通過商用光纖網絡進行白兔時間傳輸的性能，與合法時間基準相比連續不斷地提供原子時鐘的準確性以及具有24小時後保持能力優於1.5us的客戶端節點的彈性。該設計已經應用，可以為西班牙股票市場運營商提供時間服務。我們的方法易於擴展，可用於從單個位置為大量客戶提供面向未來的時間即服務解決方案。

近年來，同步和時間安排已成為增長和適應新的不同領域挑戰的關鍵問題。在分佈式科學機構，電信網絡和金融部門中可以找到這種現象的主要例子。

蜂窩網絡的第五代（5G）的出現推動了對更具挑戰性的頻率和定時同步要求。第三代合作伙伴計劃（3GPP）標準化文檔指定了相位要求，嚴格要求為65 ns。

特別是，金融服務行業的主要參與者也表現出了對出於內部和外部原因（例如降低風險，內部測試以及從取證服務中提取信息的能力）而準確跟蹤交易的興趣。它們還受到歐洲金融服務市場指令（MiFID II）[1]和美國證券交易委員會（SEC）的綜合審計追蹤（CAT）等法規的推動。在發生諸如2010年閃電崩盤[2]之類的事件後，監管機構對密切監視市場的運作感興趣，這表明未能充分保護投資者的信心免遭自動交易。

考慮到這些要求，我們已將結合冗餘原子時間服務器，基於全球導航衛星系統（GNSS）的時間傳輸以及通過光纖分配的時間提供服務投入運營。所有這些元素結合在一起，以提供準確，可追溯和高度可用的服務。

在本文中，我們首先介紹了金融業在應對時間同步時必須解決的挑戰。接下來，我們對上述法規的技術含義進行概述。然後，概述了該行業中的現有解決方案。最後，我們描述了已部署的時間分配服務，其獨特功能以及其運行測試。

金融業的時間配置

傳統上，交易是在人為干預下進行的，代理商交易的證券實際位於同一地點（即市場）。但是，自電信網絡誕生以來，技術進步已被用來克服物理障礙。例如，在1930年代，紐芬蘭與亞速爾群島之間鋪設的電報線為經紀人提供了一分鐘的服務；然後，他們將知道大西洋兩岸股票報價的差異。近年來，隨著現代信息技術的發展和計算機網絡的普及，交易已從交易大廳轉移到電子市場。算法交易系統會按照預定義的策略自動下達買賣訂單。對於許多證券而言，這類系統佔了交易總量的很大一部分。更具體地說，這些算法交易系統的一個子集已經引起了公眾和監管機構的關注：高頻交易（HFT）[1]。

HFT可以粗略地定義為一種算法交易，在非常短的時間內涉及大量的操作。在這種情況下，網絡延遲至關重要，因為在競爭對手可以成為成功競標的關鍵之前幾百納秒的信息訪問時間。因此，HFT公司將其設備放置在交換數據中心所在的同一位置。數據信號必須傳輸到HFT公司設備的距離是延遲的最大因素。通常，交換託管中心可確保所有客戶在同一時間接收數據，以確保公平。

自本世紀初以來，監管機構開始關注算法交易的增長。2014年7月，由歐洲證券和市場管理局（ESMA）推動的MiFID II指令和《金融工具市場法規》（MiFIR）生效。歐洲聯盟的力量。除其他目標外，該指令旨在更緊密地監控算法交易。在MiFID II下運作的HFT公司必須將其交易，系統和算法的記錄存儲至少五年。監管技術標準25詳細說明了HFT公司必須遵守的與時間同步有關的要求。最相關的部分是：

• 時間戳記任何可報告事件的業務時鐘必須與協調世界時（UTC）或衛星系統的定時信號同步。
• 交易場所的操作員，成員和參與者必須遵守與UTC的最大偏差100us，時間戳粒度為1 us或更佳。
• 必須通過記錄系統設計，功能和規格來建立可追溯到UTC的系統。

請注意，這些要求適用於所有高頻交易，這意味著這是最嚴格情況下的目標時間戳精度要求。儘管尚未進行審核以驗證運營商和公司是否遵守規則，但公平交易的技術基礎已經確定。在計時服務的設計，實施和操作中已經考慮了所有這些要求。

技術要求

本節簡要概述了上一個列表中的每個技術要求的含義：與UTC同步，與UTC的差異以及可追溯性。

與UTC同步

UTC是目前使用的主要時間標準，由國家計量實驗室和世界各地的其他計時中心，如美國國家標準與技術研究所(NIST)、德國的Physikalische Technische Bundesanstalt(PTB)和西班牙的Real Observatorio de la Armada(ROA)等國家計量實驗室和其他計時中心維護的400多個原子鐘所提供的數據相一致。UTC的每一個物理實現的UTC被稱為UTC(k)，而UTC只是根據貢獻計時中心報告的時間的加權平均數的事後計算。事實上，UTC是經過一定量的閏秒校正後，從國際原子時間（TAI）中得出的，目的是由於地球自轉週期的不規則性，使UTC（基於定長日）與0子午線的平均太陽時間之間的差值保持在0.9秒以下。

選擇UTC（k）本地表示作為參考是系統設計中的先前必要步驟。在某些情況下，可以通過規定使用UTC的國家代表的法規來確定此選擇。第一個目標是有能力將用戶設施使用的時間參考與具體的UTC(k)執行情況進行比較。

與UTC的差異

時鐘是通過以恆定速率生成特定輸出來測量時間步長的儀器。鐘擺的擺動，石英晶體的振動，或者是銫-133原子的地層原子的兩個超微細級之間的過渡所對應的9,192,631,770個週期的輻射的持續時間，如SI定義的秒[3]，都是不同尺度下作為計時源的事件的例子。

每個物理時鐘都不完美，並且不會在理想時期內“滴答”。甚至更多，單個時鐘會隨時間稍微改變其速率。因此，如果不進行校正，兩個不同的時鐘將不可避免地彼此漂移。為了使時間源與UTC對齊，必須校正其時間及其速率（同步和同步）。另外，由於時間測量設備的噪聲特性，即使可以在給定的瞬間完美地進行時間和頻率校正，隨著時間的流逝，某些誤差也會再次出現。為了克服這個問題，必須建立一種反覆糾正錯誤的機制。稍後將討論最常用的技術。

可追溯性

建立實現UTC的可追溯性系統的要求意味著，通過記錄完整的鏈條，可以將客戶方幅度的測量與時間基準（UTC（k）或衛星系統的定時信號）相關。校準，每個都會導致測量不確定性。測量的可追溯性取決於三個要素[4]：

•校準：必須記錄和補償計時系統組件的內部延遲。

•確定不確定性：每次測量都必須附有結果質量的指示。

•監視和存儲：連續輪詢系統參數和永久存儲帶時間戳的相關事件，可作為檢測故障並啟用將來審核的方法。

法規中未直接提及但對任何服務必不可少的另一個要求是可用性。系統旨在確保一定水平的運行正常運行時間，通常在服務水平協議（SLA）中達成一致。系統部分的冗餘和採取應急措施以最大程度地減少故障引起的干擾，這些都是提高服務可用性的示例。

在以下部分中，提供了在不同計時系統中使用的主要同步方法的概述。

同步技術

在金融行業中提供時間參考的最廣泛部署的解決方案可以歸類為提供從衛星系統獲得時間的設備，以及通過數據包交換通過計算機網絡提供服務的設備。

儘管基於GNSS的信號源可以達到幾納秒的時間精度，但是這些解決方案的主要缺點是它們容易受到干擾或欺騙攻擊[5]。電子設備可以認為GNSS接收器由於惡意或意外干擾而無法使用。此外，在諸如城市峽谷之類的次優環境中，為了獲得更好的性能而安裝的大地天線可能會帶來挑戰，容易發生多徑傳播以及天空可見性差。由GNSS接收器傳播到UTC的時間可以追溯，儘管這不是一個小問題，並且超出了本文的範圍。

GNSS解決方案的弱點可以通過部署基於網絡協議的時間和頻率分配系統來克服。具有不同用例和性能的一些示例是：

•NTP：網絡時間協議，它是一種始於1985年的普遍存在的協議，各種設備都使用它來獲取一天中的時間。它通常可以將時間維持在幾毫秒內；因此，它不適合先前所述的目的。但是，由於其廣泛的支持，它通常與其他時間信號一起傳播。它的基本原理是基於服務器-客戶端交換的數據包，這些數據包包含軟件生成的出發和到達時間的時間戳。這允許客戶端獲得網絡路徑延遲的估計，並將其時基與服務器的時間對齊。

•IEEE 1588，也稱為精確時間協議（PTP）：在其當前版本中，它在理想條件下以主從方法提供的時間精度為100 ns以內（具體性能取決於實現）。數據包交換從根本上類似於NTP中的數據包交換，但是此協議實現了許多可選功能，這些功能大大減少了由網絡和CPU負載差異引起的不確定性。自2008年版[6]以來，它已被電信行業廣泛採用，其在金融領域的使用通常僅限於使用GNSS規範的大師控制的短距離網絡。它在廣域網中的使用帶來了通常會影響性能的挑戰[7]。

•白兔（WR）：這是一個由歐洲核研究組織（CERN），德國亥姆霍茲重離子研究中心（GSI）和其他合作伙伴發起的開源合作項目，旨在重點開發基於確定性以太網的網絡。準時轉移[8]。該協議是對IEEE 1588 2008的擴展。它包含對標準的一系列改進，可實現低於1 ns的精度和幾皮秒的精度。使之成為可能的機制是物理層同步，該物理層為終端節點提供參考信號的鎖相副本，使用相位檢測測量的時間戳記以及補償固定和可變不對稱性的鏈接模型。作為即將到來的IEEE 1588版本的高精度配置文件，WR被設置為成為IEEE標準。

還有其他的新型同步系統，主要是在研究場景中測試過的（如Huygens[9]），這些系統在沒有時間專用硬件的情況下，精度遠低於100ns。然而，它是基於概率論的方法，因此不適合這裡描述的使用場景，因為它在長距離上會下降。

在這些協議中，WR是通過光纖進行長距離，高性能時間傳輸的最佳選擇。它允許使用行業標準組件來提供服務，其典型性能超過了金融行業的要求，並且其實現包括可簡化監視系統維護的軟件工具。

當然，上述技術不是互相排斥的。精心設計的時間網絡可以包括GNSS接收器，主要時間標準以及使用不同協議傳播時間信號的設備。

前面的討論表明，可追溯的，健壯的時間傳播系統的實施並非易事。因此，許多Internet服務提供商和時間中心都以所謂的時間即服務（TaaS）為客戶提供時間解決方案。在這種方法中，TaaS提供商負責向客戶的設施傳輸可追溯的，高度準確的時間參考，並保證其可靠性和完整性。TaaS為公司提供金融部門客戶的一些示例包括：

- NPLTime：這是英國國家物理實驗室（NPL）提供的時間服務。它為客戶提供使用IEEE 1588-2008分發的時間服務，通過專用通道或與PTP兼容的交換機可追溯到UTC（NPL）的精度超過100 ns。時間服務在鏈接[10]的中間點包括監視和備份參考。

- Top-IX：此Internet交換機提供時間服務，該服務將來自意大利計量院（INRiM）的UTC（IT）分發到使用WR設備連接到其網絡的選定位置。已認證可追溯到UTC（IT）。

- GTT時間服務。在這種情況下，參考時鐘通過GPS時間傳輸，不斷地將參考時鐘引導到UTC(NIST)，即NIST的UTC的表示方式[11]。它實現了時間不確定度小於15 ns的主時鐘點的時間不確定度。時間由距離共址中心較近的主站通過PTP或NTP分配給客戶。24小時後實現1us誤差的保持，在主站側提供保持。可追溯到UTC(NIST)。

在這種情況下，我們已經開展了一個項目，在馬德里都會區提供時間和頻率服務，該服務結合了GNSS時間傳輸，冗餘功能和通過光纖的最新時間分配。下一節將提供詳細說明及其操作結果。

連接拓撲結構

已部署的時間服務位於馬德里西北部地區，將主要時間參考站點與BME（西班牙股票市場運營商）的數據中心連接起來。該光纖路徑在Tres Cantos和Las Rozas之間有44公里，與Monte de El Pardo接壤。這條線路是由擁有衛星系統專業知識的企業集團GMV和提供時間傳播領域專業知識的公司Seven Solutions共同合作完成的。

這種時間服務的一個顯著特點是，其目的是減輕衛星解決方案的弱點。全球導航衛星系統並不直接用於傳播時間參考。相反，時間是由自主原子鐘產生的，而GNSS僅通過與UTC的時間比較來進行校正。

圖1是該系統的體系結構圖。它包括三個不同的階段：冗餘的主參考時鐘、網絡鏈路和客戶端。

時間服務器硬件

提供時間參考的時間服務器是一個被動式的氫激光器（PHM）。這種原子鐘產生了一個非常穩定的信號，被送入相位和頻率偏移發生器。根據通過多頻GNSS接收器將GNSS時間傳輸到國家UTC(k)，在此基礎上，對輸入頻率進行小的修正，使輸入頻率向UTC方向引導。然後使用分配放大器為WR-ZEN提供足夠的信號，作為主時鐘。關於時間服務器的硬件、校準和操作，詳細情況可參見[12]。

網絡時間分配

每個硬件協議棧的末端都有一個WR-ZEN節點[13]，作為WR Grandmaster。兩者通過一個鏈路分別連接到一個時間分配設備(WR-Z16)。該設備作為一個網關，完成兩個基本作用：首先，它執行最佳主時鐘算法(BMCA)，根據設備報告的質量參數選擇在整個網絡中傳播的時間服務器。如果所選的基準出現故障，WR-Z16會執行切換操作，並將從備份基準中恢復的時間傳播出去。該設備的另一個作用是通過WR、PTP和NTP協議，為多個客戶或設備提供扇出。

圖1. 鏈路結構概述。兩個時間服務器都提供了一個WR格蘭特主站，每一個都有一個獨立生成的時間參考。一個WRZ16作為邊界時鐘（BC）。它接收兩個時間參考，並選擇通過網絡傳輸的那個時間參考。在客戶端，普通時鐘(OC)通過WR從時間服務器上收回信號，並向客戶提供時間信號和協議。客戶端則通過DOWR GNSS接收機對客戶端進行持續監測和比對。

一旦時間信號被編碼為以太網流，它們就會通過專用光信道通過公共網絡發送到客戶站點。鏈路的物理實現是在10 Gb/s的密集波分複用（DWDM）單向鏈路中完成的。通常，WR鏈路是使用雙向傳輸來部署的，也就是說，主設備和從設備通過傳輸不同波長的數據來使用同一根光纖，因此每個光纖都有不同的延遲。

這可以通過在實驗室中確定的相對延遲係數來補償（1588同步的前提條件是上下行鏈路時延相等）。但是，此處討論的鏈接使用單向傳輸（兩個獨立的光纖）。因此，可以將相同的載波波長用於雙向傳輸。儘管如此，單向傳輸意味著由於電纜切割不正確或使用長度可變的尾纖，每個方向的長度可能都不同。客戶端的設備可以忽略傳輸介質中的不對稱性，除非經過校準，否則這將轉化為未對齊的時間輸出。稍後將對此進行進一步討論。

光纖和其他網絡組件對溫度變化很敏感，包括日常和季節性的溫度變化。由於這可能會對同步性產生影響，因此要對鏈路的端點和光路沿線的溫度進行監控。這種影響在終端節點中得到了緩解，因為數據中心是受溫度控制的，但天氣會導致往返時間變化多達數百納秒。這種光長的變化是由WR機制無縫修正的，這一點在[14]中得到了驗證。本研究分析了在溫控線軸中50km的單向鏈路上溫度的影響。結果表明，溫度每升高1攝氏度，就會造成往返時間增加3.1ns，但WR器件的1PPS信號的誤差不到10ps。將這些結果換算成44km的鏈路，假設相差30攝氏度，時間輸出的誤差估計為231ps。因此，天氣條件對授時性能的影響仍然低於下一節中描述的校準的不確定性。

客戶方和校準

如前所述，此鏈接的客戶是BME，在該前提下，光纖連接在充當WR鏈接從站的WR-ZEN節點處結束。在這裡，時間基準是從以太網流中重建的，設備會生成不同的信號和協議來適應客戶端所需的服務，例如與其他設備的WR鏈接，10 MHz時鐘+ 1-PPS，IEEE 1588和NTP。

WR設備的內部延遲和使用中的SFP引入的延遲在鏈路部署之前就已經進行了校準，參與監測和校準的電纜也是如此。唯一有待校準的部分是兩個單向光纖之間的不對稱性（1588同步的前提條件是上下行鏈路時延相等）。為了使44公里鏈路兩邊的時間基準對齊，在客戶端的校準工作由一個具有WR功能的GNSS接收機協助進行，該接收機使用GPS時間作為基準。該設備被稱為DOWR[15]，其天線、電纜和內部延遲都是按照PTB認證的設置進行校準的。由於電離層延遲的變化，校準過程需要幾天的時間，其不確定性為±10ns。由於時間服務器每天都要跟隨UTC(PTB)進行引導，而GPS時間與UTC之間的差值由時間中心公佈，因此在客戶端輸出的時間可以與有源時間服務器提供的時間一致。經測定，該鏈路的兩條光纖之間的不對稱度為5.37 m。

圖2提供了一個25天內鏈路正常運行的例子。時間服務器和WR時間傳輸都沒有偏離其原始校準。

每天的震盪是由於基於全球導航衛星系統的監測裝置引入的電離層延遲變化所致，並隨著時間的推移平均為零。

圖2.在2019年8月的25天內，客戶節點與監視DOWR之間的偏移。24小時的週期性是由於GNSS接收器引入的可變電離層延遲。

適應性特點

擬議解決方案的主要特點之一在於時間服務器的自主性。在這個系統中，全球導航衛星系統只用於時間傳輸，而不是作為時間源。此外，由於PHM是高度穩定的時間源，因此在轉向過程中所做的修正在一定程度上是可預測的。因此，參照物不僅變得穩健，抗干擾能力強，而且還能防止惡搞[11]。GNSS 天線的位置是非常精確的，如果要想在天線的位置上有有效的解決方案，欺騙攻擊就必須要有足夠的複雜性。同時，轉向指令的性質突然改變會引起警告警報。

提高服務的魯棒性的另一個特點是完全複製時間服務器，以提高服務的抗故障能力。在正常工作時，兩個堆棧都是獨立運作，頻率轉向是獨立計算和應用的。當檢測到服務器出現突發事件時，邊界時鐘將調換提供時間服務的時間基準。在這種拓撲結構中，由於只有兩臺服務器，所以服務的降級必須通過交換報文中的時鐘類參數來傳遞，由主站通過交換報文中的時鐘類參數來傳遞。

最後，在客戶端檢測到任何一種服務中斷的情況下，客戶端設備提供基於爐控晶體振盪器(OCXO)的保持能力，保證24小時後誤差低於1.5微秒。

圖3顯示了一個保持操作案例中的數據。由於測試期間鏈路被禁用，所以在客戶端的DOWR被認為是參考。經過12小時的保持操作，偏移量保持在100ns以下。這個特定運行的結果顯示，在32小時內，偏移量保持在1 us以下。詳細情況見表1。

圖3. 12小時內客戶端的保持性能。藍線表示命令保持模式時的瞬間偏移。在發生故障的情況下，客戶端將依靠自主操作，直到恢復服務為止。

表1.保持測試結果。

服務監測

為了符合MiFID II法規的要求，這些設備實施了一個監視系統，用於檢查鏈路的健康狀況。每2秒鐘輪詢一次所有參數，並將數據安全地存儲在外部服務器中，以備將來使用。

客戶端一直受到監控，並與DOWR GNSS接收器進行比較。

從客戶的角度看，提供定時服務的承諾受到服務水平協議的保護，該協議規定了一系列可以客觀確定的技術指標。這些指標指的是服務的可用性、與世界協調時的可容忍偏移量以及應急機制的正確運行。監控系統還被用作驗證計時服務質量指標是否達到要求的工具。一旦約定的服務水平受到影響，就會立即向客戶發出警報。

結論

我們的貢獻為採用TaaS方法向西班牙股票市場運營商提供建立時間服務的動機，架構和運作方式。

對推動金融業採用精確時間系統進行了分析。監管部門發現，最大的推動力是實施可審計的解決方案，這些解決方案可以提供法定的UTC追溯性，最大偏離度為100微秒，粒度不超過1微秒。

由於金融參與者的地域廣泛，監管機構提出的要求暗示了技術挑戰。業界最常用的解決方案很難達到所需的精度，或者容易受到外部干擾。

為了克服這些弱點，已投入運行的擬議解決方案將通過GNSS時間傳輸與UTC對齊的原子鐘與使用WR的光纖時間傳輸相結合，併為客戶端節點提供了保持能力，以確保在24小時的自主運行後，時間保持比法規要求的極限精度高60倍。

利用GNSS技術將客戶節點校準到所觀察參考的10ns之內，並且WR時間傳輸從原子時間服務器傳輸了參考。保持能力進行了現場測試，在運行12小時後，顯示出低於100 ns的誤差。

總而言之，部署的解決方案可以超出監管機構當前的要求三個數量級以上。

概括一下：

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