广播电视时间同步组网方式的改进.doc

广播电视时间同步组网方式的改进朱勤伟广州珠江数码集团有限公司数字播控部摘 要 ：本文详细介绍时间同步的概念和主要的时间同步办法 ，结合各广播电视系统时间同步组网方式的现状 ，提 出了将时间同步组网由混合同步方式调整为主从同步方式的建议 。关 键 词 ：时 间 同 步 广 播 电 视 EBU 时 码 NTP 混 合 同 步 主 从 同 步时 间 同 步 对于广播电视系统起着非常重要的作 用 ，各电视台都已建立了基于 GPS 的时间同步系统 。 但在实际运行中 ，在排除传输延时的 因 素 后 ，不 仅 各 电视台之间的时间仍然会出现不同步的现象 ，电 视 台内部也会出现不同步的情况 ， 每逢重大直播和转播 时， 各业务部门还是要通过对讲系统进行人工对时 。 要解决这一 问 题 ，就需要详细了解时间同步的概念和 主要的时间同步办法 ，才能提出有效的解决办法 。输链路和外界干扰引起的信 号质量劣化和可靠性降 低使得网络性能降低 。 混合同步方式将全网划分为若 干 个 同 步 区 ，在区内设置主基准钟 ，各同步节点配置 从 钟 ，同步区内为主从同步网 ，同 步 区间为准同步方 式。 这样可以减少时钟级数 ，缩短定时信号传送距离 ， 改善同步网 性 能 。 当同步区主基准时钟精度较高时 ， 区间链路的周期性滑动很少 ，满足指标要求 。全球卫星定位系统的出现 ，为获得高精度频率基 准提供了条 件 ，卫星定位系统具有铯钟级别的高精度 长期频率准 确 度 ，再配合本地短期稳定度好的高稳受 控铷钟 ，可以获得满意的区内基准时钟 。时间同步组网方式1时间同步可分为准 同 步 、主 从 同 步 、混 合 同 步 三种主要方式 。11准同步方式准同步方式是指在时间同步网内各个节点上 ，都 设立较高精度的独立时钟 ，各 时 钟 独 立 运 行 ，互 不 控 制。 优点是简单 、灵活，缺点是存在周期性的滑动 。12主从同步方式主 从 同 步 方式是指在网内设置基准时钟和若干 从钟，以主基准时钟控制从钟的信号频率 。 主 从 同 步 的 优 点 是 ，正常情况下不存在周期性 滑 动 ，对 从 钟 性 能要求低 ，建 网 费 用 低 。 缺点是传输链路的不可靠会 影响时钟传送 ，同时存在产生定时环路的可能 。时钟设备的等级划分2在实际 应 用 中 ，时间同步网多采用分级主从同步 结 构 ，由此引出了时钟设备的分级 ，根据精度和应用 场合，可分为 PRC LPR 基准钟 、二级节点钟和三级节 点钟三种 ，分别适用于网络核心层 、汇聚层和接入层 。PRC 称 为 永 久 基 准 钟 （Primary ReferenceClock），LPR 称 为 区 域 基 准 钟 （Local PrimaryReference），PRC 和 LPR 均 为 一 级 基 准 钟 ，其 性 能 指标满足 ITUT G811 建议。PRC 是由铯钟源或氢钟源提 供 高 精 度 基 准 信 号 ， 由于成本和维护的原因 ，PRC图 1 IRIG B 与 DCLS 对 照 图导航卫星系统提供高精度时钟源 ，从卫星信号中解码 出 标 准 秒 脉 冲 1PPS（即 标 准 1Hz 信 号 ）。 LPR 配 置 简 单、可靠性高 、价 格 低 廉 ，且性能指标完全满足国际标 准对基准 钟 的 要 求 ， 因 此 ，LPR 成为时间同步网主用 的基准钟系统 。LPR 输出 的 信 号 ，可通过各种方式进行传递给二 级节点钟 ，再传递给三级节点钟 。 一般而言 ，二级节点 钟配备铷钟振荡器作为数字锁相环 ，价 格 较 高 。 三 级 钟配备了基于高稳晶体振荡器的数字锁相环 ，价 格 低 廉，可大量配备使用 。IRIGDCLS 信号可通过 SDH 的 2M 专线传输 。 IRIGB 普通方式与 IRIGDCLS 方式的比较如图 1 所示。34串行口 ASCII 字符串通 过 RS232 RS422 串 行 通 讯 口 ， 将 时 间 信 息 以 ASCII 码字符串方式进行 编 码 ，这种接口没有统一的 标准，一般使用 UTONCORE 命令集输出日期及 时 间 信 息 ， 或者一些自定义信息 ， 传 输 距 离 限 制 在 150m以内（加光电隔离驱动 ）。35EBUEBU 时钟协议广泛应用于广播电视 ， 由 SMPTE12M 规范定义 ，主要 应 用 于 电 影 、电视和音乐的存储 ，3主要时间同步信号时码被作为媒介的元数据一同录制 。EBU 仅包 含 时 、分 、 秒 、 视 频 帧 信 号 ， 不 包 括 年 、 月 、 日 信 号 。 SMPTE12M 分 为 SMPTE 12M1 纵 向 时 间 码 LTC 和 SMPTE12M2 辅助时间码 ATC。36NTP（Network Time Protocol）NTP 协议定义了分布式时间服务器和客户端之 间进行时间 同 步 的 机 制 ，它定义了协议实现过程中所 使用的结构 、算法、实体和协议 。 NTP 是一个简单高效 的协议 ，至多每分钟一个数据包即可将两台机器同步 至毫秒量级 。 它采用层级的概念来描述一台机器离时 间源有几个层级 。NTP 有一套严密的方法防止时间网上的 “时 间 自 环”和防止同步于时间不准确的时间服务器 。 它 是 通 过两种方法来实现的 ：首 先 ，永 远 不 能同步于自已发 布的时间 ； 然 后 ，NTP 比较几个时间服务器同时发布 的时间 ，时间值明显差异于其它时间服务器的那个时 间服务器将不被 NTP 用 于 时 间 同 步 ， 即 便 它 的 层 级 显示最低 。 为了防止被攻击 ，NTP 协议还可以提供认 证和加密的功能 。当 前应用较为广泛的时间同步技术主要是 DCLS、NTP 和 EBU 方 式 。 其 中 利 用 DCLS 和 EBU 技 术获得的时 间 精 度 较 高 ，但该方法无法实时监测传输 从基准钟获得标准时间后 ，需要将时间信息发送 到各种需要时间同步的设备上 。 目前国际上比较常用的 方 法 有 IRIG B、DCLS、NTP、ACTS、1PPS、串 行 口ASCII 字 符 串 、EBU 等 几 种 方 法 ，作简单介绍 。下面就这几种方法 311PPS（1 Pulse per Second）秒 脉 冲 信 号 ，不 包 含 时 刻 信 息 ，但其上升沿标记 了准确的每秒的开始 ，通常用于本地 测 试 ，也 可 用 于 局内时间分配 ，精度达到 100ns 量级。32IRIGB（Inter Range Instrumentation Group）IRIG 编码源于为磁带记 录 时 间 信 息 ，IRIGB 采 用 1kHz 的正弦波作为载频进行幅 度 调 制 ， 对 最 近 的1 秒进行编码 。 IRIGB 的帧内包括的内容有 ：年、天 、时 、 分 、 秒及控制信息等 。 其占用最大通道带宽为 3kHz，可以用普通的双绞线在楼内传输 ，也 可 在 模 拟 电话网上进行远距离传输 。33DCLS(DC Level Shift)DCLS（DC Level Shift）是 IRIGB 未 调 制 前 的 信 号 ，其数据帧定义与 IRIGB 完 全 相 同 ，精 度 也 相 同 。测传输时延的变化 ， 还 可 以 充分利用现有的网络资 源，组网简 单 ，易 于 维 护 。 可 以 说 ，NTP 协 议 是 目 前 最 广泛应用的标准时间协议 。广播电视系统常用的 GPS 定 时 方 法 如 图 2 所示。时间同步的精度4图 2 GPS 定 时 方 法图 2 中的时码分配器 可 提 供 多 路 RS232 或 EBU 接口方式的定时信号 。 计算机系统的定时采用 NTP 方式，校时服务器通过 RS232 接口或 PCI 子钟板卡 的时间同步的精度依赖于如下几个方面 。41时钟传递手段和路径传递路径越简单越短 ，则传递时延和时延的不确 定性就越小 ，则定时越准确 。 专线方式最好 ，电路型交 换网次之 ，包交换网 （如因特网 ）较差。方式获得标准时间 ，各子系统内的服务器采用 NTP网络校时方式与校时服务器同步 。由于 RS232 接口抗干 扰 性 能 差 ，传 输 距 离 有 限 ，这 种 定 时方式一般都只 能在同一机房内近距离使用 ，不 能 组 网 使 用 。 而 现 在 的广播电视系统十分庞大 ，台 内 的 播 出 、制 作 、非 编 、 媒资等都需要建设独立的时钟系统 ，由此产生了不少 问题。（1）定时精度不高如 前 所 述 ，定 时 精 度取决于时钟本振源 、传 输 路 径和设备本身的精度 。 由 于 GPS 接收机本身的抗干 扰 技 术 、安装的地理环境 、电 磁 干 扰 及人为操作等因 42时钟本振源的准确度时 钟 本 振 源的准确度越高 ， 则它的守时能力越 好。 在各种设备中 ，交换机设备时钟本振源较好 ，SDH网 元 的 次 之 ，计 算 机 的 最 差 ，不 同 本 振源的守时能力 如表 1。表 1不同本振源的守时能力 素 的 影 响 ，GPS 接收机存在着降质的可能性 ；另 一 方110 （天 老 化 率 ）面 ，GPS 卫星由美国政府控制 ， 美国政府从未对 GPS信号的质量及使用期限给予任何的承诺和保证 ，而 且 美国政府还具有对特定地区 GPS 信号进行降质处理 的能力 。 因此在组建时间同步网时 ，一般需要配备铷 钟作为备份 振 荡 源 。 但是由于投资分散 ，为 了 控 制 成 本 ， 各 子 系 统 的 GPS 时 钟 一 般只采用了高稳晶体振 荡 器 ，精 度 不 高 ，长时间运行后会出 现时间漂移的情 况。（2）设备繁杂43设备本身的分辨率在物理学上 ，精度还取决于测量设备本身的分辨率。 各种时间同步方法能够获得的时间精度及其应用范围如表 2。由 表 2 可 知 ，时间精度较高 。利 用 1PPS 和 IRIGB 方 式 获 得 的表 2 时间同步的精度 种 类连 接 形 式传 输 距 离相 对 精 度适 用 范 围IRIGB双绞线或同轴电缆 12km10100s楼内近距离设备 DCLS64k DDN 专 线无 限 制100s1ms（需补偿传输时延 ）楼内或远距离设备 直 连12kmNTP公 用 因 特 网 、专 用 IP 网无 限 制1001000ms广 域 网无 限 制10100ms城 域 网无 限 制200s10ms局 域 网100m 左 右10200s两 节 点 LANACTS电 话 线无 限 制10100ms（需补偿传输时延 ）远 距 离 设 备1PPS同 轴 电 缆100m 左 右100ns 量级 测试用或楼内近距离设备 串 行 口 ASCII 字 符 串双 绞 线100m 左 右10100ms楼内近距离设备 本 振 源老 化 率 最 低 准 确 度变 化1ms 需 用 时 间G811 规 定 的 1 级 时 钟11011（最低准确度）约 32 年铷 原 子 钟51011（月 老 化 率 ）约 75 月高稳晶体振荡器 1109（天 老 化 率 ）约 115 天普通晶体振荡器 7约 28 小 时一 般 计 算 机1105（天 老 化 率 ）约 100 秒维护不便 ，耗电量大 ，可靠性低 。（3）定时端口数量不足这种方 式 ，能够提供的硬件相互隔离的定时端口 数 量 有 限 ，所以仅能满足子系统内部 使 用 ，不 能 组 网 使用。（4）缺乏网管对时钟系统进行管理和监测在整个定时系统中 ，没有建立统一的网管 ，无 法 了解整个时钟系统的运行情况 ，各时钟之间的偏差不 能自动调整 ，所以电视中心内各部门仍然需要进行人 工校时 。方式和负载能力 ：（1）形式多样的输入输出时间接口时 间 同 步 系统应支持各种方式时间输入输出接 口，输入时间接口 应 支 持 1PPS、NTP、DCLS、ASCII 等接 口 ， 输 出 接 口 应 支 持 1PPS、DCLS、IRIG B、NTP、EBU、RS232 RS422 等 接 口 。 用 户 可以根据自身业务 需求，选用不同类型的时间接口来组建不同精度等级 的时间同步网 。（2）充足的输出端口根 据 现 在 广播电视的播出和制作系统都大量采 用 了 计 算 机 ，定 时 接 口 应 以 NTP 方 式 为 主 ，其 他 方 式为辅。 系统应可支持不少于 20 路硬件上相互隔离的 时间同步输出端口 ，可 同 时 向 2040 个子系统提供时 间 同 步 信 号 ；每 个 NTP 端 口 可 支 持 100 台 服 务 器 ，整6广播电视时间同步组网方式的改进从根本 上 看 ，现在各电视台时间同步方式采用的 是：个时间同步系统可同时支持 4000 台 服 务 器 ，能 完 全（1）各子系统内部采用主从同步方式 ；（2）各子系统之间采用准同步方式 ；（3）整个电视台采用混合同步方式 。一般而 言 ， 电视台各子系统的距离都比较短 ，基 本在同一栋楼内 ，最远也都会在同一 城 市 内 ，距 离 不超过 100km，时延不超过 100s。 这种应用场合 ，从时 间同步的概 念 出 发 ，广播电视的时间同步系统应优选 主从同步方式 （如图 3）。满 足 新 闻 制 作 、节 目 制 作 、媒 体 资 产 管 理 、卫 星 收 录 、音 频 制 作 、硬 盘 播 出 、广告业务等各 子系统的定时需 要 。同时可以通过一定 的组合方式输出多路 EBU 信号，保证制作和录像系统的需要 。所有需要时间同步的业务子系统 ，应 单 独 使 用 硬 件上相互隔 离 的 端 口 ， 安全性要求较高的子系统 ，应将 NTP 端口置于防火墙之后 ， 而且不对外公开其 IP地址。 在这 个 系 统 中 ，校时服务器已经不需要使用传 统的服务器 ，而是改由基准钟上的硬件端口直接输出 NTP 定 时 信 号 ，设备可靠性和稳 定 性 大 幅 提 高 ，也 大 大节省了安装空间 、能耗和成本 。（3）网管和监测功能时间同步系统应具备完善的管理和监测功能 ，可 对设备工作状态进行监控和管理 ，能 监 测 制 作 、播 出 等核心系统主要客户端的定时状态 ，保证广播电视各 主要设备的定时精度 。（4）良好的可扩展性系 统 应 可 以根据以后业务的需求方便地扩展输 出端口数量 。 有冗余备份设计 ，重要单板能做热备份 ， 任一单板故障不会造成时钟输出中断或恶化 。从安全 性 考 虑 ，系统最好还能同时具备支持北斗 图 3 广播电视系统主从时间同步方式 广播电视系统至少设立 一 个 LPR 基 准 钟 ，作 为整个系统的基准时钟 ，必要时可设立 两 个 LPR 基 准钟，互为主备 。 LPR 基准钟配备卫星接收系统 ，用卫星信号接收系统获取长期稳定度优良的信号 ，并 配 备 高 性能的铷原子振荡器作为本地备份振荡器 。 在正常情况 下 ， 时间同步系统直接 获 取 来 自 GPS 卫 星 接 收 系 统的时间信 号 。 当卫星信号异常时 ，则改用铷钟作为 备 份 时 钟 ， 保 证 在 GPS 不 可 用的状态下仍能在较长 卫星系统的接口 ，统。必 要 时 可直接替换美国的 GPS 系总结7（下转第 67 页）销售商通过电话确认便可以 知道此次订购行为是有 人冒充了用户乙 。这 种 方 式 适合于用户支付广电运营商自办的业 务。 因此该支付方式很适用于运营商自主的业务 ，如 购买付费频道 、缴基本收视费等 。射关系 （如 图 4 中 所 示 ）：同一种业务可以对应多种支 付方式 ，使得用户在开通某种业务时不受到支付方式 的限制 ，可根据自己的方便程度来选择支付方式 。3数字电视综合电子支付平台的设计方案设计借助数 字 电 视 平 台 ，广电运营商可以为用户提供 极其丰富的 支 付 型 业 务 ， 业务种类上包括 ： 购 物 、预 订、银行转账 、缴 费 充 值 、账 单 支 付 、即 时 消 费 等 ；从 业 务运营主体 上 分 类 ： 有自身作为运营主体的业务 ，又 有以第三方为运营主体依托 于数字电视平台开展的 业务。不 同 类 型 业 务 的 模 型 中 ， 各方业务关系也不相 同， 导致单一支付方式无法支撑开展所有的业务。 因 此， 广电运营商必须设计与搭建一个综合型的电子支 付平台，才能保障越来越多的支付型业务的顺利开展。综合电子支付平台架构如图 4 所示。综合电子 支 付 平 台 由 “钱 袋 ”支 付 子 系 统 、网 络 银 行支付子系统以及银行划扣 支付子系统以及支持其 他支付方式的子系统构成 ，这些支付子系统使得广电 运营商很方便地通过其业务 平台向用户提供丰富的 支付型增值业务 。32方案分析如图 4 所 示 ，综合电子支付平台属于综合业务平 台的一部分 ，具有如下特点 ：（1）支付平台由各 个支付子系统组成 ，每 种 子 系 统都有其适用的业务类型 ，保证了可支撑的业务种类 31图 4广电运营商综合电子支付平台架构 小结4单独一种支付方式能够适用的业务是有限的 ，因此，广电运营商必须搭建一个综合电子支付平台 。 用 户通过这个平台的一种或多种支付方式 ， 与 银 行 、第 三方合作伙伴以及运营商建立关联关系 ，