童克波 梅儀國(guó) 錢(qián)科能等

[摘要]PTN作為傳輸與分組技術(shù)的融合產(chǎn)物，越來(lái)越受到關(guān)注，中國(guó)移動(dòng)部署PTN網(wǎng)絡(luò)，在初期主要承載TD-SCDMA業(yè)務(wù)，時(shí)鐘是PTN需要考慮的重要問(wèn)題之一。文章首先介紹兩種PTN網(wǎng)絡(luò)的同步技術(shù)，然后說(shuō)明PTN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用同步技術(shù)的重要意義，最后提出基于PTN同步技術(shù)的典型應(yīng)用，并指出PTN網(wǎng)絡(luò)同步技術(shù)的應(yīng)用關(guān)鍵。

[關(guān)鍵詞]PTN時(shí)間同步IEEE1588v2協(xié)議GPS替代

1基于PTN網(wǎng)絡(luò)的同步技術(shù)

時(shí)鐘同步技術(shù)包括頻率同步和時(shí)間同步。頻率同步要求相同的時(shí)間間隔，時(shí)間同步要求時(shí)間的起始點(diǎn)相同和相同的時(shí)間間隔。無(wú)線技術(shù)不同制式對(duì)時(shí)鐘承載有不同的需求，GSM，WCDMA采用的是異步基站技術(shù)，只需要做頻率同步，精度要求0.05ppm，而TD-SCDMA/CDMA2000需要時(shí)間同步，TD-SCDMA的精度要求為±1.5μs。

從2004年開(kāi)始，國(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)部門(mén)(1TU-T)Q13/SG15開(kāi)始逐步制訂關(guān)于分組網(wǎng)同步技術(shù)的系列建議書(shū)，主要有：G.8261(定義總體需求)、G.8262(定義設(shè)備時(shí)鐘的性能)、G.8264(主要定義體系結(jié)構(gòu)和同步功能模塊)。IEEE在2001年發(fā)布IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了一種精確時(shí)間同步協(xié)議(PTP)。IEEE1588是針對(duì)局域網(wǎng)組播環(huán)境制訂的標(biāo)準(zhǔn)，在電信網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜環(huán)境下，應(yīng)用將受到限制。因此2008年又發(fā)布了IEEE1588v2(以下簡(jiǎn)稱(chēng)1588v2)，該版本增加了適應(yīng)電信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的技術(shù)特點(diǎn)。

因特網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議(NTP)實(shí)現(xiàn)了Internet上用戶與時(shí)間服務(wù)器之間的時(shí)間同步。在基于PTN分組網(wǎng)絡(luò)中，同步技術(shù)可以通過(guò)同步以太網(wǎng)G.8261和精確時(shí)間同步協(xié)議IEEE1588v2來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.1同步以太網(wǎng)技術(shù)G.8261

G.8261通過(guò)以太網(wǎng)物理層PHY芯片從串行數(shù)據(jù)碼流中恢復(fù)出發(fā)送端的時(shí)鐘，這種方式與SDH時(shí)鐘恢復(fù)方式是相同的，并且可以獲得類(lèi)似SDH的時(shí)鐘精度，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步。時(shí)鐘同步質(zhì)量接近SDH，不會(huì)受到數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)擁塞、丟包、時(shí)延等問(wèn)題的影響。但目前同步以太網(wǎng)只能支持頻率信號(hào)的傳送，不支持時(shí)間信號(hào)的傳送，所以單純的同步以太網(wǎng)方案只適用于不需要時(shí)間同步要求的場(chǎng)景。

1.2時(shí)間同步技術(shù)IEEE1588v2

IEEE1588v2是未來(lái)統(tǒng)一提供時(shí)間同步和頻率同步的方法，能適合于不同傳送平臺(tái)的局間時(shí)頻傳送，既可以基于IEEE1588v2的時(shí)間戳以基于分組的時(shí)間傳送(TOP)方式單向傳遞頻率，也可使用IEEE1588v2的協(xié)議實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，在PTN設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。

IEEE1588v2時(shí)間同步的核心思想是采用主從時(shí)鐘方式，對(duì)時(shí)間信息進(jìn)行編碼。利用網(wǎng)絡(luò)的對(duì)稱(chēng)性和延時(shí)測(cè)量技術(shù)，通過(guò)報(bào)文消息的雙向交互實(shí)現(xiàn)主從時(shí)間的同步。

2PTN滿足移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)同步要求的意義

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)高精度同步有嚴(yán)格的要求，基站工作的切換、漫游等都需要精確的時(shí)間控制，避免用戶在基站之間切換過(guò)程中出現(xiàn)掉線、影響其他用戶的現(xiàn)象。目前各種無(wú)線技術(shù)對(duì)同步的要求如表1所示。

2.1同步網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)略意義

目前中國(guó)移動(dòng)已經(jīng)部署的TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)，均采用GPS方案來(lái)解決移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)同步問(wèn)題。但GPS天線安裝需要滿足120°的凈空要求，工程安裝有難度，且GPS成本較高，維護(hù)困難，中國(guó)移動(dòng)一直積極尋求替代GPS的新技術(shù)：一方面通過(guò)有線傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送精確時(shí)間同步信號(hào)；另一方面利用我國(guó)自主發(fā)射的北斗衛(wèi)星作為時(shí)間信號(hào)源，使用北斗衛(wèi)星與GPS衛(wèi)星雙模授時(shí)，并互為主備用，最終從時(shí)間信號(hào)的來(lái)源和傳輸兩個(gè)方面相結(jié)合，徹底擺脫對(duì)GPS的依賴。

隨著PTN技術(shù)的發(fā)展，業(yè)界紛紛把目光投向PTN，尋求通過(guò)PTN分組網(wǎng)絡(luò)上提供高精度同步的解決方案，從而實(shí)現(xiàn)GPS替代。而IEEE1588v2有效解決了GPS同步成本高、安裝困難等問(wèn)題，已成為承載TD-SCDMA/LTE網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.2PTN技術(shù)

PTN是基于分組傳送的新一代多業(yè)務(wù)傳送網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)分組業(yè)務(wù)的高效傳送，同時(shí)能夠兼容對(duì)傳統(tǒng)TDM、ATM等業(yè)務(wù)的承載。

PTN作為一種面向連接的傳送技術(shù)，基于分組架構(gòu)，借鑒了SDH完善的保護(hù)倒換、豐富的OAM、良好的同步性能，同時(shí)融合了MPLS/Ethernet技術(shù)分組交換、QoS管理以及統(tǒng)計(jì)復(fù)用等思路，為運(yùn)營(yíng)商建設(shè)可管理、可運(yùn)維的統(tǒng)一融合的傳送網(wǎng)提供了良好的解決思路。

2.3PTN網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的IEEE1588v2技術(shù)

IEEE1588v2技術(shù)采用主從時(shí)鐘方案，對(duì)時(shí)間進(jìn)行編碼傳送，利用網(wǎng)絡(luò)鏈路的對(duì)稱(chēng)性和延時(shí)測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)主從時(shí)鐘的頻率、相位和絕對(duì)時(shí)間的同步。

(1)IEEE1588v2協(xié)議原理

IEEE1588v2協(xié)議原理如圖1所示。圖中，延遲(Delay)=(T2-TI+T4-T3)/2，時(shí)間差(Offset)=(T2-T1-T4+T3)，2。主時(shí)鐘與從時(shí)鐘之間發(fā)送Sync、Follow_Up、Delay_Req、Delay_Resp消息。通過(guò)T1、T2、T3、T4這4個(gè)值，主從時(shí)鐘可計(jì)算出主時(shí)鐘與從時(shí)鐘之間的延遲(Delay)，以及主時(shí)鐘與從時(shí)鐘的時(shí)間差(Offset)。

同步消息類(lèi)型有一般消息和事件消息。一般消息(例如Follow_Up)本身不進(jìn)行時(shí)戳處理，它可以攜帶事件消息(如Sync)的準(zhǔn)確發(fā)送或接收時(shí)間，還具有完成網(wǎng)絡(luò)配置、管理、或PTP節(jié)點(diǎn)之間通信的功能。事件消息本身需要進(jìn)行時(shí)戳處理，并可攜帶或不攜帶時(shí)戳。從時(shí)鐘根據(jù)事件消息的時(shí)戳或由一般消息攜帶的時(shí)戳計(jì)算路徑延遲和主從時(shí)鐘之間的時(shí)間差。

延遲是影響IEEE1588v2精度的主要因素之一。延遲主要有時(shí)戳處理延遲、節(jié)點(diǎn)緩沖延遲和路徑延遲。

時(shí)戳處理由硬件完成，硬件時(shí)戳處理可以補(bǔ)償IEEE1588v2協(xié)議幀通過(guò)協(xié)議棧時(shí)消耗的時(shí)間，保證端口消息發(fā)送和接收時(shí)戳的精度。

而對(duì)于傳輸路徑的補(bǔ)償，有兩種方式：時(shí)延請(qǐng)求反應(yīng)方式和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)時(shí)延方式。時(shí)延請(qǐng)求反應(yīng)方式結(jié)合E2ETC使用。TC只需要在入口和出口處在報(bào)文上標(biāo)記處理時(shí)戳，時(shí)間延遲補(bǔ)償?shù)挠?jì)算全部由從時(shí)鐘完成。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)時(shí)延方式結(jié)合P2P TC使用。TC參與端點(diǎn)間的時(shí)間延遲計(jì)算，每個(gè)端點(diǎn)分別與TC交互，并計(jì)算P2P之間的時(shí)間延遲。從時(shí)鐘利用計(jì)算結(jié)果計(jì)算延遲補(bǔ)償。

(2)IEEE1588v2時(shí)鐘類(lèi)型和模式

IEEE1588v2定義了3種時(shí)鐘模式：普通時(shí)鐘(OC)、邊界時(shí)鐘(BC)和透明時(shí)鐘(TC)。OC通常是網(wǎng)絡(luò)始端或終端設(shè)備，該設(shè)備只有一個(gè)1588端口，該端口只能作為SLAVE或MASTER；BC是網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘設(shè)備，該設(shè)備有多個(gè)1588端口，其中一個(gè)端口可

作為SLAVE，設(shè)備系統(tǒng)時(shí)鐘的頻率和時(shí)間同步于上一級(jí)設(shè)備，其他端口作為MASTER，可以實(shí)現(xiàn)逐級(jí)的時(shí)間傳遞；TC是網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘設(shè)備，可分為E2E TC和P2P TC兩種。

IEEE1588v2最重要的技術(shù)是BMC算法(最佳主時(shí)鐘算法)，其作用為建立主從同步鏈，保證時(shí)鐘路由不成環(huán)；支持多個(gè)時(shí)間源的自由選擇和自動(dòng)切換；主用時(shí)鐘鏈路出現(xiàn)故障后，能自動(dòng)快速倒換到備用時(shí)鐘鏈路。本地時(shí)鐘通過(guò)BMc算法來(lái)決策哪個(gè)時(shí)鐘是最好的。并據(jù)此來(lái)決定端口的下一個(gè)狀態(tài)值是MASTER、SLAVE還是PASSIVE。

在PTN網(wǎng)絡(luò)中，IEEE1588v2實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步主要有兩種模式，即BC模式和TC模式。BC和TC模式均可實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，兩種模式的進(jìn)一步比較如表2所示：

從表2來(lái)看，BC模式顯然更適合PTN。目前，中國(guó)移動(dòng)關(guān)于PTN和時(shí)間同步的規(guī)范均要求首推BC模式。

(3)IEEE1588v2的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

從上述原理中可以總結(jié)出IEEE1588v2的主要優(yōu)點(diǎn)：

◆支持時(shí)間和頻率同步；

◆同步精度高，可達(dá)亞微秒級(jí)；

◆網(wǎng)絡(luò)PDV影響可通過(guò)逐級(jí)的恢復(fù)方式解決；

◆統(tǒng)一的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。

而IEEE1588v2的缺點(diǎn)主要有：

◆不支持非對(duì)稱(chēng)網(wǎng)絡(luò)；

◆需要硬件支持IEEE1588v2協(xié)議和工作原理。3基于PTN同步技術(shù)的典型應(yīng)用

隨著PTN技術(shù)的正式商用，同步以太網(wǎng)技術(shù)以及IEEE1588v2協(xié)議都作為PTN的同步技術(shù)得到了應(yīng)用。而IEEE1588v2協(xié)議的應(yīng)用更是利用其優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)了替代基站GPS和頻率恢復(fù)等問(wèn)題。

3.1替代基站GPS

中國(guó)移動(dòng)TD-SCDMA基站需要高精度的時(shí)間同步，以確保不同TD-SCDMA基站問(wèn)的時(shí)間偏差在3μs以內(nèi)。TD-SCDMA基站之間必須要保持時(shí)間同步，目前TD-SCDMA基站主要通過(guò)加裝GPS天線模塊獲取時(shí)間同步信號(hào)。但是TD-SCDMA基站的GPS天線存在天線和饋線安裝難、安全隱息高、維護(hù)成本高等問(wèn)題。

舉例來(lái)說(shuō)，GPS使用時(shí)施工難度大，很多基站往往存在GPS沒(méi)有合理位置安裝的問(wèn)題。如果GPS凈空受到遮擋，就會(huì)使得GPS搜尋困難，存在失步的可能，而一旦失步，該站將無(wú)法正常工作并會(huì)對(duì)周?chē)军c(diǎn)形成嚴(yán)重干擾。而室內(nèi)地下等應(yīng)用場(chǎng)景，GPS安裝更加困難，故障頻率更高。

再次，由于每個(gè)基站都需要安裝一套GPS系統(tǒng)，當(dāng)TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)規(guī)模日益龐大，GPS系統(tǒng)的成本會(huì)逐漸增多，同時(shí)維護(hù)成本也會(huì)隨之增高。

為此，TD-SCDMA系統(tǒng)GPS替代方案的在不斷研究，而PTN技術(shù)的出現(xiàn)引起了廣泛關(guān)注。如果PTN傳送網(wǎng)可以為基站提供時(shí)間同步，替代GPS的功能或者作為GPS的備份使用，無(wú)疑將會(huì)為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)提供更高的安全保障。

通過(guò)組網(wǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在PTN網(wǎng)絡(luò)中，只需其中一個(gè)網(wǎng)元輸入時(shí)間信息，例如通過(guò)1PPS+TOD借口從GPS接收時(shí)間信息，PTN網(wǎng)絡(luò)通過(guò)IEEE1588v2協(xié)議將時(shí)間信息分發(fā)到其他網(wǎng)元，再通過(guò)以太網(wǎng)接口或者其他接口到達(dá)基站，從而實(shí)現(xiàn)各TD-SCDMA基站之間的時(shí)間同步?；緜?cè)需要支持IEEE1588v2協(xié)議或者支持時(shí)間接口。如果支持IEEE1588v2協(xié)議，則PTN可工作在透明時(shí)鐘方式；如不支持，PTN需要工作在邊界時(shí)鐘方式。

由此可見(jiàn)，基于PTN的IEEE1588v2時(shí)間同步替換GPS方案使得每個(gè)TD-SCDMA基站不再需要安裝復(fù)雜的GPS系統(tǒng)，節(jié)省了大量成本，避免了安裝GPS困難的問(wèn)題，維護(hù)更方便，也便于今后移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的快速擴(kuò)容。

大量研究數(shù)據(jù)和部分已使用基于PTN的IEEE1588v2時(shí)間同步替換GPS的地區(qū)的現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試結(jié)果也表明，PTN傳輸網(wǎng)絡(luò)可以給TD-SCDMA基站傳輸穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。PTN承載基站的各項(xiàng)指標(biāo)與GPS時(shí)鐘源的基站基本沒(méi)有差別。另外，PTN作為新一代的傳輸技術(shù)具備極大的優(yōu)勢(shì)，支持Iub接口IP化。

3.2頻率恢復(fù)

1588v2技術(shù)的另外一個(gè)主要用途是以TOP方式進(jìn)行頻率恢復(fù)。在運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境中，很多網(wǎng)絡(luò)是普通數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，不支持同步以太網(wǎng)。需要穿越該普通網(wǎng)絡(luò)獲取時(shí)鐘頻率時(shí)可使用1588v2技術(shù)。

圖2為頻率恢復(fù)1588v2組網(wǎng)實(shí)例。當(dāng)分組傳送網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)設(shè)備(A和B)的中間網(wǎng)絡(luò)同為普通數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，從A點(diǎn)穿越普通數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳遞1588v2的Sync報(bào)文到網(wǎng)絡(luò)出口B點(diǎn)。B點(diǎn)通過(guò)1588v2恢復(fù)出A點(diǎn)的時(shí)鐘，恢復(fù)的時(shí)鐘作為B點(diǎn)的參考源，然后再根據(jù)該參考源恢復(fù)業(yè)務(wù)時(shí)鐘。

4PTN網(wǎng)絡(luò)同步技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題

PTN時(shí)間同步方案在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，有幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題值得探討：

4.1精度問(wèn)題

一般來(lái)講，基于物理層同步的G.8261可以提供較高質(zhì)量的參考時(shí)鐘，但不能實(shí)現(xiàn)時(shí)間的同步。而IEEE1588v2同步方式既可以實(shí)現(xiàn)頻率同步，也可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，但1588報(bào)文經(jīng)過(guò)復(fù)雜的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，抖動(dòng)和非對(duì)稱(chēng)性的不可控，導(dǎo)致從1588報(bào)文中恢復(fù)時(shí)鐘和時(shí)間精度難以保證。因此在實(shí)際應(yīng)用中可以考慮兩種同步方式相結(jié)合的方法，通過(guò)G.8261完成精確的頻率同步。在G.8261基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)1588v2時(shí)間同步，硬件實(shí)現(xiàn)1588協(xié)議中精確時(shí)戳的插入和提取，減少1588報(bào)文發(fā)包頻率，加快收斂速度，有效提高時(shí)間同步精度。

4.2補(bǔ)償問(wèn)題

1588的關(guān)鍵在于延時(shí)測(cè)量。同步時(shí)間源一般是通過(guò)帶外線纜將1PPS和TOD信息傳遞給PTN設(shè)備，另外目前現(xiàn)網(wǎng)中大部分基站都不具備1588能力，PTN設(shè)備也需要通過(guò)帶外的方式，將1PPS和TOD傳遞基站，如果時(shí)間源和基站不具備延時(shí)補(bǔ)償能力，需要將PTN設(shè)備完成這部分線纜引入的延時(shí)補(bǔ)償，將補(bǔ)償結(jié)果加到TOD信息。

4.3可靠性問(wèn)題

為保證PTN網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)間信息的可靠傳輸，必須對(duì)輸入時(shí)間源和傳輸鏈路實(shí)行可靠保護(hù)設(shè)計(jì)。

首先對(duì)PTN設(shè)備通過(guò)1PPS+TOD接口采用高精度時(shí)間源進(jìn)行授時(shí)，保證系統(tǒng)在一定的時(shí)間內(nèi)可靠穩(wěn)定地運(yùn)行，條件允許的情況下，可采用主備兩個(gè)高精度時(shí)間源，增加時(shí)間源的冗余備份能力。

PTN傳送網(wǎng)物理鏈路一般采用環(huán)形組網(wǎng)，匯聚層和接入層采用相交或相切環(huán)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，每個(gè)外時(shí)間源通過(guò)環(huán)形鏈路中不同兩電接入主用鏈路和備用鏈路。在PTN網(wǎng)絡(luò)中啟用BMc算法，BMC算法可給予時(shí)鐘質(zhì)量和最短節(jié)點(diǎn)路徑選擇最優(yōu)的時(shí)間源，有效減少時(shí)鐘質(zhì)量的累加誤差，增加時(shí)鐘源的冗余備份能力。

5結(jié)束語(yǔ)

PTN技術(shù)逐漸大規(guī)模商用已是大勢(shì)所趨，而同步技術(shù)又是PTN需要重要考慮的問(wèn)題之一，因此對(duì)PTN時(shí)鐘同步技術(shù)深入研究相當(dāng)有必要。目前，IEEE1588v2協(xié)議的同步精度已達(dá)到TD-SCDMA/LTE網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)鐘同步的精度要求，而利用基于PTN的時(shí)間同步技術(shù)，更可以應(yīng)用于TD-SCDMA基站GPS替代和頻率恢復(fù)等。可見(jiàn)，PTN同步技術(shù)的研究和應(yīng)用對(duì)于未來(lái)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的可擴(kuò)展性、節(jié)省成本、減少重復(fù)投資和維護(hù)方便等方面都有著重要的意義。

作者簡(jiǎn)介

童克波：畢業(yè)于南京郵電學(xué)院信號(hào)與信息處理專(zhuān)業(yè)，工學(xué)碩士。任職于中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)浙江有限公司，從事移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、傳輸網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)管理工作。組織編寫(xiě)了多部通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備工程建設(shè)規(guī)范，數(shù)據(jù)城域網(wǎng)及干線網(wǎng)、WLAN網(wǎng)絡(luò)、GPON網(wǎng)絡(luò)設(shè)備維護(hù)規(guī)范，牽頭制定全國(guó)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)代維管理規(guī)范。

梅儀國(guó)：畢業(yè)于北京郵電大學(xué)電子與通信工程，工學(xué)碩士，任職于華信郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院，工程師，獲得注冊(cè)咨詢工程師(投資)、一級(jí)建造師，長(zhǎng)期從事光網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。

錢(qián)科能：工學(xué)碩士，畢業(yè)于北京郵電大學(xué)電子與通信工程，任職于華信郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院，工程師，長(zhǎng)期從事通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。