林赟，劉洋，王凱

（海能達(dá)通信股份有限公司，廣東 深圳 518057）

1 引言

移動通信系統(tǒng)均有嚴(yán)格的時鐘同步要求，以確保系統(tǒng)的正常工作，因此移動通信系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)和工程實(shí)施一直都面臨著挑戰(zhàn)。

PTP（Precision Time Protocol，精密時鐘同步協(xié)議）是一種基于分組網(wǎng)絡(luò)的同步技術(shù)，目前在公用移動通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用較為廣泛，而在專用移動通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用則嚴(yán)重滯后。在專用移動通信領(lǐng)域，海能達(dá)公司率先將PTP同步技術(shù)應(yīng)用到了新的TETRA 2代基站產(chǎn)品上。文章對比了傳統(tǒng)同步方式和PTP同步方式的優(yōu)劣，闡述了PTP 同步技術(shù)在海能達(dá)TETRA 數(shù)字集群通信系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用情況，并對PTP同步機(jī)制、性能及網(wǎng)絡(luò)要求等方面進(jìn)行了測試驗(yàn)證。海能達(dá)TETRA 2代基站如圖1所示。

2 PTP及時鐘同步技術(shù)簡介

2.1 時鐘同步的概念

時鐘同步包括頻率同步和時間同步兩個方面。

頻率同步指信號之間的頻率保持某種嚴(yán)格的特定關(guān)系，以此維持各個節(jié)點(diǎn)以相同的頻率運(yùn)行。例如基站的載波頻率要滿足一定的精度。

時間同步，又稱為相位同步，是指各個節(jié)點(diǎn)的時刻保持一致。例如，基于協(xié)調(diào)世界時（UTC），通信網(wǎng)絡(luò)上各個節(jié)點(diǎn)的時間偏差需要保持在允許的范圍內(nèi)。

圖1 海能達(dá)TETRA 2代基站

2.2 PTP簡介

IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)第一版于2002年發(fā)布，全稱是“網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)（Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems）”，是一種基于分組網(wǎng)絡(luò)的同步技術(shù)，支持頻率同步和時間同步，采用MAC層處理時間戳的方式，可達(dá)到亞微秒級的同步精度，主要應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，IEEE 1588也被稱作PTP。

IEEE 1588 v2標(biāo)準(zhǔn)于2008年發(fā)布。與第一版相比，第二版針對通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用環(huán)境作了相應(yīng)的修改，例如縮短并統(tǒng)一了報(bào)文長度，允許單播傳播，并引入了透明時鐘機(jī)制。IEEE 1588 v2為代替GPS提供了可能的解決方案，PTP在通信行業(yè)中開始迅速商用。

PTP同步的基本原理：

一個PTP 同步系統(tǒng)由許多節(jié)點(diǎn)（設(shè)備）組成，節(jié)點(diǎn)之間通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，周期性地發(fā)布帶有時間戳的信息，使各個節(jié)點(diǎn)的時鐘得到同步。PTP設(shè)備包括普通時鐘（Ordinary Clock）、邊界時鐘（Boundary Clock）、透明時鐘（Transparent Clock）。

PTP采用主從（Master-Slave）模式，通過BMC最佳主時鐘算法（Best Master Clock）確定每個域內(nèi)的主時鐘，其中Grandmaster是整個同步網(wǎng)絡(luò)的時間源，并通過Sync、Follow_Up、Delay_Request和Delay_Response報(bào)文通告精確的時間戳，完成頻率和時間同步，原理如圖2所示：

圖2 PTP同步原理

主時鐘周期性地給從時鐘發(fā)送Sync報(bào)文，這個同步報(bào)文包括該報(bào)文離開主時鐘的時間估計(jì)值。緊接著發(fā)送Follow_Up消息通告上個消息的實(shí)際發(fā)送時間t1；從時鐘記錄Sync消息的到達(dá)時間t2。從時鐘向主時鐘發(fā)送一個延遲請求Delay_Request報(bào)文，同時記錄該報(bào)文的實(shí)際發(fā)送時間t3；主時鐘記錄延遲請求報(bào)文到達(dá)的時間t4，并發(fā)送延遲請求響應(yīng)報(bào)文Delay_Response把t4告知從時鐘。從時鐘根據(jù)4個時間信息計(jì)算出兩個時鐘的偏差和傳輸延遲。

假設(shè)主從之間的消息往返延遲是對稱的，則有從時鐘與主時鐘的時間偏差Offset為：

從時鐘與主時鐘之間的傳輸延遲Delay為：

從時鐘根據(jù)計(jì)算出來的偏差修正本地時間，從而達(dá)到與主時鐘同步。

2.3 時鐘同步技術(shù)的對比

移動通信系統(tǒng)的同步需求包括頻率同步和時間同步兩個方面，頻率和時間的偏差會影響終端在基站間的切換成功率，影響頻譜利用率。

NTP（Network Time Protocol，網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議），是設(shè)計(jì)用來使網(wǎng)絡(luò)上的計(jì)算機(jī)保持時間同步的一種協(xié)議，主要用于Internet，在電信系統(tǒng)中主要應(yīng)用于網(wǎng)管、計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，其同步精度只能達(dá)到毫秒級，并不能滿足移動通信系統(tǒng)的時鐘同步要求。

公用移動通信網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)同步解決方案：對于只有頻率同步需求的系統(tǒng)，主要靠BITS＋SDH解決同步要求，如GSM、WCDMA；對于有頻率同步和時間同步要求的系統(tǒng)，通過給每個基站配備GPS模塊來進(jìn)行同步，如TD-SCDMA、CDMA2000、T D-LTE。近幾年，公用移動通信網(wǎng)絡(luò)已開始采用基于PTN 的IEEE1588同步方案來替代GPS。

TETRA（Terrestrial Trunked Radio，陸上集群無線電）系統(tǒng)的傳統(tǒng)同步解決方案：TETRA系統(tǒng)也是采用GPS同步方式來提供精確的頻率同步和時間同步。

可見，在公用移動通信網(wǎng)絡(luò)或?qū)Ｓ靡苿油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)方案主要都是采用GPS作為時鐘同步的解決方案。GPS同步方式的優(yōu)點(diǎn)是精度高，但是也存在不少問題：每個基站都需要安裝GPS天線，而且GPS天線需要安裝在視野良好的露天環(huán)境，如果基站部署在地下或者隧道，那么就需要鋪設(shè)較長的饋線，增加工程的復(fù)雜性，維護(hù)起來也比較困難。另外，這種同步方式依賴美國GPS系統(tǒng)，存在一定的政治和安全風(fēng)險(xiǎn)。

幾種同步技術(shù)的對比如表1所示。

通過對比可以看出PTP同步技術(shù)具有精度高、支持頻率同步和時間同步等優(yōu)點(diǎn)，并且針對移動通信系統(tǒng)從電路交換向全I(xiàn)P化演進(jìn)過程中出現(xiàn)的同步問題，PTP也是可靠有效的解決方案。

3 PTP系統(tǒng)集成及測試方案

3.1 TETRA系統(tǒng)的同步要求

根據(jù)TETRA標(biāo)準(zhǔn)要求，基站必須具備精度較高的頻率同步和時間同步，頻率精度方面要滿足±0.2ppm（±0.2ppm for 400MHz，±0.1ppm for 800 MHz）；時間精度方面，同一基站內(nèi)不同載波之間的時間偏差不能超過125/9μs。

表1 同步技術(shù)的對比

3.2 PTP系統(tǒng)集成方案

海能達(dá)TETRA 2代基站采用基于硬件的PTP集成方案，即內(nèi)置PTP芯片來實(shí)現(xiàn)PTP功能，將PTP芯片、支持PTP的交換芯片和PHY芯片、OCXO高精度恒溫晶振集成到基站的控制器單元，配合系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)PTP功能，將基站配置為PTP Slave，并通過基站內(nèi)部的分發(fā)機(jī)制進(jìn)行時鐘同步，保證系統(tǒng)滿足TETRA標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求?；究膳渲脙蓚€控制器單元，互為備份冗余，以實(shí)現(xiàn)PTP同步的冗余。

另外，TETRA 2代基站支持同時配置GPS同步和PTP同步，此時GPS優(yōu)先級更高，當(dāng)GPS信號失效時可切換到PTP模式。

3.3 測試環(huán)境搭建

海能達(dá)TETRA系統(tǒng)的PTP部署方式主要基于IP傳輸網(wǎng)，并根據(jù)實(shí)際情況對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，確保時鐘同步的精確性和穩(wěn)定性。為實(shí)際驗(yàn)證海能達(dá)TETRA 2代基站的PTP功能和性能，以及測試網(wǎng)絡(luò)對PTP同步的影響，搭建了如下的測試環(huán)境。

（1）測試設(shè)備

TETRA 2代基站：海能達(dá)TETRA系統(tǒng)為全I(xiàn)P架構(gòu)，支持彈性的部署方式，根據(jù)SCF（交換控制節(jié)點(diǎn)功能）和BSF（基站節(jié)點(diǎn)功能）部署位置的不同分為集中式和分布式。在本次測試中，TETRA 2代基站為集中式配置。

PTP Grand ma ster：PTP Grandmaster為整個TETRA網(wǎng)絡(luò)的時間源，基于PTP（IEEE 1588）協(xié)議提供精確的時間同步。PTP模式配置為Unicast、PTP over IP、Two-Step。

層三交換機(jī)：由于TETRA系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能需要接入不同的外部網(wǎng)絡(luò)，例如語音、調(diào)度錄音、分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等，這些不同的數(shù)據(jù)流量必須分到不同的VLAN中，因此需要在層三交換機(jī)上完成相關(guān)配置。

層二交換機(jī)：為了模擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對PTP同步的影響，使用了數(shù)量較多的層二交換機(jī)進(jìn)行測試，實(shí)際工程情況中網(wǎng)絡(luò)環(huán)境可能會更加復(fù)雜。

測試電腦：安裝PTP監(jiān)控軟件和Wireshark軟件，主要用于對PTP狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和對PTP數(shù)據(jù)進(jìn)行抓包。

GPS模塊：提供1PPS輸出，作為測量PTP同步精度的參考源。

示波器：主要用于測量PTP同步精度、基站不同載波之間的相位差。

測試設(shè)備數(shù)量及配置如表2所示：

表2 測試設(shè)備數(shù)量及配置

（2）測試環(huán)境拓?fù)鋱D

PTP Grandmaster必須連接GPS天線，并保證能夠接收到5顆以上衛(wèi)星，通過CAT5網(wǎng)線連接到層三交換機(jī)或?qū)佣粨Q機(jī)。TETRA 2代基站連接到層三交換機(jī)（對應(yīng)VLAN）。使用PTP監(jiān)控軟件時，測試電腦連接到層三交換機(jī)，使用與基站相同的VLAN；使用Wireshark軟件時，測試電腦連接到層三交換機(jī)的監(jiān)聽端口，層三交換機(jī)需做相應(yīng)的鏡像端口和監(jiān)聽端口配置。示波器連接到基站信道機(jī)的測試端口。在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)測試時，將層二交換機(jī)連接到PTP Grandmaster和層三交換機(jī)之間，數(shù)量從0到12個逐步增加。測試環(huán)境拓?fù)鋱D如圖3所示：

圖3 測試環(huán)境拓?fù)鋱D

4 測試結(jié)果分析

4.1 PTP同步測試

為了驗(yàn)證TETRA 2代基站的PTP功能及性能，在完成測試環(huán)境的搭建和系統(tǒng)的各項(xiàng)配置之后，進(jìn)行了以下的測試項(xiàng)目：

（1）檢查基站PTP狀態(tài)：主備2個控制器單元的PTP端口狀態(tài)均為Slave，即基站控制器單元與PTP Grandmaster通信正常；并且PTP同步狀態(tài)為Locked，其判定標(biāo)準(zhǔn)為Phase Error優(yōu)于±1000ns，鎖定表明PTP工作正常。

（2）測量PTP時間同步的精度：以GPS模塊的1PPS輸出為參考，使用示波器測量基站控制器單元1PPS輸出的上升沿與GPS模塊的1PPS上升沿的偏差，得到PTP模式下基站控制器單元1PPS輸出的相位差（時間偏差）為：-664～170ns，-304～154ns，如圖4所示：

圖4 基站1PPS精度測量結(jié)果

（3）測量載波之間的相位差：將信道機(jī)的調(diào)試端口連接到示波器，測量信道機(jī)的Multi-frame信號上升沿的偏差，得到載波之間的相位差都優(yōu)于±600ns，滿足TETRA系統(tǒng)的需求。

4.2 PTP message rate及網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)測試

（1）PTP message rate測試

不同的PTP message rate下PTP同步數(shù)據(jù)所占用的網(wǎng)絡(luò)帶寬不同，同時也會影響PTP的同步性能，本次測試主要包括32Hz、16Hz、8Hz三種速率。

使用Wireshark進(jìn)行抓包：當(dāng)PTP message rate為32Hz時（Announce: 2s，Sync: 32Hz，Delay: 32Hz），Master-Slave數(shù)據(jù)傳輸速率（帶寬）為70kbps，Slave-Master數(shù)據(jù)傳輸速率（帶寬）為22kbps，如圖5所示。

當(dāng)PTP message rate為16Hz時，Master-Slave數(shù)據(jù)傳輸速率（帶寬）為34kbps，Slave-Master數(shù)據(jù)傳輸速率（帶寬）為11kbps；當(dāng)PTP message rate為8Hz時，Master-Slave數(shù)據(jù)傳輸速率（帶寬）為17kbps，Slave-Master數(shù)據(jù)傳輸速率（帶寬）為5kbps?？梢奝TP同步所占用的網(wǎng)絡(luò)帶寬并不大，現(xiàn)在的傳輸網(wǎng)基本都可以滿足。

（2）網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)測試

ITU-T G.826x及G.827x相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對PTP的部署做了一些規(guī)范和建議，理想的情況是網(wǎng)絡(luò)中的每一級節(jié)點(diǎn)都支持IEEE 1588協(xié)議，即網(wǎng)絡(luò)中的傳輸設(shè)備都支持IEEE 1588，在這種情況下，可以保證基站獲取到精確的PTP 同步。對于網(wǎng)絡(luò)中的傳輸設(shè)備不支持PTP的透傳方式，標(biāo)準(zhǔn)中定義了PTP必須具備PDV（Packet Delay Variation，分組時延變化）的過濾算法來減少PDV的影響，為確保在整個網(wǎng)絡(luò)中保持PTP的精確性和穩(wěn)定性，要求傳輸網(wǎng)絡(luò)必須為對稱性（Symmetry），網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的PDV必須限制在一定的范圍內(nèi)。

以下測試主要關(guān)注網(wǎng)絡(luò)的Delay（時延）和PDV（時延變化），通過增加網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)來改變網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)。通過PTP監(jiān)控軟件進(jìn)行監(jiān)控，觀察時間為16小時，以1個交換機(jī)、10個交換機(jī)時、13個交換機(jī)時的網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)和PTP同步情況為例，如表3和圖6所示，可以看到，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中接入13個交換機(jī)，且PTP message rate為8Hz時，M-S delay/S-M delay達(dá)到了160μs，M-S Filtered PDV/S-M Filtered PDV達(dá)到了400ns（過濾之后的PDV），PTP同步的Phase Error出現(xiàn)了一次超過-1000ns的情況，導(dǎo)致PTP失鎖，因此，可以認(rèn)為此時的網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)為PTP可以容忍的指標(biāo)。由于鏈路非對稱性可控，而PDV具有隨機(jī)性，因此對PTP同步影響最大的因素應(yīng)該是PDV，在部署中必須控制好網(wǎng)絡(luò)的PDV。

本次測試驗(yàn)證了PTP 部署于IP 傳輸網(wǎng)中的可行性，并且研究了網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)對PTP同步性能的影響，為PTP的部署提供了理論支撐和方法指導(dǎo)。

圖 5 PTP（32Hz）數(shù)據(jù)傳輸速率

圖6 PTP性能監(jiān)控

表3 網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)測試結(jié)果

綜上所述，海能達(dá)TETRA 2代基站成功實(shí)現(xiàn)了基于PTP同步技術(shù)的同步方案，同步精度達(dá)到亞微秒級，完全能夠滿足TETRA系統(tǒng)的要求，PTP同步方式下的基站工作正常、穩(wěn)定，并且具備大規(guī)模部署的可能性，因此，PTP可以替代GPS作為系統(tǒng)的同步方案。在地鐵行業(yè)中，基站需要部署在地下或者隧道，傳統(tǒng)GPS方案的工程實(shí)施非常困難，而PTP方案的部署則更加靈活，PTP Grandmaster可以部署在TETRA網(wǎng)絡(luò)中合適的地方（如控制中心），而基站可以部署在其他地方，只需保證PTP Grandmaster與基站之間的網(wǎng)絡(luò)通信正常即可。

5 結(jié)束語

TETRA 系統(tǒng)是國際上技術(shù)最成熟、功能最豐富的數(shù)字集群通信技術(shù)體制，廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)，特別在軌道交通行業(yè)中，TETRA系統(tǒng)更是列車指揮調(diào)度和日常行車管理的核心。隨著城市軌道交通建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，軌道交通行業(yè)對TETRA系統(tǒng)的需求也將持續(xù)增長。

PTP 同步技術(shù)使得基站的部署更加靈活，更適合應(yīng)用于軌道交通行業(yè)。海能達(dá)ACCESS NET-TIP 系統(tǒng)是基于全I(xiàn)P 架構(gòu)的TETRA數(shù)字集群通信系統(tǒng)，采用PTP同步方案，具備組網(wǎng)靈活、成本節(jié)省、維護(hù)方便等優(yōu)勢。海能達(dá)將在理解行業(yè)客戶專有性需求的基礎(chǔ)上，持續(xù)創(chuàng)新，為客戶提供滿足行業(yè)應(yīng)用的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品和端到端解決方案，助力軌道交通行業(yè)的發(fā)展建設(shè)。

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