尹遠陽，楊廣銘，孫嘉琪/Yin Yuanyang，Yang Guangming，Sun Jiaqi

（中國電信股份有限公司廣州研究院 廣州510630）

1 引言

隨著移動承載網(wǎng)絡IP化發(fā)展和4G 無線通信的商用，各大運營商都在打造屬于自己的IP 承載網(wǎng)絡。4G 頻段的使用，意味著需要更多的基站來完成移動業(yè)務的開放，而無線通信業(yè)務對時間的精準同步要求較高，因此，各大運營商針對業(yè)務需求，明確提出要解決全網(wǎng)時鐘同步的問題。在無線IP 承載網(wǎng)絡中，為保證通信系統(tǒng)的質(zhì)量，必須達到精確的網(wǎng)絡時鐘同步[1]。

LTE-TDD 系統(tǒng)是全網(wǎng)同步系統(tǒng)，要求各基站節(jié)點嚴格保持無線接口同步精度為±3 μs；在以共同參考源為基準的前提下，要求時鐘同步精度小于±1.5 μs，頻率同步精度偏差小于0.05 ppm。LTE中以共同參考源為基準的eMBMS 要求同步精度小于等于±1 μs，這就要求各基站節(jié)點從精準時鐘源提取時鐘信號來保證無線接口的時鐘同步[2,3]。在現(xiàn)有的網(wǎng)絡建設中，復雜環(huán)境在不增加建設成本的情況下如何實現(xiàn)時鐘精準同步，確保網(wǎng)絡運營維護簡單化，對保證移動通信業(yè)務的可靠性顯得尤為重要。本文針對地鐵、復雜樓宇等不能通過GPS 獲取時鐘的場景，在IP RAN（Radio Access Network，無線接入網(wǎng)絡）中研究和探討采用IEEE 1588v2 來實現(xiàn)基站時鐘同步。

2 IP RAN的架構(gòu)現(xiàn)狀及IEEE 1588時鐘協(xié)議原理

2.1 IP RAN的架構(gòu)及GPS時鐘問題

IP RAN 基于靈活的IP 通信設計理念，主要運用IP/MPLS 協(xié)議完成業(yè)務承載，用于滿足當前2G/3G/4G 基站業(yè)務及政企大客戶等綜合承載需求，實現(xiàn)無線回傳網(wǎng)絡IP化、高速化、多點化。IP RAN 物理組網(wǎng)主要分為接入層、匯聚層、核心層及業(yè)務層，IP RAN網(wǎng)絡架構(gòu)如圖1所示。

目前，各運營商所建的IP RAN 承載網(wǎng)絡中，大多是通過在基站附近專門建立一套GPS 設備直接獲取GPS時鐘來滿足網(wǎng)絡同步要求。但是隨著4G 海量基站的建設，在特定場景下（如地下商場、地鐵站、高樓大廈等），采用GPS時鐘同步方案存在以下問題。

圖1 IP RAN 架構(gòu)

①GPS 要求天線有良好的對空視界，保證接收機能收到有效的信號，這樣增加了GPS 選址的難度；天線和基站之間需要架設饋線，對于復雜的樓宇、地鐵站和場館的架設，施工難度比較大，同時也增加了架設成本[4]。

②基站失步會干擾整個網(wǎng)絡的正常運營，并且基站分布范圍比較廣，因此給網(wǎng)絡運營與維護帶來了很多問題。

③由于基站沒有其他備份的時鐘，系統(tǒng)可靠性降低，如防空等軍事區(qū)域要求實施GPS 干擾，將導致該區(qū)域內(nèi)站點失步，業(yè)務無法正常使用[5]。另外，GPS 系統(tǒng)受其他國家限制，一旦發(fā)生特殊情況將GPS 關(guān)閉，就會造成整個網(wǎng)絡癱瘓，導致很大的戰(zhàn)略隱患。

研究發(fā)現(xiàn)，IEEE 1588v2時鐘協(xié)議能很好地解決上述各種問題。

2.2 IEEE 1588 標準時鐘同步協(xié)議原理

2002年，網(wǎng)絡精密時鐘同步委員會在IEEE 儀器和測量委員會美國標準技術(shù)研究所以及IEEE 標準委員會的支持下，起草并通過了IEEE 1588v2時鐘同步標準協(xié)議，它的主要工作原理是通過一個同步信號周期性地對網(wǎng)絡中所有節(jié)點的時鐘進行校正同步，進而使基于以太網(wǎng)的分布式系統(tǒng)達到精確同步[5]。

2.2.1 時鐘分類

IEEE 1588v2 將整個網(wǎng)絡內(nèi)的時鐘分為普通時鐘（Ordinary Clock，OC）和邊界時鐘（Boundary Clock，BC），普通時鐘只有一個PTP 通信端口，邊界時鐘則有一個以上PTP 通信端口，每個PTP 端口提供獨立的PTP 通信。其中，邊界時鐘通常用在確定性較差的網(wǎng)絡設備（如交換機和路由器）上。

此外，從通信關(guān)系上又可把時鐘分為主時鐘和從時鐘，理論上任何時鐘都能實現(xiàn)主時鐘和從時鐘的功能，但一個PTP 通信子網(wǎng)內(nèi)只能有一個主時鐘。整個區(qū)域系統(tǒng)中的最優(yōu)時鐘為最高級時鐘（Grandmaster Clock，GMC），具有最好的穩(wěn)定性、精確性、確定性等。根據(jù)各節(jié)點上時鐘的精度和級別以及UTC（通用協(xié)調(diào)時間）的可追溯性等特性，由最佳主時鐘（Best Master Clock）算法來自動選擇各子網(wǎng)內(nèi)的主時鐘；在只有一個子網(wǎng)的系統(tǒng)中，主時鐘就是GMC。每個系統(tǒng)只有一個GMC 主時鐘，從時鐘與主時鐘保持同步。

典型的主時鐘、從時鐘關(guān)系如圖2所示，高級時鐘是一個通過GPS 天線獲取與GPS 同步的時鐘，它是子域的時鐘源，通過主從時鐘接口構(gòu)成時鐘傳遞系統(tǒng)。在時鐘傳遞系統(tǒng)中，可以通過本地時鐘震蕩器的機械因素及相關(guān)原理來校正時鐘頻率，降低漂移，保證整個子域的網(wǎng)絡時鐘同步。

圖2 主時鐘、從時鐘關(guān)系示意

2.2.2 時鐘同步協(xié)議原理

在主從時鐘同步協(xié)議中，主從設備間通過收發(fā)PTP 報文實現(xiàn)鏈路時間的記錄和分析，從而計算出鏈路傳輸時延，再根據(jù)計算出的時間差和鏈路時延補償方式調(diào)整從設備的時鐘時間，最終使從時鐘能夠?qū)崿F(xiàn)時鐘同步。主從時鐘同步協(xié)議原理如圖3所示。

圖3 時鐘同步協(xié)議原理

從圖3的同步原理可知，時鐘同步主要分為以下4 步。

①主時鐘間隔一定時間向從時鐘發(fā)送Sync 同步報文，在報文發(fā)出的同時記錄發(fā)出的時間t1；當從時鐘收到Sync 同步報文時，記錄收到報文的時間t2，此時，從時鐘知道t2的時間值。

②主時鐘發(fā)送完Sync 同步報文后，在Follow_Up 報文中會攜帶發(fā)送時間t1的值發(fā)往從時鐘，于是從時鐘可以得到t1和t2的時間值。

③從時鐘收到Sync 報文后，向主時鐘發(fā)送Delay_Req 請求報文，并記錄發(fā)出報文的時間戳t3，用于計算主從時鐘的鏈路時延。

④主時鐘收到Delay_Req 時延請求報文后，將收到報文的時間t4封裝到Delay_Resp 報文中轉(zhuǎn)發(fā)給從時鐘，于是從時鐘取出時間t4的值，最終可以知道一個完整交付過程的時間關(guān)系。

假設系統(tǒng)的時間鏈路傳輸時延為Delay，主從時鐘偏差為Offset，則可得

通過式（1）、式（2）可以得到鏈路傳輸時延和時鐘偏差為

IEEE 1588v2 與GPS、NTP 等其他時鐘同步方案對比見表1。

通過方案對比可知，IEEE 1588v2 無論是在鎖定時間、綜合成本、安全性，還是在可靠性方面都有明顯優(yōu)勢，精度更是達到了100 ns，這是其他實現(xiàn)方案無法替代的。IEEE 1588v2 協(xié)議是主從時鐘通過收發(fā)PTP 報文來實現(xiàn)時鐘同步的，不僅可以實現(xiàn)亞微秒級的精度，還能把測量與控制系統(tǒng)中獨立和分散運行的時鐘同步起來，其精度和GPS實現(xiàn)方案類似。由于IEEE 1588v2 具有低成本、易維護、高安全等優(yōu)勢，同時還提供一套精確的時鐘頻率和絕對時間的同步機制，能很好地替代高成本的GPS 時間同步機制。因此，IEEE 1588v2時鐘同步機制在IPRAN中的應用研究，滿足全網(wǎng)時鐘同步要求，具有重要的現(xiàn)實意義。

表1 IEEE 1588v2 與其他時鐘同步方案對比

3 IP RAN 測試中IEEE 1588v2時鐘的部署實現(xiàn)

目前，隨著IP RAN 技術(shù)的成熟和商用，各大運營商都在新建屬于自己的IP RAN。在IP RAN中部署IEEE 1588v2時鐘的方案能有效解決現(xiàn)網(wǎng)中無GPS 覆蓋區(qū)域的時鐘同步問題，并且不需要通過新建GPS 站址來滿足網(wǎng)絡時鐘同步。

在IP RAN時鐘同步測試部署方案中，主要考慮了主備兩臺BITS（通信樓綜合定時供給系統(tǒng)）設備分別掛在兩臺城域網(wǎng)CE（業(yè)務路由器）設備上，CE 設備同步于BITS 設備，然后通過逐跳的方式，將同步時間和時鐘信息傳遞給基站。IEEE 1588v2時鐘同步測試總體方案部署如圖4所示。

在圖4所示的IP RAN時鐘系統(tǒng)測試部署中，參考點為CE、匯聚B（即RAN ER 設備）、B 設備和A 設備4 處，分別在此4 處進行時鐘信號精度測試，A 設備為末端接入環(huán)，下掛基站設備。

4 IP RAN中IEEE 1588v2時鐘同步問題及測試結(jié)果

4.1 故障點及保護方案

在系統(tǒng)時鐘同步測試時會遇到可能存在的各種問題，因此對網(wǎng)絡及設備故障問題進行了方案保護措施研究，在部署的網(wǎng)絡中主要考慮以下幾種故障點情況。

圖4 IP RAN 系統(tǒng)測試IEEE 1588v2時鐘部署方案

（1）故障點1：主用BITS 故障

當主用BITS 設備出現(xiàn)故障時，主用CE 上的BITS 優(yōu)先級為0的外部時間源失效，觸發(fā)BMC（最佳主時鐘）算法，此時全網(wǎng)的Grandmaster（系統(tǒng)最終的時間源）變?yōu)閭溆肅E 上BITS的外部時間源，全網(wǎng)均跟蹤此外部BITS 源。

（2）故障點2：主用CE 設備故障

當主用CE 故障時，系統(tǒng)會觸發(fā)BMC算法，全網(wǎng)Grandmaster 就會選擇優(yōu)先級次高的備用CE 上的外部時間源，網(wǎng)絡時間均跟蹤此外部BITS 源。

（3）故障點3：備用CE 設備故障

當備用SR 出現(xiàn)故障時，此時全網(wǎng)優(yōu)先級最高的主用CE 上的外部時間源對整個系統(tǒng)的時鐘沒有影響，因此不會觸發(fā)Grandmaster 變化。

（4）故障點4：中間節(jié)點故障

當中間節(jié)點B、A 設備出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會自動觸發(fā)BMC算法，但由于Grandmaster 節(jié)點未出現(xiàn)故障，所以全網(wǎng)的時鐘仍同步于原主用CE 外部時鐘源。

4.2 測試結(jié)果

（1）相位、頻率及時鐘鎖定狀態(tài)測試

通過圖4所示的組網(wǎng)圖連接設備，由參考點BITS 設備輸出時鐘測試信號給基站，同時在該點由BITS 設備輸入頻率故障信號進入網(wǎng)絡，通過測試儀表跟蹤獲取測試信號。從測試儀表的接收信號可追蹤基站的相位、頻率，時鐘同步狀態(tài)鎖定，能滿足網(wǎng)絡精準時鐘同步要求。測試過程中鏈路分組丟失率為0，能滿足基站業(yè)務承載性能指標。

（2）時鐘保護測試

基于4.1 節(jié)中可能出現(xiàn)的故障問題，對IEEE 1588v2 時間保護功能進行了相應測試。在測試過程中，當主用時鐘異常后，主時鐘可以被從時鐘端口正常鎖定；當主用時鐘頻率恢復后，頻率可以正常切換，主時鐘完成鎖定。

（3）測試IPRAN 設備通過IEEE 1588v2 傳遞GPS時間

該項測試主要驗證IP RAN 設備通過IEEE 1588v2 傳遞GPS 時間后，查看時間是否與基站時間同步，確保通信業(yè)務的正常使用。在業(yè)務規(guī)定范圍內(nèi)，要求傳遞時鐘與基站GPS時鐘應小于1 500 ns。

根據(jù)測試結(jié)果可知，時鐘源等各項狀態(tài)都正常，各基站間時鐘精準同步正常，所測的IEEE 1588v2時鐘與GPS時鐘的相位偏差僅為15 ns，符合業(yè)務時鐘同步要求。

5 結(jié)束語

綜上所述并結(jié)合網(wǎng)絡試點測試，IEEE 1588v2的應用可以滿足IP RAN 系統(tǒng)時間同步的需求，減少GPS 天線安裝和維護的成本，增強通信系統(tǒng)的可靠性及安全性。在IP RAN中部署IEEE 1588v2時鐘還能有效地解決移動回傳網(wǎng)絡時間同步問題和LTE 基站天線建設時GPS的選擇難題，降低移動網(wǎng)絡建設成本，并減少網(wǎng)絡部署時間，適應LTE 階段移動網(wǎng)絡的高效部署需求。在后續(xù)的研究中，運營商將進一步關(guān)注設備的支持能力和在不對稱傳輸過程中網(wǎng)絡時鐘同步方案的部署模式，以保證網(wǎng)絡的可靠運營和進一步優(yōu)化演進。

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