王翔 魏佳鵬

摘要：介紹了IEEE1588v2精確時間同步在LTE-M系統(tǒng)中的發(fā)展情況，分析了LTE-M系統(tǒng)高穩(wěn)定時間同步的應(yīng)用需求及實際工程中需要解決的技術(shù)問題，提出了雙環(huán)網(wǎng)雙源異主主從時間同步的系統(tǒng)總體設(shè)計方案，描述了方案中的關(guān)鍵技術(shù)及具體實現(xiàn)并進行了測試。測試結(jié)果表明，雙環(huán)網(wǎng)雙源異主主從時間同步的方案在穩(wěn)定性、抗擾性及故障恢復(fù)上均表現(xiàn)出較好的性能，驗證了設(shè)計方案的可行性。

關(guān)鍵詞：LTE-M;IEEE1588v2;主備倒換;鏈路倒換

中圖分類號：TN98文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2021）04-59-5

0引言

當前，LTE-M系統(tǒng)發(fā)展迅速，技術(shù)及產(chǎn)業(yè)鏈有了很大的發(fā)展，已經(jīng)形成了規(guī)模產(chǎn)業(yè)，成為地鐵領(lǐng)域車地無線通信系統(tǒng)建設(shè)的首要選擇。而LTE-M系統(tǒng)要可靠運行和提供穩(wěn)定的服務(wù)，首要條件是采用一個高穩(wěn)定高精度的時間同步系統(tǒng)為整個系統(tǒng)提供頻率和相位同步。根據(jù)3GPP標準的規(guī)定，頻率同步精度達到0.05 ppm、相位同步精度達到2.5μs內(nèi)，才能保證系統(tǒng)長久地為用戶提供高效、穩(wěn)定和可靠的服務(wù)。

目前LTE-M系統(tǒng)有2種同步方式可供選擇，一種是使用GPS同步方式;另一種是使用IEEE1588v2精確時間同步方式。IEEE1588v2精確時間同步方式具有成本低廉、架設(shè)簡便等優(yōu)點，并且其同步精度已經(jīng)與GPS同步方式相差無幾[1]。而高穩(wěn)定的IEEE1588v2時間同步方式可以同時滿足LTE-M系統(tǒng)對同步精度和同步可靠性的需求。本文闡述了 IEEE1588v2精確時間同步協(xié)議的基本原理，根據(jù)LTE-M系統(tǒng)對于時間穩(wěn)定性的需求提出了雙環(huán)網(wǎng)雙源異主主從時間同步解決方案。

1 IEEE1588v2及LTE-M穩(wěn)定性

1.1 IEEE1588v2同步原理

IEEE1588v2中存在主時間、從時間以及中間節(jié)點三部分，各部分通過網(wǎng)絡(luò)連接彼此形成一個主從同步系統(tǒng)。主時間將自身的時間轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包時間戳T1的形式發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中。中間節(jié)點識別到時間數(shù)據(jù)包后將其轉(zhuǎn)發(fā)給下一級節(jié)點，直到時間數(shù)據(jù)包被從節(jié)點捕獲。從節(jié)點捕獲到時間數(shù)據(jù)包后通過提取發(fā)送時間戳T1和接收時間戳T2以及測量鏈路時延T3和T4后，通過計算可以得到鏈路延時Delay和時間偏移Offset。從時間根據(jù)Delay和Offset修正本地時間達到與主時間時間同步的目的[2]，同步過程如圖1所示。

1.2穩(wěn)定性影響分析

在使用IEEE1588v2同步方式的LTE-M系統(tǒng)中，時間同步的穩(wěn)定性取決于IEEE1588v2時間同步的穩(wěn)定性。由于IEEE1588v2中所有消息都是通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸，而網(wǎng)絡(luò)傳輸中存在一定的不確定性，可以認為影響LTE-M系統(tǒng)時間穩(wěn)定性的最大因素就是網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

影響網(wǎng)絡(luò)傳輸穩(wěn)定性的因素主要有：網(wǎng)絡(luò)傳輸抖動、網(wǎng)絡(luò)傳輸不對稱和網(wǎng)絡(luò)風暴。由于所有的從時間都同步于主時間源，所以主時間對于LTE-M系統(tǒng)時間同步穩(wěn)定性也起到?jīng)Q定性的作用。

2需解決的問題

針對上述影響分析，為提升LTE-M網(wǎng)絡(luò)時間同步系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需解決如下幾個技術(shù)問題：

①主時間冗余設(shè)計：在單主時間的情況下，由于主時間本身故障或與交換機所接光纖出現(xiàn)故障，可能造成全線基站丟失時間源，出現(xiàn)全線基站無法保持時間同步的問題[3]。

②抗倒換設(shè)計：考慮到主時間源可能發(fā)生故障以及數(shù)據(jù)傳輸路徑改變的可能，當發(fā)生鏈路倒換時，從時間可能會出現(xiàn)較大的時間調(diào)整，從而引起基站時間同步出現(xiàn)短時間的失步狀態(tài)[4]。

③抗抖動及傳輸不對稱設(shè)計：由于網(wǎng)絡(luò)風暴屬于極大的網(wǎng)絡(luò)抖動，同時因為概率較小的網(wǎng)絡(luò)傳輸抖動，以及傳輸光纖長度不對稱和PHY芯片收發(fā)時延不對稱[5-6]等因素，會引起時間同步相位偏差或突變的問題。

3總體設(shè)計

基于上述問題，提出雙環(huán)網(wǎng)雙源異主主從時間同步應(yīng)用設(shè)計方案。該方案采用雙傳輸環(huán)網(wǎng)、雙主時間設(shè)計，除傳輸環(huán)網(wǎng)進行物理隔離雙路配置外，在不同地點分別部署2個獨立的主時間。采用雙傳輸環(huán)網(wǎng)和雙主時間的設(shè)計，解決了單主時間故障引起全線時間同步異常的問題，達到了降低故障范圍的目的。采用基站倒換算法的設(shè)計，解決了主備時間倒換和鏈路倒換引起的時間同步失步的問題，達到了提高時間同步穩(wěn)定性的目的。同時基站平滑算法以及時延補償，解決了時間抖動和傳輸不對稱的問題，達到了提高時間同步抗擾性的目的。

雙環(huán)網(wǎng)可以稱為A/B網(wǎng)，雙主時間可以稱為A/B主時間，方案原理如圖2所示。

A/B主時間各有兩路1588輸出端口，稱為A1，A2，B1，B2，分別接入A/B網(wǎng)中，即A1，B1接入A網(wǎng)中，A2，B2接入B網(wǎng)中。2臺時間服務(wù)器符合了主時間冗余設(shè)計方案。每個環(huán)網(wǎng)中都有主備時間服務(wù)器的時間信息。A傳輸環(huán)網(wǎng)下游基站選擇主架時間服務(wù)器作為主時間，B傳輸環(huán)網(wǎng)下游基站選擇備架時間服務(wù)器作為主時間，這樣在A/B傳輸環(huán)網(wǎng)下的基站就與不同的時間服務(wù)器進行同步，而主備架時間服務(wù)器都與GPS/BD進行同步，所以A/B網(wǎng)的基站時間實際上也是相互同步的。A/B傳輸環(huán)網(wǎng)的意義在于限制故障范圍和操作范圍，如當主架時間服務(wù)器不可用時，只有A網(wǎng)下游基站會進行時間倒切到備架時間服務(wù)器，而B網(wǎng)基站時間同步完全不受影響，從而將故障范圍限制在單獨一個網(wǎng)中。對于網(wǎng)絡(luò)風暴的故障范圍限制也是同樣的道理，因為A網(wǎng)和B網(wǎng)物理隔離，當其中一個傳輸網(wǎng)受網(wǎng)絡(luò)風暴影響不可用時，另一個傳輸網(wǎng)完全不受影響，可以保證LTE-M系統(tǒng)繼續(xù)提供服務(wù)。

基站本身具有對主備時間倒換和鏈路倒換的抗擾功能，符合抗倒換的方案設(shè)計。根據(jù)主備切換算法和時間保持過濾算法，基站可以快速識別主備時間的可用性和鏈路的異常變化，并且采取重置主時間和鏈路時延的方法進行快速恢復(fù)，保證本地時間調(diào)整在允許的范圍內(nèi)。主時間故障并倒切可以在3 s內(nèi)識別并恢復(fù)，鏈路倒換的故障可以在1 s內(nèi)識別并恢復(fù)。

在基站倒切主備時間的過程中，可能出現(xiàn)因主備架時間服務(wù)器相位不一致導致的相位突變。為了防止基站時間出現(xiàn)突變，基站設(shè)計了平滑算法。平滑算法可以保證基站時間每次調(diào)整不大于50 ns，實現(xiàn)本地時間的平滑過渡。平滑過渡的意義在于，無論主備架時間服務(wù)器相差多少相位，基站都可以緩慢調(diào)整到與主時間保持一致，并且在調(diào)整過程中仍然可以保證基站正常工作，減小甚至避免LTE-M系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量受到任何影響。

為了解決基站PHY數(shù)據(jù)傳輸收發(fā)時延不一致引入的同步誤差，通過修改Indelay和Outdelay參數(shù)修正基站從時間的同步相位。平滑算法以及參數(shù)修正符合抗抖動及傳輸不對稱的方案設(shè)計。

4關(guān)鍵技術(shù)

本方案應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)包括：

（1）雙主時間異主設(shè)計

IEEE1588v2可以通過配置優(yōu)先級的方式設(shè)置主時間的優(yōu)先級，使得從時間可以優(yōu)先選擇高優(yōu)先級的主時間[7]，避免2個主時間優(yōu)先級一致引起同步混亂。

配置A1優(yōu)先級為（1，3），A2優(yōu)先級為（1，128），B1優(yōu)先級為（1，128），B2優(yōu)先級為（1，3）。此時在A網(wǎng)中A1的優(yōu)先級高于B1，而A網(wǎng)中下掛的從時間會同時捕獲A1，B1的時間信息。由于A1的優(yōu)先級高于B1，所以A網(wǎng)從時間只會選擇A1同步。同樣B網(wǎng)也是如此。在B網(wǎng)中，B2優(yōu)先級高于A2。B網(wǎng)從時間同時捕獲A2，B2的時間信息，但從時間只選擇B2同步。

當A主時間發(fā)生故障時，A網(wǎng)從時間因丟失A1主時間信息從而倒切到B1，B網(wǎng)從時間此時同步于B2，不會發(fā)生倒切。同理，當B主時間發(fā)生故障時，B網(wǎng)從時間因丟失B2主時間信息從而倒切到A2，A網(wǎng)從時間同步于A1，不會發(fā)生倒切。整網(wǎng)IEEE1588v2配置如表1所示。

（2）從時間抗倒換設(shè)計

倒換包括鏈路倒換和主備倒換，由于A/B主時間分別部署在兩地，在環(huán)網(wǎng)中從時間由跟蹤A主時間倒換到跟蹤B主時間勢必會發(fā)生數(shù)據(jù)鏈路的變化，所以從時間只需進行抗鏈路倒換設(shè)計即可，而主時間的選擇由IEEE1588v2協(xié)議中BMC算法決定。當A網(wǎng)或B網(wǎng)環(huán)路斷開或A/B主時間其中一個發(fā)生故障時，時間信息從主時間到從時間的數(shù)據(jù)傳輸路徑會發(fā)生變化。在從時間側(cè)會發(fā)現(xiàn)鏈路時延發(fā)生改變，此時從時間會中斷時間同步流程，更新數(shù)據(jù)平滑算法，之后重新發(fā)起時延測量流程。在重新完成時間同步流程之前，從時間以保持方式繼續(xù)運行;只需2 s從時間就可以重新完成時間同步過程。經(jīng)過從時間抗倒換設(shè)計后可以將主備倒換或鏈路倒換引起的時間抖動限制在150 ns以內(nèi)?？沟箵Q設(shè)計原理如圖3所示。

（3）抖動保護與時延不對稱補償

當從時間已經(jīng)鎖定主時間后，從時間與主時間的時間偏移offset會穩(wěn)定保持在某一范圍內(nèi)，一般在正負50 ns以內(nèi)。當從時間解析到與主時間的時間偏移offset突變時，從時間將拋棄本次同步，直到時間偏移offset恢復(fù)。從時間PHY芯片收發(fā)具有不同的收發(fā)時延，這部分會加大鏈路時延測量的誤差。將PHY芯片的收發(fā)時延補償?shù)酵搅鞒讨?，這樣就可以降低鏈路時延測量的誤差，減少相位誤差。SGMII模式下PHY芯片收發(fā)時延如表2所示。

5實驗結(jié)果

5.1測試內(nèi)容

為了驗證本方案是否實現(xiàn)既定設(shè)計要求，模擬某城市軌道交通項目實際應(yīng)用場景，使用相同的設(shè)備搭建LTE-M系統(tǒng)。通過模擬現(xiàn)場可能出現(xiàn)的情況驗證雙環(huán)網(wǎng)雙源異主時間同步設(shè)計的穩(wěn)定性。測試設(shè)備如表3所示，主要包含一套LTE-M系統(tǒng)設(shè)備，其中有2臺核心網(wǎng)、2臺核心交換機、6個基站、傳輸交換機10臺、時間服務(wù)器主鐘2臺、6臺LTE終端以及3 km長光纖10根。

測試拓撲如圖4所示。

整套測試環(huán)境業(yè)務(wù)模擬與軌道交通現(xiàn)場保持一致，8臺傳輸交換機組成A/B雙環(huán)網(wǎng)，2臺傳輸交換機分別與環(huán)網(wǎng)相連共同組成LTE-M系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，交換機之間使用3 km長光纖相連，主時間A/B分別接入環(huán)網(wǎng)中為網(wǎng)絡(luò)提供時間同步?；咀鳛閺臅r間下掛在傳輸交換機中，此時A網(wǎng)下掛從時間與主時間A1同步，主時間B1作為備用鐘。B網(wǎng)下掛從時間與主時間B2同步，主時間A2作為備用鐘。

時間穩(wěn)定性測試主要包括時間同步精度測試、時間同步抗擾性測試以及長期同步穩(wěn)定性測試三部分。時間精度測試主要是在不補償鏈路不對稱的前提下測量從時間與主時間的相位差，然后在補償鏈路不對稱后再一次測量從時間與主時間的相位差。

二者進行比較，時間同步抗擾性測試主要是在某一主時間斷電或GPS斷開、環(huán)網(wǎng)斷環(huán)、網(wǎng)絡(luò)風暴和時間抖動情況下，測量從時間與主時間的時間差，驗證在異常的情況下LTE-M系統(tǒng)時間同步抗擾性能。長期同步穩(wěn)定性測試主要是測量LTE-M系統(tǒng)時間同步在24，72，168 h內(nèi)的時間抖動情況，驗證時間在無異常時的自身穩(wěn)定性情況。在3個測試進行的同時，整個LTE-M系統(tǒng)業(yè)務(wù)也會同時進行測量，主要有UE站間切換性能以及傳輸時延性能等。測試用例如表4所示。

5.2測試結(jié)果

第一部分測試內(nèi)容經(jīng)過多次測試，整理結(jié)果記錄如表5所示。

測試結(jié)果表明，補償鏈路不對稱后，從時間與主時間的相位差可以大幅度縮小，提高了同步精度，滿足了LTE-M系統(tǒng)時間同步精度的要求。

第二部分測試內(nèi)容經(jīng)過多次測試，整理結(jié)果記錄如表6和表7所示。

上述異常測試用例是通過收集實際應(yīng)用現(xiàn)場信息以及分析系統(tǒng)特性得出的最容易出現(xiàn)的異常情況。測試結(jié)果表明，當出現(xiàn)上述異常時，LTE-M系統(tǒng)時間同步仍然能保持相當優(yōu)良的性能，可以保證LTE-M系統(tǒng)繼續(xù)提供穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

第三部分測試內(nèi)容為長期同步穩(wěn)定性測試，經(jīng)過多次測試，整理收集測試結(jié)果如表8所示。

長期同步穩(wěn)定性測試可以看到，在長達168 h的同步時間中，LTE-M系統(tǒng)時間抖動幅度為-100～100 ns，完全滿足LTE-M系統(tǒng)對于時間同步性能上頻率精度0.05 ppm和時間精度2.5μs的需求。

綜上所述，在實際測試結(jié)果中可以看出，采用雙環(huán)網(wǎng)雙源異主主從同步設(shè)計方案的LTE-M系統(tǒng)時間同步具有高穩(wěn)定的優(yōu)異性能，證實了設(shè)計方案的實用性。

6結(jié)束語

IEEE1588v2技術(shù)最大的瓶頸是由于網(wǎng)絡(luò)傳輸導致時間服務(wù)的穩(wěn)定性降低問題，而LTE-M系統(tǒng)對于時間同步信號的穩(wěn)定性又有極高的要求。本文結(jié)合IEEE1588v2和LTE-M系統(tǒng)的特性綜合考慮后提出雙環(huán)網(wǎng)雙源異主主從時間同步設(shè)計方案，對方案的關(guān)鍵技術(shù)進行了闡述，通過詳細的測試驗證了設(shè)計方案的可用性，為LTE-M系統(tǒng)時間同步的工程實現(xiàn)提供了依據(jù)。

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