PTN承載高精度時間同步協議技術研究

隨著移動通信技術的發展，網絡對時間同步的要求越來越高。CDMA2000、時分同步碼分多址(TD-SCDMA)、時分長期演進(TD-LTE)基站都需要高精度的時間同步。TD-SCDMA規定的時間同步指標為±1.5 μs，采用本地時鐘授時或頻率同步網守時等方式均無法滿足要求，而采用每個時分(TD)基站加裝全球定位系統(GPS)的方式則面臨施工難、成本高和不安全等弊端。

利用同步協議通過光纖系統傳輸高精度時間同步信號將是未來的主流技術。

高精度時間同步信號地面傳輸的關鍵技術主要包括2個方面:一方面是高精度時間協議，另一方面是對傳輸中引入的時延和抖動進行補償的技術。基于網絡時間協議(NTP)技術的時間同步網精度在數十毫秒數量級，無法滿足TD要求。IEEE 1588v2協議采用延時-請求響應機制，通過同步消息計算出從時鐘與主時鐘之間的時間偏差，達到時間同步的目的。通過硬件打時間戳和采用邊界時鐘/透明時鐘來補償網絡組件或協議棧引起的時延和抖動，IEEE 1588v2協議能夠達到亞微秒級的同步精度。

IEEE 1588原本是為工控機之間的同步需求而設計的高精度時間同步協議(PTP)。當應用于大規模的電信網時，其精度、不同模式、維護管理和高精度時間同步協議(BMCA)等還需要進一步研究。

本文對采用分組傳送網(PTN)承載IEEE 1588v2提供時間同步的精度影響因素進行了分析，通過實驗和試點測試初步驗證了PTN承載1588v2提供高精度時間同步信號的可行性，并對PTN承載1588v2的不同模式進行了比較[1-5]。

1 影響時間同步精度的關鍵因素

IEEE 1588v2采用主從時鐘方案，周期發布時 鐘。接收方利用網絡鏈路的對稱性進行時鐘偏移測量和延時測量，實現主從時鐘的頻率、相位和絕對時間的同步。在1588v2報文傳送過程中，由于每個傳輸節點要進行時間戳處理，相應會引入時延和抖動，因此傳送網的跳數會影響時間同步信號的精度。在分組傳送網中，由于采用了存儲轉發機制，分組時延差(PDV)對于時間精度可能有很大影響。對于邊界時鐘(BC)和透明時鐘(TC)模式，由于在PTP包頭中引入了修正字段(CF)來記錄和補償節點處理時延，因此可以很大程度降低PDV的影響。對于純透傳模式，業務負載和包長都將影響時間精度。此外網絡保護倒換、信號劣化、溫度變化、頻率同步等各種因素也都可能影響時間同步精度。

1.1 跳數影響

在BC模式下，由于在每個節點終結PTP報文，因此上一級節點的PDV影響不會累積，對時間精度的主要影響是輸出端口的隊列。此外，由于每一級時鐘都需要同步于主時鐘，因此在時鐘恢復過程中會引入漂移，并且這種低頻漂移會累積。

對跳數影響的測試平臺如圖1所示。所有PTN節點配置為BC模式并且通過同步吉比特以太網(GE)接口互聯。DUT1通過1PPS+ToD接口與GPS接收機相連。時間測試儀比較DUTn與GPS的時間誤差。

不同跳數下的時間誤差如圖2所示。在10跳情況下測試了9個小時，時間誤差范圍為-120.3 ns～131.5 ns，峰峰值為252 ns;在20跳情況下測試了9個小時，時間的誤差范圍為-61 ns～192 ns，峰峰值為253 ns;在30跳情況下測試了4個小時，時間誤差范圍為-239.3 ns～26.8 ns，峰峰值為266 ns。可以看出在不同跳數情況下，時間精度差別不大，噪聲模型接近于隨機發布。

1.2 PDV對純透傳模式的影響

將圖1測試平臺的各個PTN節點配置為純透傳模式，分別采取無負載和加載90%的負載。90%的負載時包長分別為64字節、576字節和1 518字節，輸出時間的誤差峰峰值分別為250 ns、450 ns、3 200 ns和10 μs，得到PDV對純透傳模式的影響如圖3所示。可以看出，負載越大、包長越長對時間同步精度影響越大。如果要采用純透傳模式提供高精度時間同步信號，還需要針對PDV進行很多優化。

1.3 網絡倒換的影響

當時間源、鏈路和時鐘板發生倒換時，會引起頻率和相位的跳變，可能會影響到時間精度。經測試，時間源倒換會引入6 ns的時間誤差，光纖線路倒換引入26 ns的時間誤差，時鐘板倒換引入13 ns時間誤差。網絡倒換對時間精度的影響如圖4所示。可以看出，網絡倒換對時間精度影響均在30 ns以內，在指標分配中留有50 ns余量即可。

1.4 信號劣化和溫度變化的影響

當信號發生劣化時，會引起丟包率的提高。當外界溫度發生變化時，可能會影響到時鐘的性能，從而影響時間精度。當插入誤碼為1×10-3時，時間誤差峰峰值仍然在110 ns以內，與無誤碼時性能相同。當PTN節點溫度從-10℃變化到50℃時，時間誤差峰峰值在40 ns以內，且時間變化與溫度變化并不一致。

1.5 頻率同步對時間同步的影響

PTN可以通過同步以太網從物理層獲取時鐘，也可通過1588v2報文恢復時鐘。當PTN通過同步以太網獲取頻率同步，而通過1588v2獲取時間/相位同步時，可以稱之為緊耦合方式;當PTN通過1588v2同時恢復頻率同步和時間/相位同步時，稱之為松耦合方式。

緊耦合和松耦合情況下的時間同步性能如圖5所示。圖5顯示了兩種方式在正常情況下的時間精度。緊耦合情況下時間誤差峰峰值為22 ns，松耦合情況下時間的誤差峰峰值為67 ns，可以看出其性能一致。

緊耦合方式下，頻率同步對時間精度的影響如圖6所示。當頻率處于保持狀態時(頻偏為5×10-9)，輸出的時間誤差峰峰值為100 ns;頻率處于自由振蕩狀態時(頻偏為3.8×10-8)，時間同步信號丟失。

可以看出這兩種方式各有優缺點。當采用緊耦合方式時，頻率同步信號劣化和丟失將影響時間同步信號;當采用松耦合方式時，則各個PTN的本地時鐘跟蹤1588v2時鐘的時間會大大增長。此外，采用松耦合方式，需要提高1588v2報文的頻率，增大了網絡負荷，因此一般采用緊耦合方式。

2 BC模式下時間同步的長期穩定度

為了驗證PTN承載1588v2在大規模網絡情況下的長期穩定度，特在現網進行了試點。試點網絡包含3個核心PTN節點、3個匯聚PTN節點和58個接入PTN節點。每個接入節點均帶一個TD-SCDMA基站。如圖7所示。所有PTN節點均采用BC模式。所有光纖段落都對時延不對稱性進行了補償。頻率同步通過同步以太網獲取，時間接口包括1PPS+ToD接口和快速以太網/千兆比以太網(FE/GE)接口。

當采用FE接口時，72小時的時間誤差峰峰值為65 ns，如圖8所示。其最大時間間隔誤差(MTIE)和時間偏差(TDEV)如圖9所示。可以看出時間輸出非常穩定，噪聲接近于隨機分布，且相對較少。

3 結束語

對于TD-SCDMA和TD-LTE等無線系統，采用GPS提供時間同步面臨施工難、成本高和不安全等弊端。利用同步協議通過光纖系統傳輸高精度時間同步信號將成為主流技術。目前，采用PTN承載1588v2提供高精度時間同步已經初步具備可行性。由于現網中許多光纖段落不對稱，因此應該進行逐段補償。BC和TC模式均可以很好地消除PDV的影響。相對而言BC模式更加簡單。目前，關于時間同步在電信網絡中應用的標準還不成熟，對時間同步的應用經驗也不豐富。相信時間同步會率先在PTN網絡中得到應用，將來光傳送網(OTN)和無源光網絡(PON)承載高精度時間同步也會得到廣泛應用。

4 參考文獻

[1] Report of the Lannion SG15/13 interim meeting[R]. WD03， ITU-T SG15 Q13. 2009.

[2] LI Han， HAN Liuyan. Analysis of time synchronization performance using PTP in hybrid transport network[R]. CMCC， WD64， ITU-T SG15 Q13. 2010.

[3] LI Han， HAN Liuyan. Proposal of accelerating MTIE and TDEV model study for time synchronization[R]. CMCC， WD63， ITU-T SG15 Q13. 2010.

[4] LI Han， WANG Lei. Test and analysis of time synchronization using 1588v2 for transport network[R]. CMCC， C599， ITU-T SG15 Q13. 2009.

[5] LI Han， WANG Lei. Time distribution model using 1588v2 for performance indication[R]. CMCC， C601， ITU-T SG15 Q13. 2009.

收稿日期:2010-03-16

李晗，北京郵電大學博士畢業;中國移動研究院副主任研究員，主要負責傳輸、有線接入和同步技術的研究工作;已在國內外刊物發表論文50余篇，申請專利20多項;已發表ITU文稿50多篇，并擔任ITU-T Editor。