關于鐵路通信同步網發展的探討

陸紅群

關于鐵路通信同步網發展的探討

陸紅群

摘 要：鐵路通信同步網分為時鐘同步網和時間同步網。針對鐵路同步網現狀和存在的網絡結構、覆蓋、設備老化等問題進行分析，提出近期鐵路同步網發展規劃。出于未來通信對同步網的更高要求，從技術更新角度提出對遠期同步網發展的考慮。

關鍵詞：一級基準時鐘;二級時鐘;時間同步節點;分組傳送

鐵路通信同步網分為時鐘同步網和時間同步網。時鐘同步網為傳輸、電話交換、GSM-R、調度等通信設備提供標準的頻率同步信號，是支撐通信網絡運營必不可少的手段;而時間同步網為鐵路網運營和機電設備控制等提供統一的UTC標準時間。隨著計算機信息技術的迅猛發展，鐵路通信同步網是否滿足要求，今后又將如何發展，本文將針對這些問題進行探討。

1 鐵路通信同步網現狀

時鐘同步網和時間同步網都屬于支撐網絡，是同步網的2個子網。時鐘同步網伴隨著鐵路數字通信設備的應用較早產生，歷經了混合建網和獨立建網2個階段。而時間同步網在鐵路通信網中建設較晚，主要是由于近年來對時間精確度要求提高，才出現時間同步網的建設要求。它們在網絡中所起的作用不同，采用的標準不同，設備制式也不完全相同。

1.1 時鐘同步網

在數字通信網中，傳輸和交換的信號是對信息進行編碼后的比特流，且具有特定的比特率，這就需要網內的各種數字通信設備 (或網元)的時鐘具有相同的頻率，以相同的時標來處理比特流。若2個數字交換設備之間的時鐘頻率不一致，或者由于數字比特流在傳輸中受損傷，疊加了相位漂移和抖動，就會在數字交換系統的緩沖存儲器中產生碼元的丟失和重復，導致滑動損傷，影響通信網絡性能。鐵路時鐘同步網建網的主要目的就是為鐵路通信網中的通信設備提供標準的頻率同步信號。

鐵路通信時鐘同步網1999年開始建設，完成了一級基準時鐘 (包括PRC和LPR)在鐵道部、鐵路局、鐵路分局所在地的部署，建設了少量的二級時鐘，利用PDH的2 Mb/s業務通道向網內設備傳送定時信號。

2004年，隨著PDH設備退網和SDH設備對時鐘同步的更高要求，鐵通公司對同步網進行了擴容改造，采用混合同步方式。同步網節點分3級：分別采用一級基準時鐘PRC和LPR(符合G.811)、二級時鐘SSU-T(符合G.812)和三級時鐘SSU-L(符合G.812)。原則上一級時鐘設置在省際與省內傳送網的交匯點、各省一級交換中心;二級時鐘設置在省內傳送網與本地傳送網的交匯點、二級交換中心;三級時鐘設置在本地傳送網節點、匯接局、端局。同步定時鏈路由省際、省內和本地SDH同步網組成，SDH以STM-N線路方式傳送定時，構成了由高等級時鐘向同等級或低等級時鐘穩定傳送信號的定時平臺。

按照具體規劃設計，鐵通同步網按照省、自治區、直轄市劃分為30個同步區，每個同步區設置1～2個一級基準時鐘，PRC或LPR。到目前為止，全網設置鐵道部、沈陽、西安、武漢、廣州5個PRC，配置銫鐘+銣鐘SSU+GPS;調整和設置LPR共幾十套，配置銣鐘SSU+GPS，LPR以衛星定位系統 (GPS)為主用，但必須接受PRC的同步;為傳輸重要交叉節點和重要業務節點共設置二級時鐘一百多套，配置銣鐘/晶體鐘SSU。同時還建設了二級同步網網管系統，利用DCN傳送數據，監控各時鐘節點設備及同步鏈路故障。基本形成了覆蓋全國的、比較完善的時鐘同步網絡，滿足全網對同步時鐘的要求。

2009年鐵通公司劃歸中國移動，根據相關協議，同步網的資產和管理劃轉鐵道部，資源能力雙方共享，要同時為鐵路通信系統和鐵通公網設備提供同步業務?，F有鐵路同步網除了以上鐵通劃轉網絡，還包括大約十幾套近年來隨著鐵路客運專線建設的二級時鐘。

1.2 時間同步網

時間同步原理是按照接收到的時間來調控設備內部的時鐘和時刻，與頻率同步對時鐘調控原理相似，不同的是既調控時鐘的頻率又調控時鐘的相位，同時將時鐘的相位以數值表示，即時間的時刻。

近年來相關部門制定了鐵路時間同步網的技術條件，時間同步網的建設提供統一標準時間信號，保證鐵路各系統運行計時準確，為鐵路工作人員、車站乘客提供統一基準時間信息。鐵路時間同步網由地面時間同步網和移動列車時間同步網組成。其中，地面時間同步網包含3級：一級節點設置在鐵道部調度中心，二級節點設置在鐵路局/客專調度所，三級節點設置在車站、段、所，移動列車節點設置在列車內。一級和二級時間節點通過IRIG-B、NTP、1PPS，或者GPS方式獲得外部時間信息，向下級提供NTP或DCLS時間校準信號，并向各業務系統提供時間源;三級節點向本址客戶端和時間顯示設備提供時間信號。列車時間同步設備相對獨立，通過GPS獲取時間信息并向車內客戶端提供時間信號。

到目前鐵路一級時間節點正在建設，已建成和在建的二級時間節點有北京局、南昌局、上海局等10個鐵路局，三級節點由各業務系統根據需要自行設置，時間同步網初具規模。

1.3 現狀分析

從鐵路時鐘和時間同步網現狀分析，目前網絡基本能夠滿足要求，但是仍有以下一些問題和隱患存在。

鐵通時鐘同步網按省劃分同步區的網絡結構已不適應鐵路通信網絡布局和維護管理體制。隨著鐵路SDH傳送網的規劃改造，原有傳定時SDH系統逐步退網，定時節點和定時鏈路調整勢在必行。一級基準時鐘PRC使用了6年多，大部分LPR也已經使用了10年，均已接近甚至超過了時鐘本身的壽命期，設備老化，故障概率在不斷增大;二級節點時鐘覆蓋不足，有些SDH網元密集地區或者SDH鏈路較長地區會出現同步性能降低。

鐵路時間同步網由于沒有建設一級節點，沒有接入地面自主時鐘源，過度依賴GPS系統維持同步，存在安全隱患;時間同步網絡建設滯后，覆蓋不足，在無覆蓋地區有時間同步需求的各業務系統自建時間網絡，網絡利用率低;由于設備性能和網絡管理差異較大，測量手段有限，時間同步性能參差不齊;不同廠家同步設備的互通性較差，有些同步時鐘甚至不能互聯。

近期要盡快完善現有鐵路同步網，適時調整時鐘同步網布局，更新老舊設備，擴大網絡覆蓋，調整和完善地面同步鏈路，避免不可接受的同步性能，減少潛在的、難于發現的問題，從而降低運行維護成本;時間同步網應盡快完成一、二級時間節點建設和互聯工作，加大網絡覆蓋，統一時間接口標準，使時間同步網充分發揮作用。

中遠期隨著通信技術的發展，3G、WiMax/LTE等無線接入技術，以及未來通信新業務均對通信網時間同步的指標提出了更高要求，同時承載同步信號的網絡也不斷在向分組數據方向演進，新的同步技術已經出現，部分運營商網正在進行運用驗證?？梢灶A見，鐵路同步網必將跟隨技術進步的腳步不斷向前發展。

2 近期發展規劃

鐵路通信網十二五的規劃目標是根據鐵路生產調度指揮和經營管理的需要，整合既有網絡，擴容改造傳送網，完善IP數據網，繼續推進GSM-R網絡建設，實現調度通信、視頻監控、會議電視、固定電話等業務的全路覆蓋。所以，近期內鐵路通信網主要延續采用SDH為主的傳輸技術、IP路由技術、TDM調度通信交換技術和移動GSM技術，這些網絡仍然要求時鐘同步網作為支撐，時間同步依然必不可少。同步網近期適合沿用既有時鐘同步網和時間同步網的技術制式，結合同步網存在的問題，適時進行更新改造。

圖1 分配滑動性能指標的HRX

2.1 時鐘同步網

2.1.1 鐵路同步網主要技術要求

1．滑動指標。ITU-T G.822建議對國際數字連接的受控滑動率指標作出了規定，這個規定考慮到國際數字連接的滑動率指標應滿足在ISDN中一個64 kb/s數字連接上的電話及非電話業務的要求。國際端到端連接的滑動率指標是按照圖1的27500 km長的標準數字假設參考連接 (HRX)規定的，滑動性能要求見表1。

表1 64kb/s國際連接或承載通路的受控滑動性能

國際交換中心之間采用準同步，4條國際鏈路標稱滑動性能是17.5天發生1次滑動?？紤]到鐵路同步網采用多個一級基準時鐘控制的混合同步，所以一級基準時鐘的長期頻率準確度應按照優于±3×10－12來規劃。由傳輸系統產生的滑動是24 h內1次滑動。在一個同步區內，在節點時鐘的理論設計情況下和在規定的正常傳輸特性內，可以認為不出現滑動。分配滑動性能指標的HRX如圖1所示。

2．漂移指標。在SDH環境下，影響性能指標的因素：一級基準源的飄動，SSU時鐘的飄動，同步鏈路中串入其他通信設備的時鐘飄動，傳輸線路隨溫度變化引起的飄動，SDH網元時鐘的飄動噪聲積累。G.823規定了同步鏈路模型符合G.803時，網絡抖動和漂移限值，最重要的是18μs漂移限值。18μs漂移值指標分配如圖2所示。

圖2 18μs漂移值指標分配

圖3 數字同步網的網絡模型圖

數字同步網的網絡模型見圖3。其中鏈路中串接的G.812時鐘的個數K≤7，2個G.812時鐘之間串接的SDH網頁時鐘 (G.813)的個數≤20，全程串接的G.813時鐘總數不大于60個。在數字網的18 μs飄動允許值中，同步鏈路最多允許飄動5 μs。同步鏈路串聯的G.812時鐘主要是SSU時鐘，但SSU分布有限，同步鏈路末端有可能串入1個或多個通信設備時鐘，例如交換機時鐘。這些通信設備時鐘性能不如SSU好，盡管通信設備時鐘在整條同步鏈路中所占的個數不多，但所產生的量不能忽視。為此在考慮以SSU為主的同步網指標時，不能將5 μs全部用完，應留出少量值給同步鏈路末端的通信設備時鐘和作為網絡余量。按照鐵路通信“骨干、匯聚、接入”的三層傳輸模式，極長同步鏈路中串聯的SSU時鐘不多于7個。

則同步鏈路飄動總量為：

其中a～e分別為PRC、7個SSU、4500km光纜、60個SDH網元及SDH保護倒換分別產生的漂移量。計算結果表明，4500 km極長鏈路的總漂移量大約為 3.3 μs，優于 5 μs的限值。

2.1.2 同步方式和等級結構

仍采用混合同步方式，組成由多個基準時鐘控制的分區同步網絡，各基準鐘之間以準同步運行，區內采用等級主從同步方式。同步網節點分3級不變：一級基準時鐘PRC和LPR(符合G.811)，二級時鐘 SSU-T(符合 G.812)，三級時鐘 SSU-L(符合G.812)。采用骨干、匯聚和接入SDH構成同步鏈路。

2.1.3 規劃建設方案

考慮極長鏈路飄動計算和主備倒換，以及傳輸設置骨干環網的方案，全國鐵路同步網適合分布5～7個PRC，近期宜在北京、沈陽、武漢、廣州、西安、成都6個節點設置PRC，保證每個骨干環均有主備2個基準時鐘，將來可根據西藏和新疆地區的傳輸業務考慮增加蘭州節點。各路局內應設置1～2套LPR，第一套LPR可以是PRC兼作，設置在路局所在地;第二套LPR一般設置于局內其他重要城市，最好選擇骨干傳輸網開口的地方，并兼顧傳輸網發達，便于向路局內其他同步節點提供定時的地點，全路LPR宜設置40套左右。

考慮路局匯聚層傳輸系統網絡設計，選擇每個路局的重要城市和通信樞紐節點根據需要設置二級時鐘;同時根據極長定時鏈路計算，網元數超過60個的需要設置二級時鐘。通過測算全網大約需設置260個左右二級時鐘。

根據時鐘同步網規劃，近期內要對到壽命期的PRC和部分LPR及二級時鐘進行調整改造，并隨傳輸工程進行同步鏈路調整和網管整合。

2.2 時間同步網

2.2.1 等級結構

鐵路時間同步網由地面時間同步網和移動列車內時間同步網2部分組成。其中，地面時間同步網按3級結構設計：一級時間同步節點，絕對時間跟蹤準確度優于1 s，1天之內的相對守時精度優于5 s，設置在鐵道部;二級時間同步節點設置在各鐵路局，絕對時間跟蹤準確度優于500 s，1天之內的相對守時精度優于1 ms;三級時間同步節點，絕對時間跟蹤準確度優于1 ms，1天之內的相對守時精度優于10 ms，設置在車站、段、所。移動列車時間同步節點設置在列車內。鐵路時間同步網主要由衛星接收設備、母鐘設備、時間顯示設備、設備網管和傳輸通道組成。

2.2.2 同步方式

鐵路時間同步網各級之間的時間同步信號傳送方式采用主從樹狀結構，時間基準信號從一級時間同步設備傳送到二級時間同步設備，再傳送到三級時間同步設備;時間同步設備只允許從較高等級的節點接受時間同步，不允許同級時間同步設備之間進行串接或者多級時間分配單元級連。鐵路時間同步網各級之間傳送時間信號，采用DCLS時，傳輸手段為64 kb/s或E1專線;采用NTP協議時，傳輸手段為點對點專線 (FE接口)方式傳送。

2.2.3 各業務系統及時間顯示設備信號接引

鐵路運輸各業務系統時間源的接引可采用集中和分散接引方式：集中方式即時間同步網為運輸各業務系統中心時間服務器提供時間同步信號接引;若業務系統通過集中接引方式不能達到各業務網元設備的時間同步準確度要求，則采用分散接引方式，各業務系統設備可分別就近從時間同步節點接引時間信號。時間顯示設備的時間信號接引采用就近接引的原則，即時間顯示設備就近接入各級時間同步設備。

2.2.4 規劃建設方案

近期內要完成其余8個路局二級節點和鐵道部一級節點的建設，隨工程建設部署相應的三級時間節點時鐘。

3 遠期發展考慮

從遠期通信發展角度，隨著通信技術的不斷發展，鐵路通信網絡正在不斷融合語音、數據和視頻業務應用，向構筑有線無線一體化、寬帶、安全的基礎網方向發展。鐵路正在牽頭國家LTE移動通信在高速鐵路運用的技術研究項目，分組交換和傳送技術由于高效的優勢越來越多地應用到鐵路通信網絡中。作為通信支撐網的同步網面臨新的問題：LTE需要保證在基站空口之間維持嚴格的時間同步關系，電力系統在運行和維護上需要更精準的時間同步，這些應用往往要求時間誤差不超過幾微秒，目前時間同步網靠NTP方式只能達到毫秒級時間偏差，不能滿足要求。只有在基站、電力電牽控制站等處通過安裝GPS和北斗衛星接收機獲取世界協調時間 (UTC)來進行同步，但衛星天線的安裝環境和維護成本要求較高，安全性受限，不是理想的解決方法。另外，將來網絡大量使用分組傳送，而傳統時鐘 (頻率)同步體系中的標準僅適用電路交換技術的網絡，分組網中傳定時也是需要解決的問題。這些問題近期內不是十分突出，但是遠期鐵路大規模部署LTE網絡、高精度時間要求的應用不斷增加時，同步網必須要有解決方案。所以鐵路通信同步網的規劃建設應立足當前考慮長遠，持續跟蹤業界最新技術標準，關注國內外電信運營商和企業網建網經驗，根據需要適時對鐵路同步網進行必要的技術改造。

3.1 同步技術標準發展

3.1.1 IEEE同步技術標準

IEEE制定了局域網同步協議標準——精確時間同步協議 (PTP)，即1588協議，2008年發布了1588v2版本標準。

IEEE l588v2是基于數據包傳送的同步技術標準，基本原理是采用主從時鐘同步方式，對主時鐘和從時鐘發出和接收時間信息進行記錄，并“加蓋”時間戳。利用網絡的對稱性，根據時間戳，計算得到主從時鐘間的時間偏差Offset和時延Delay，再應用PTP軟件就能實現從時鐘與主時鐘的頻率和時間同步。應用1588協議時，時間同步的精度能達到納秒級。

3.1.2 ITU-T同步技術規范

ITU-T原有同步網規范主要是針對電信應用的頻率同步規范，包括G.810/G.811/G.812/G.813等。目前正在制定適用于分組網絡同步的相關標準規范，總體標準框架已包括頻率同步系列和時間同步系列。已經基本成熟的規范主要針對頻率同步應用，包括G.826x的同步以太網系列規范、基于分組的頻率同步網絡及1588v2頻率同步電信應用系列規范。而包括1588v2時間同步電信應用在內的、G.827x時間同步系列規范仍在初步制定階段。

3.2 國內其他同步網發展

從國際標準制定方面可以看到，面向未來的同步網技術已經發生了很大變化。

中國移動、中國電信由于 TD-SCDMA、CDMA2000基站間時間誤差要求小于幾微秒，在1588協議出現之前是采用GPS方式解決，限于GPS的安全性和安裝環境復雜性，已考慮使用1588通過城域網PTN實現時間同步信號的地面傳送，并與各廠家聯合對1588v2在3G回傳網絡的時間同步方面做了大量驗證測試、試驗網部署。現階段中國移動已經形成了“TD無線系統高精度時間同步技術規范”的企業標準，包括總體要求和1588v2協議規范、TOD規范。

3.3 鐵路同步網技術選擇

IEEE 1588v2作為一種有效的實現頻率和時間傳送的技術，使時鐘 (頻率)同步網和時間同步網逐步融合成為可能，受到了廣泛的關注。鐵路通信同步網和國內其他同步網的應用和規模相近，遠期規劃可以考慮參照運營商建網經驗。先期可以局部采用1588用于實現高精度的時間同步，頻率同步主要采用既有方式，將來逐漸向融合的標準方向發展。

伴隨著技術發展，未來鐵路通信網應用新技術提升網絡能力是可以預見的，那么作為支撐網的同步網也應順應新技術發展趨勢，不斷跟蹤行業最新進展，根據需要進行試點，并制定相應的技術體制，采用成熟、先進的技術和安全可靠的產品，適時進行同步網絡的更新改造。

［1］YDN_117－1999.數字同步網的規劃方法與組織原則［S］.北京：人民郵電出版社，1999.

［2］YDN_123－1999.SDH網傳送同步網定時的方法［S］.北京：人民郵電出版社，1999.

［3］運基通信［2008］559號，鐵路時間同步網技術條件(V1.0)［S］. 北京：中國鐵道出版社，2008.

［4］鄭滟雷，張林，張賀.分組網絡中同步標準的進展及分析［J］.中興通訊技術，2011(6).

Abstract:Railway communication synchronization network can be divided into network frequency synchronization network and temporal synchronization network．Based on the present situation of synchronization networks and problem analysis of existing network structure，equipment ageing，and coverage，put forward development planning of synchronization network in the near future．Due to higher requirements of synchronization network in future communication，the development of synchronization network in the far future is taken into consideration in the viewpoint of technology updating．

Key words:Primary reference clock;Secondary clock;Time synchronization node;Packet transmission

陸紅群：北京全路通信信號研究設計院有限公司 高級工程師100073 北京

2012-05-15

(責任編輯：諸 紅)