PTP精準時間同步技術及應用前景的探討

鄧燁飛（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

1 概述

時間同步網是鐵路通信支撐網絡的重要組成部分，是確保網絡定時性能質量的關鍵。選擇先進適用的時間同步技術，使得時間同步網更好的為鐵路各業務系統提供統一標準的時間同步信號源，具有重要意義。

時間同步技術在不斷地推陳出新。早期的時間同步技術需要組建專用網絡為各系統提供服務，成本較高。為了能夠在應用網絡中實現時間同步，NTP （Netw ork Time Protoco1）在1988年提出v1版本，至今發展近20年，2001年提出的NTPv4可以達到200 ms。

為了滿足日益增長的高精度時間同步需求，2002年由安捷倫實驗室的成員開發形成IEEE 1588 v1版本。IEEE 1588標準的全稱為網絡測量和控制系統精確時鐘同步協議，其中定義了精準時間同步協議（PTP）。隨著高精度時間同步的廣泛應用，IEEE 1588在2008年推出了v2版本，增加了PTP在通信、計算機網絡以及電力系統中的應用。PTP的出現解決了對高等級時間精度的要求，可以利用以太網絡實現傳輸，具有高精度、高效率、低成本的特點。

鄧燁飛，女，碩士畢業于北京交通大學，高級工程師。主要研究方向包括鐵路時間同步系統、鐵路通信電源系統，曾參與京滬高速鐵路工程設計項目、鐵路時間同步網技術條件的編制等。

2 PTP精確時鐘同步協議

PTP（Precision Time Protocol），是一種基于數據包傳送的精確同步技術標準，PTP主要采用分層的主從時鐘模式以及時間戳機制，對時間進行編碼傳送。時間同步精度可以達到亞μs級。

PTP同步的基本原理如下：主時鐘（M aster clock）與從時鐘（Slave clock）之間交互同步報文并記錄報文的收發時間，從而得到報文往返的時間差來計算主、從時鐘之間的往返總延時。如果網絡對稱，即兩個方向的傳輸延時相同。主、從時鐘之間的時鐘偏差便是單向延時（往返總延時的一半）。從時鐘按照該偏差來調整本地時間，就可以實現其與主時鐘的同步。其同步過程如圖1所示。

1）主時鐘在t1時刻向從時鐘發送Sy n c報文，從時鐘在t2時刻收到該報文。

2）主時鐘發送Sy n c報文之后，再發送一個攜帶有t1的跟隨信息Follow_Up報文。

3）從時鐘在t3時刻向主時鐘發送Delay_Req報文，用于發起反向傳輸延時的計算，主時鐘在t4時刻收到該報文。

4）主時鐘收到Delay_Req報文之后，回復一個Delay_Resp時延相應報文，打上時間戳t4傳給從時鐘。

從時鐘擁有了t1～t4四個時間戳，由此可計算主、從時鐘間的往返總延時：（t2-t1）+（t4-t3）。當網絡對稱，主、從時鐘間的單向延時為：

3 鐵路時間同步網

1）鐵路時間同步網現狀

既有鐵路通信時間同步網由客運專線工程建設的二級時間節點組成，二級時間節點包括“GPS +高晶體鐘+時間分配單元”。已建成和在建的二級時間節點有北京局、南昌局、上海局、廣鐵集團等鐵路局，可為鐵路業務系統及車站三級時間節點設備提供時間同步源。時間同步網鐵道部一級時間節點尚未建設。除通信業務系統以外，其他業務系統尚未接引路局的二級時間節點同步源。

鐵路已規劃了同步網的建設方式，隨著規劃的逐步實施，鐵路時間同步網將能夠為鐵路各業務系統提供統一標準時間信號，實現各業務系統的時鐘與本系統同步。

各業務系統對時間同步的需求可分為以下幾個等級。

表1 不同等級的用戶傳送方式和實現技術

針對不同精度的時間同步需求，在鐵路通信網中目前主要應用了以下時間同步技術。

* NTP（Netw ork Tim e Protocol），NTP 技術可以在局域網和廣域網中應用，精度通常只能達到毫秒級或秒級。

* IR IG-B（In ter Range Instrum en tation Group）和 DCLS（DC Level Sh ift），IRIG-B 的幀內包括的內容有天、時、分、秒及控制信息等，可以用普通的雙絞線在樓內傳輸，也可在模擬電話網上進行遠距離傳輸。IR IG的精度通常只能達到10微秒量級。DCLS是IRIG碼的另一種傳輸碼形，用直流電位來攜帶碼元信息。

* 1PPS (1 Pu lse per Second) 秒脈沖信號，不包含時刻信息，但其上升沿標記了準確的每秒的開始，通常用于本地測試，也可用于局內時間分配，精度達到 100 ns 量級。

2）PTP技術在鐵路時間同步網的應用可行性

鐵路時間同步網依照規劃建設完善后，網絡結構如圖 2 所示。采用主從同步方式，由三級結構組成，包含一級、二級、三級時間同步節點設備。

一級時間同步設備由銣鐘和衛星授時接收機等組成，可通過專用的比對手段，對接收到的時間基準信號進行比對和過濾校正，然后輸出時間同步信號；二級時間同步設備由高穩晶體鐘和衛星授時接收機組成，支持通過地面手段將時間溯源至一級時間同步設備，支持地面頻率信號守時功能；三級時間同步設備配置晶體鐘，支持通過地面手段將時間溯源至一級或二級時間同步設備。

隨著中國鐵路跨線跨區行駛及速度不斷提高，鐵路時間同步網提供統一基準時間信息的需求也越來越迫切。鐵路時間同步網組網的分級結構符合高精度時間同步組網要求，可以基于目前較為成熟的PTP技術，為相關系統提供高精度等級時間信號。時間同步設備與需要高精度等級時間信號的被同步設備之間的地面時間傳送采用PTP技術，時間同步設備之間的地面時間傳送可采用PTP技術或其他技術。

鐵路時間同步網基于PTP協議為鐵路各系統提供高精度時間信號時，需注意以下影響精度的關鍵因素。

* 鏈路方面——雙向固定時延不對稱

光纖雙向固定傳輸時延不對稱是由于收發雙向光纖物理長度的不對稱造成。光纖雙向固定傳輸時延不對稱是靜態誤差，影響1588 v2時間同步的絕對精度，無法通過時間恢復算法來濾出。

* 網絡方面——規模及保護方式

基于PTP技術的時間同步網的規模，是影響時間同步的一個重要因素。網絡規模過大會導致光纖的物理鏈路過長，引起的收發雙向延時不對稱變大；另外同步鏈路的中間節點數過多。時間同步精度由此劣化。

時間同步需要完善的保護，避免單點故障引起的整網癱瘓。通常有路徑保護和設備內部的重要時鐘單元主備保護等。每種保護方式，在發生保護倒換時，都可能引起時間同步性能的短期劣化。

4 結論

PTP精確時間同步協議為高精度時間同步網提供了可能。傳輸設備（包括PTN，OTN等）逐步支持PTP協議，也使得PTP時間同步網得到了推廣。目前電力行業、中國移動都在對PTP技術進行可行性研究，深圳、南京移動等已在布置多個實驗局，浙江移動部署了PTN IEEE 1588 v2方案，并成功將TD-SCDMA業務遷移至該網絡。PTP相關技術可以作為鐵路時間同步網建設的參考依據，對其進行深入研究具有重要的實用價值和理論意義。

[1] YDT 2375-2011 高精度時間同步技術要求[S].

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http://www.h3c.com.cn/Products___Technology/Technology/System_Management/Other_technology/Technology_recommend/201008/686476_30003_0.htm.