基于SDH的PTP時間同步技術實現＊

趙慶凱 國網冀北電力有限公司高級工程師

李舒婷 國網福建省電力有限公司高級工程師

潘 峰 中國信息通信研究院通信標準研究所工程師

胡昌軍 中國信息通信研究院通信標準研究所高級工程師

1 引言

隨著通信、電力、測量與控制、工業制造與自動化、軍事、航天等領域對時間同步的要求越來越高，出現了各種高精度的時間同步技術，主要包括IRIG-B、DTI、SNTP、NTP、cc NTP、IEEE1588（PTP）等。結合不同領域對時間同步的性能需求和其自身網絡的特點，必須采用合適的時間同步技術才能保證整個網絡的安全可靠運行。本文對PTP時間同步技術的相關特點做了簡要的介紹，并分析了基于SDH和分組網絡采用PTP技術的各自特點。

2 PTP關鍵技術簡介

2.1 時間精度

PTP（Precison Time Protocol）協議能取得高精度對時的主要原因是采用了現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）技術，在物理層通過專用硬件進行時間標記，同時還采用了最佳主時鐘（BestMasterClock，BMC）算法。PTP繼承了NTP基于局域網的低花費模式，同時又提供了優于IRIG-B的對時精確度，并且PTP能在SDH、PTN、IP-RAN、OTN等多種傳輸網絡中進行傳輸。

2.2 PTP承載方式

在通信網絡中，PTP在網絡中可能的時間戳標記點位于物理層或驅動層，其報文在主時鐘與從時鐘之間雙向傳遞，屬于應用層協議。PTP協議傳輸的承載方式主要包括基于SDH、OTN網絡和基于分組（PTN、IP-RAN）網絡等進行承載，每種網絡環境下進行PTP時間同步均有其各自的特點。本文重點介紹基于SDH網絡的PTP同步方式。

3 基于SDH網絡的PTP同步技術

3.1 技術背景

目前，SDH網絡在我國的公眾網和各專網中被大量部署并運行，其本身是嚴格同步的，從而保證了整個網絡穩定可靠，誤碼少，且便于復用和調整。通過SDH 2M通道即E1來傳輸PTP時間，組建時間同步網，無疑是一種非常好的解決方式。

3.2 現網測試驗證

在現網中，通過如圖1所示的配置搭建測試環境，通過兩種不同的SDH網絡環境分別測試并進行對比。

圖1 現網測試配置圖

現網測試采用絕對測量與相對測量兩種測試方法。其中，絕對測量是以GPS/北斗衛星為參考點，對經過SDH傳輸網和從時鐘設備輸出參考點處的時間誤差進行測量，這里假設測試時間測試儀和被測Grandmaster設備是同源的，且測試所用天饋線相同，因此進行絕對測量時可認為測量儀表未引入額外的固定時延誤差；而相對測量測試的是GM輸出參考點與經過SDH傳輸網和從時鐘設備輸出參考點處的時間誤差以及頻率相位差。

其中，測試的SDH傳輸網分別配置兩種場景，其中場景1參照了ITU-T 60個SDH節點的極長鏈路模型，為ITU-T建議的定時長鏈路的極端情況，其中有3個SDH節點處于自由振蕩狀態；場景2選取32個SDH網元的極長鏈路場景進行測試驗證，以反映一般較長的真實網絡性能的情形。

表1為某廠家的設備在不同時間精度下的對比情況。從表中可知，在測試環境2的情況下，即所有網元頻率同步時，無論是絕對測試還是相對測試，經過從時鐘后恢復出的時間精度峰峰值均小于1μs，在測試環境1的情況下，即存在網元不同步的情況下，無論是絕對測試還是相對測試，經過從時鐘后恢復出的時間精度峰峰值都大于1μs，可見網元在自由振動的情況下，會出現“指針調整”，這會影響從時鐘恢復時間的性能。

同時，通過對從時鐘頻率的輸出測量結果（見圖2）可知，在測試環境1的情況下其E1輸出會出現2μs左右的跳變，也可推斷出“指針調整”會影響從時鐘的頻率性能恢復。
對于以上兩種測試環境，PTP在SDH網絡中經過FE/E1協議轉換器后存在微秒級的抖動，同時線路中還存在日晝溫差變化的低頻噪聲，從時鐘通過其包過濾、包選擇算法后能過濾SDH網絡中的這些噪聲，從而恢復出滿足網絡要求的時間和頻率。

表1 不同環境下時間精度對比結果

4 基于SDH與分組網絡的PTP同步技術的區別

4.1 組網應用方式的區別

圖2 兩種測試場景從時鐘的頻率輸出測試對比

在SDH網絡中，由于SDH網絡通過STM-N傳送頻率信號的技術已成熟并廣泛應用于實際的網絡中，所以SDH網絡中物理層的頻率同步采用STM-N線路信號進行傳送，對于時間信號則可利用PTP報文通過SDH設備的E1通道進行傳送。由于PTP同步技術是基于以太網基礎上運行的，在SDH網絡上傳輸PTP需要進行協議轉換，即在FE與E1間進行轉換。

基于分組網絡的PTP應用其頻率同步包括基于同步以太和PTP報文進行同步，其時間同步采用基于PTP報文進行。其中，采用基于同步以太實現頻率同步和基于PTP報文實現時間同步的方式，其輸出的同步性能要優于采用基于PTP報文同時實現頻率同步和時間同步方式時輸出的同步性能，這主要是由分組網絡中的分組時延變化所引起。

4.2 同步精度的區別

通過實驗室和現網驗證可知，在SDH網絡中，利用PTP在E1通道中進行時間傳遞的精度在百納秒量級。在分組網絡中，PTP采用BC模式逐點同步方式，在對不同廠家多個網元進行級聯組網測試時，其24h的長期精度均滿足規范的要求。具體測試結果見表2。

表2 BC模式下各廠家設備組網測試長期精度

由表2可知，各廠家在BC工作模式下，多個節點級聯組網時，網絡輸出相對時間精度均優于100ns，這將能保證端到端的時間同步性能更優。也說明了分組網絡中，采用同步以太傳送頻率與PTP傳送時間方式，其恢復的時間精度要優于SDH網絡中利用E1通道傳送PTP報文恢復出的時間精度，因為采用BC模式，逐點處理方式抵消了網絡中的分組時延變化尤其是路由的不對稱性帶來的對同步性能的影響。

4.3 同步性能影響因素的區別

在SDH網絡中影響PTP傳送頻率和時間信號的因素主要包括：協議轉換器引起的時延抖動、網絡的日晝漂移噪聲和SDH網絡本身的“指針調整”帶來的損傷。在分組網絡中影響PTP傳送頻率和時間信號的因素主要包括：隨機延遲變化、低頻延遲變化、系統性延遲變化、路由重組和擁塞效應等引起的分組延遲變化。對于不同的性能影響因素，應采用不同的算法和組網方式來減少或避免這些因素引起的同步性能損傷。

5 結束語

在SDH網絡中利用PTP技術實現時間同步，為達到更優的時間同步性能，應減小協議轉換器引起的固定延時抖動，設計更好的從時鐘算法抑制“指針調整”帶來的損傷，同時也可以考慮利用更高速率的傳輸通道來傳送PTP報文，例如VC-4、VC-3通道。無論是SDH網絡還是分組網絡，網絡節點數的多少、節點本振的精度、路由的長度都會影響PTP傳送頻率和時間信號的性能。如何規劃和組織相應的頻率同步和時間同步網，保證通信網絡的同步性能最優，系統運行更穩定，將成為未來同步網的研究重點。

1 IEEE 1588-2008.IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems.2008