1588技術(shù)在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的應(yīng)用方式探討＊

張 軍 國電南瑞科技股份有限公司高級工程師

李 信 國網(wǎng)冀北電力有限公司信息通信分公司高級工程師

黃源源 國電南瑞科技股份有限公司工程師

呂 博 中國信息通信研究院通信標準研究所工程師

1 引言

目前，1588v2（PTP：Precise Time Protocol）技術(shù)作為GPS的一種替代方案用以解決3G/4G基站的時間同步問題，已經(jīng)在電信運營商（如中國移動）的城域網(wǎng)中得到了試點應(yīng)用；在電力系統(tǒng)中部分地市（如浙江電力公司）也組建了PTP時間同步試驗網(wǎng)，為變電站內(nèi)的被授時設(shè)備提供高精度的時間同步信號。雖然利用PTP技術(shù)已經(jīng)可以組建時間同步網(wǎng)進行時間傳送，可以為網(wǎng)絡(luò)末端的被授時設(shè)備提供亞微秒量級的時間同步信號，然而隨著時間同步需求的不斷增大以及對網(wǎng)絡(luò)健壯性、安全性要求的日益提高，利用PTP技術(shù)進行組網(wǎng)必然要面臨大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的挑戰(zhàn)。最為突出的問題是：隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大、時間同步設(shè)備數(shù)量的增多，目前PTP自身的技術(shù)缺陷如選源算法中優(yōu)先級數(shù)量的瓶頸問題將會凸顯，從而影響到PTP技術(shù)的推廣和組網(wǎng)應(yīng)用；此外，端到端的距離以及節(jié)點數(shù)都會使噪聲累積增加，影響到時間同步的性能。在此技術(shù)背景下本文探討了在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下1588的新型應(yīng)用方式。

2 1588典型的應(yīng)用方式

目前，1588典型的應(yīng)用方式主要有兩種：邊界時鐘（BC）組網(wǎng)和靜態(tài)單播組網(wǎng)。

2.1 全BC組網(wǎng)場景

圖1所示為中國移動城域網(wǎng)中1588用以解決3G/4G基站的時間同步問題的典型應(yīng)用場景。該應(yīng)用場景中在核心層部署了一主一備兩臺時間服務(wù)器作為同一時間域的時間基準源頭，并配置了GPS/北斗衛(wèi)星授時接收機和高精度原子鐘來提高全網(wǎng)的同步可靠性；在PTN+OTN的傳送網(wǎng)中全網(wǎng)啟用了BC功能，可以有效地抑制分組網(wǎng)絡(luò)PDV噪聲的影響，保證了從源端到基站側(cè)端到端的時間性能；在這種組網(wǎng)場景下啟用BMC算法后可自動進行選源與PTP同步鏈路安排，減少了運維成本。目前，該場景已經(jīng)在中國移動的城域網(wǎng)中得到試點應(yīng)用。

2.2 三層單播方式

圖2所示為電力時間同步試點中典型的組網(wǎng)應(yīng)用場景。在該場景中采用了兩級結(jié)構(gòu)，分為一級PTP主時鐘和二級PTP從時鐘，通過人工預(yù)置PTP時鐘的優(yōu)先級（Priority1/2）來規(guī)劃全網(wǎng)PTP時鐘的等級，通過三層單播的方式規(guī)劃PTP同步鏈路組織。該應(yīng)用場景引入了同步網(wǎng)分級分層的概念，所以并不局限于局域和城域組網(wǎng)，但在大規(guī)模廣域組網(wǎng)中會遇到優(yōu)先級數(shù)量的瓶頸以及IP地址的劃分等技術(shù)問題，需進行更深入的研究后才可進行推廣應(yīng)用。

圖1 BC組網(wǎng)應(yīng)用場景

3 1588大規(guī)模組網(wǎng)需考慮的重要因素

盡管1588在城域組網(wǎng)中已經(jīng)有典型的應(yīng)用實例，但隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，一方面?zhèn)鬏斁嚯x的增加和網(wǎng)元數(shù)量的增多會增大同步網(wǎng)絡(luò)噪聲的累積，影響到端到端的時間同步性能；另一方面網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化又對同步區(qū)的劃分、同步網(wǎng)的分層分級和PTP同步鏈路的組織提出新的挑戰(zhàn)，因此在1588大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中需重點考慮以下3點因素：

（1）端到端時間同步性能：為保證端到端的時間同步性能，需對時間誤差（TE：Time Error）進行嚴格控制，主要包括對固定時間誤差的非對稱時延補償以及動態(tài)時間誤差的噪聲過濾兩大類技術(shù)手段。

（2）選源問題：大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中需對同步區(qū)進行劃分，對同步網(wǎng)進行分層分級，從而涉及到時間同步選源和溯源問題。選源和溯源需對BMC算法的數(shù)據(jù)集中關(guān)鍵參數(shù)（如域名、優(yōu)先級、clkID等）進行統(tǒng)籌規(guī)劃。

（3）PTP同步鏈路組織：PTP同步鏈路組織中需同時考慮極長定時參考鏈接帶來的誤差影響、時間同步組網(wǎng)保護方式以及PTP的通道組織方式等技術(shù)問題。

4 1588大規(guī)模組網(wǎng)應(yīng)用方式論證與比較

針對以上3點考慮因素，本文提出了3種新型的1588大規(guī)模組網(wǎng)應(yīng)用方式。

4.1 網(wǎng)格化BC組網(wǎng)

圖3為本文提出的網(wǎng)格化BC組網(wǎng)應(yīng)用方式。這里“網(wǎng)格化”是將大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)劃分為不同的時間網(wǎng)格，其中縱向為時間域的劃分，橫向為同步網(wǎng)層的劃分，在網(wǎng)格交叉處部署不同等級的PTP時間同步節(jié)點以實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。在該方式中根據(jù)網(wǎng)絡(luò)特點首先需規(guī)劃多個時間域，不同域間在傳輸網(wǎng)絡(luò)邊緣處即可采用物理隔離的方式也可通過BMC算法中不同時間域編號進行劃分。在同一時間域內(nèi)將同步網(wǎng)分為3層，在不同網(wǎng)層交匯點處部署主備一級、二級和三級PTP時間同步設(shè)備。全網(wǎng)啟用BMC算法后在同一時間域內(nèi)可實現(xiàn)自動選源與主備PTP同步鏈路的自動配置，降低了規(guī)劃的復(fù)雜度，同時為保證端到端時間同步性能可在域內(nèi)增設(shè)PTP從時鐘設(shè)備實現(xiàn)PDV噪聲過濾。對全網(wǎng)進行“網(wǎng)格化”處理的方式即可保證不同時間域的相對獨立，又可對BMC算法的選源參數(shù)如優(yōu)先級1和2進行復(fù)用，從而降低了規(guī)劃難度。該方式的缺點為在Mesh網(wǎng)絡(luò)拓撲環(huán)境下網(wǎng)格的劃分與剝離存在一定的難度，因此該方式主要適用于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為清晰的環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

圖2 靜態(tài)單播組網(wǎng)應(yīng)用場景

4.2 智能時鐘輔助型TC組網(wǎng)

1588 v2中引入透傳時鐘（TC）的初衷是為了彌補了BC在時間精度方面的不足，采用TC方式的中間節(jié)點可靈活方便地對駐留時間進行修正及補償，確保在更遠的傳輸距離和更廣泛的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)保持更高的時間精度。TC方式支持多時鐘域的處理，同時可以避免網(wǎng)絡(luò)成環(huán)。但是，在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中仍然面臨兩方面挑戰(zhàn)：一是TC為扁平化結(jié)構(gòu)，所有從時鐘都跟蹤到同一時間域的祖時鐘（GM：Grandmaster），當從時鐘數(shù)量較多時祖時鐘的負擔(dān)加大，同時從網(wǎng)絡(luò)安全性角度講需要限制單個時間服務(wù)器下攜帶的從時鐘數(shù)量；二是在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，由于1588v2并未引入TC設(shè)計專屬的BMC算法，使得TC方式下時鐘溯源和PTP定時同步鏈路的組織和保護配置需人工實現(xiàn)，大大提高了規(guī)劃與配置難度。為解決以上兩大難題本文提出可利用智能時鐘輔助全網(wǎng)進行TC時鐘的規(guī)劃與配置，這里“智能時鐘”是指采用計算機輔助方式實現(xiàn)時間域、時間源頭、PTP主備同步鏈路的自動規(guī)劃與配置，目前廠家正致力于各自網(wǎng)管系統(tǒng)智能時鐘功能模塊的開發(fā)工作，待其功能完善后可輔助進行大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的TC組網(wǎng)應(yīng)用。

圖3 網(wǎng)絡(luò)化BC組網(wǎng)應(yīng)用場景

4.3 分布式GM組網(wǎng)

圖4所示分布式GM組網(wǎng)應(yīng)用場景在韓國和日本的4G網(wǎng)絡(luò)中得到了一定應(yīng)用。該組網(wǎng)方式為了控制端到端的時間同步誤差，將大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)劃分為多個子網(wǎng)使時間同步信號做適度收斂。不同子網(wǎng)可通過劃分時間域進行區(qū)分，每個子網(wǎng)內(nèi)部署一主一備兩臺祖時鐘設(shè)備GM1和GM2，正常情況下均跟蹤衛(wèi)星接收機，衛(wèi)星接收機失效后可利用GM自身的晶振進行守時。該方式簡化了時間源頭與PTP同步鏈路的配置，部署方式較為靈活，缺點為由于網(wǎng)絡(luò)中配備了大量的GM設(shè)備，出于成本考慮，目前的GM多采用恒溫晶體振蕩器（OCXO：Oven Controlled Crystal Oscillator），因此守時性能受限，現(xiàn)網(wǎng)中可適當增配內(nèi)置銣鐘的增強型GM設(shè)備以提高守時精度。

圖4 分布式GM組應(yīng)用場景

4.4 3種方式的比較

表1為3種應(yīng)用方式相比較的結(jié)果。綜合比較方式1較為適中，主要實現(xiàn)難度為時間網(wǎng)格的劃分與設(shè)備優(yōu)先級的規(guī)劃；方式2可提供較高的端到端時間同步精度及守時精度，但時間源及PTP同步鏈路組織的復(fù)雜度較高，建議網(wǎng)管智能時鐘功能開發(fā)完善后再加以應(yīng)用；方式3采用了分布式GM組網(wǎng)方式，部署方式最為簡單靈活并且在正常跟蹤衛(wèi)星時具有較高的時間精度，缺點為GM以數(shù)量降低了建設(shè)成本但犧牲了守時性能，從而降低了同步網(wǎng)的可靠性。可以說這3種方式是各有利弊，實際規(guī)劃中應(yīng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和應(yīng)用需求綜合比較進行選擇。

表1 3種應(yīng)用方式比較

5 結(jié)束語

1588 在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下面臨端到端時間同步性能的保證、同步選源以及PTP同步鏈路組織問題，本文提出3種應(yīng)用方式，建議在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中根據(jù)被授時設(shè)備的時間精度需求、網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)以及建設(shè)成本等因素對本文提出的3種方式進行論證及選擇。

1 孟海強,田君.1588v2 BC和TC時鐘模式部署建議.電信技術(shù).2010,6

2 IEEE 1588-2008.IEEE Standard for a Precision Clock Sync hronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems

3 YD/T 2375-2011.高精度時間同步技術(shù)要求