鐵路時(shí)間同步網(wǎng)優(yōu)化組網(wǎng)方案研究

程 華　北京鐵路通信技術(shù)中心高級(jí)工程師

鐵路時(shí)間同步網(wǎng)優(yōu)化組網(wǎng)方案研究

程 華北京鐵路通信技術(shù)中心高級(jí)工程師

為了適應(yīng)鐵路快速發(fā)展及信息化的需要，針對(duì)鐵路時(shí)間同步網(wǎng)缺少統(tǒng)一溯源、過(guò)度依賴于衛(wèi)星授時(shí)以及單源故障等問(wèn)題，結(jié)合有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提出鐵路時(shí)間同步網(wǎng)優(yōu)化組網(wǎng)方案。

鐵路；時(shí)間同步網(wǎng)；優(yōu)化組網(wǎng)方案

1　引言

鐵路時(shí)間同步網(wǎng)是為鐵路各應(yīng)用系統(tǒng)提供統(tǒng)一準(zhǔn)確時(shí)間信號(hào)的支撐網(wǎng)絡(luò)。按照鐵路時(shí)間同步技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，時(shí)間同步網(wǎng)應(yīng)由一、二、三級(jí)地面時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)設(shè)備、列車時(shí)間同步設(shè)備和相應(yīng)的授時(shí)鏈路組成。目前，在全路設(shè)置了一級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)1套，二級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)18套，3級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)若干。各級(jí)節(jié)點(diǎn)均采用衛(wèi)星授時(shí)，相互之間沒(méi)有實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，時(shí)間沒(méi)有實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一溯源，也沒(méi)有通過(guò)頻率同步網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)守時(shí)。為完善鐵路時(shí)間同步網(wǎng)，更好地為鐵路通信及各應(yīng)用系統(tǒng)提供統(tǒng)一、準(zhǔn)確的時(shí)間信號(hào)，有必要對(duì)鐵路時(shí)間同步網(wǎng)組網(wǎng)方案進(jìn)行研究。

2　鐵路時(shí)間同步網(wǎng)現(xiàn)狀

目前，鐵路已布設(shè)了一/二/三級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)設(shè)備。在鐵路總公司建有一級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)設(shè)備，在18個(gè)鐵路局所在地建設(shè)了二級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)設(shè)備，在車站等處建設(shè)了三級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)設(shè)備。鐵路一、二級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)設(shè)備現(xiàn)狀參見(jiàn)表1。

全路已建成鐵路一級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)設(shè)備1個(gè)，采用廠家A設(shè)備；二級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)18個(gè)，分別采用廠家A、B、C的設(shè)備；三級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)若干。既有時(shí)間同步設(shè)備分別采用4個(gè)以上廠家設(shè)備。全路現(xiàn)有時(shí)間同步設(shè)備多數(shù)均采用GPS或北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)獲取時(shí)間信號(hào)。

3　鐵路時(shí)間同步網(wǎng)存在的問(wèn)題

由于鐵路時(shí)間同步網(wǎng)是在不同時(shí)期隨著鐵路建設(shè)逐步建成的，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、接口、指標(biāo)等與新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（如ITU/T-G.8271等）和鐵路標(biāo)準(zhǔn)（如TB/T3283-2015）有一定差距，對(duì)于適應(yīng)未來(lái)的發(fā)展，也有一定不足。即建設(shè)在前，標(biāo)準(zhǔn)滯后導(dǎo)致出現(xiàn)一些問(wèn)題。現(xiàn)有鐵路時(shí)間同步網(wǎng)存在以下幾個(gè)主要問(wèn)題：

（1）一級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)全路僅有一套，存在單節(jié)點(diǎn)故障隱患，網(wǎng)絡(luò)安全性有待提升。

（2）一級(jí)與二級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)間沒(méi)有實(shí)現(xiàn)地面互聯(lián)，二級(jí)與三級(jí)節(jié)點(diǎn)間多數(shù)也沒(méi)有互聯(lián)，在時(shí)間溯源及時(shí)間統(tǒng)一方面存在不足。

（3）在現(xiàn)有鐵路有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中要求時(shí)間同步網(wǎng)全部采用地面授時(shí)方式，而既有傳輸設(shè)備不完全具備高準(zhǔn)確度的時(shí)間同步接口。

（4）僅通過(guò)衛(wèi)星授時(shí)的方式獲取基準(zhǔn)時(shí)間，存在系統(tǒng)性安全風(fēng)險(xiǎn)。

（5）沒(méi)有通過(guò)頻率同步網(wǎng)對(duì)于時(shí)間同步系統(tǒng)提供守時(shí)參考，系統(tǒng)健全性不足。

表1　鐵路一/二級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)設(shè)備現(xiàn)狀

（6）實(shí)時(shí)時(shí)間檢測(cè)功能薄弱（或準(zhǔn)確度不夠），無(wú)法獲知其相對(duì)于UTC（協(xié)調(diào)世界時(shí)）的可信任時(shí)間偏差。

（7）隨著鐵路移動(dòng)通信技術(shù)和信息化的發(fā)展，對(duì)時(shí)間同步提出了更高的要求，目前規(guī)定的指標(biāo)可能不能滿足新的要求。

（8）既有一級(jí)時(shí)間同步設(shè)備輸出接口不具備PTP 和PPS+ToD接口，不具備實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度的地面授時(shí)的條件。二級(jí)時(shí)間設(shè)備輸入輸出接口多數(shù)不具備PTP和PPS+ToD接口，也不具備實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度的地面互聯(lián)的條件。

4　鐵路時(shí)間同步網(wǎng)優(yōu)化組網(wǎng)方案

對(duì)于如何發(fā)展建設(shè)鐵路時(shí)間同步網(wǎng)，曾考慮過(guò)多種方案，如完全構(gòu)建新的同步體系架構(gòu)，時(shí)間與頻率同步融合等，但是考慮到優(yōu)化的可操作性等，根據(jù)鐵路通信及其他各專業(yè)對(duì)時(shí)間準(zhǔn)確度的需求及鐵路時(shí)間同步網(wǎng)設(shè)備現(xiàn)狀，下面簡(jiǎn)要介紹多個(gè)時(shí)間同步網(wǎng)優(yōu)化方案中的一種。其要點(diǎn)是：統(tǒng)一時(shí)間溯源、保留三級(jí)結(jié)構(gòu)、增加地面互聯(lián)、提升性能指標(biāo)、強(qiáng)化監(jiān)測(cè)手段、提升網(wǎng)絡(luò)安全。具體包含以下幾點(diǎn)。

4.1一級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)

一級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)（類似PRTC）是全路時(shí)間的溯源點(diǎn)，必須保證其時(shí)間的準(zhǔn)確度和節(jié)點(diǎn)的可靠性。針對(duì)以上幾個(gè)問(wèn)題，提出一級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)技術(shù)方案如下。

（1）一級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)通過(guò)衛(wèi)星共模共視（CMCV）方式直接從國(guó)家授時(shí)中心獲取時(shí)間，前期至少可通過(guò)共模共視方式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)一級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)設(shè)備時(shí)間相對(duì)于UTC的偏差。

（2）在全路增加一個(gè)備用一級(jí)時(shí)間同步設(shè)備。鑒于我國(guó)時(shí)間基準(zhǔn)源自于國(guó)家授時(shí)中心，該中心位于陜西省西安市，所以備用一級(jí)設(shè)備所在地選擇在西安鐵路局的西安核心機(jī)房，在此處設(shè)置一級(jí)備用時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)。

（3）利用備用一級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)與國(guó)家授時(shí)中心地理位置較近的地緣優(yōu)勢(shì)，可以通過(guò)地面時(shí)間傳送鏈路溯源到國(guó)家授時(shí)中心。如果近期不具備條件，也可以考慮通過(guò)衛(wèi)星共模共視的方式溯源到國(guó)家授時(shí)中心。

（4）一級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)需配備高準(zhǔn)確度的時(shí)間接口，便于向下級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)提供時(shí)間信號(hào)。

（5）將銫鐘頻率源（或頻率同步網(wǎng)）信號(hào)引入一級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)設(shè)備，當(dāng)衛(wèi)星接收機(jī)不可用時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度守時(shí)。

在我國(guó)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)明確提出時(shí)間應(yīng)溯源到國(guó)家授時(shí)中心。通過(guò)衛(wèi)星共模共視方式獲取時(shí)間信息，是國(guó)際上常用的遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)及傳送的方式。隨著共模共視產(chǎn)品的成熟和推廣，以及近幾年實(shí)際試驗(yàn)的結(jié)果，衛(wèi)星共模共視已經(jīng)具備了大范圍應(yīng)用的條件。以上方案，可以解決前面提到的多個(gè)問(wèn)題，如單一時(shí)間節(jié)點(diǎn)、無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、單純依賴衛(wèi)星單向授時(shí)等。

4.2二級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)優(yōu)化方案

對(duì)于二級(jí)時(shí)間同步設(shè)備，優(yōu)選通過(guò)衛(wèi)星共模共視的方式溯源到鐵路總公司一級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)設(shè)備，將地面鏈路作為備用時(shí)間源。當(dāng)衛(wèi)星或共模共視接收機(jī)不可用時(shí)，通過(guò)地面鏈路獲取時(shí)間，地面鏈路均采用高準(zhǔn)確度的時(shí)間同步接口（如PTP）。聯(lián)網(wǎng)示意如圖1所示。

4.3三級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)設(shè)備互聯(lián)方案

根據(jù)《鐵路時(shí)間同步網(wǎng)技術(shù)條件》（TB/T 3283-2015）的要求，三級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)需通過(guò)地面鏈路跟蹤二級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)，對(duì)三級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)，要求其相對(duì)于UTC的時(shí)間偏差是+/-3μs。這一指標(biāo)可以滿足大多數(shù)鐵路應(yīng)用系統(tǒng)的要求，但隨著鐵路通信技術(shù)發(fā)展，移動(dòng)通信系統(tǒng)LTE-R需要優(yōu)于1.1μs或更高的指標(biāo)要求；移動(dòng)通信高精度定位需要200～500ns的指標(biāo)；電力系統(tǒng)SCADE需要優(yōu)于1μs的時(shí)間信號(hào)。因此，既有時(shí)間同步網(wǎng)的技術(shù)指標(biāo)過(guò)于寬松，不能滿足未來(lái)通信及鐵路信息化應(yīng)用對(duì)時(shí)間同步的要求。筆者特提出以下建議方案：

三級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)均需具備高準(zhǔn)確度時(shí)間同步接口。在要求時(shí)間準(zhǔn)確度較高的場(chǎng)所，采用衛(wèi)星共模共視的方式直接從一級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)獲取時(shí)間信號(hào)。三級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)的地面時(shí)間獲取徑路不一定取自于二級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)的輸出，可以直接從骨干傳送網(wǎng)的時(shí)間傳送平臺(tái)獲取時(shí)間，也可以從局干傳送網(wǎng)或接入層傳送網(wǎng)的時(shí)間平臺(tái)上獲取時(shí)間，主要取決于三級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)所處的位置和應(yīng)用設(shè)備對(duì)時(shí)間的要求。三級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)的時(shí)間輸出要求可以根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的要求提出不同的指標(biāo)，對(duì)于普通的應(yīng)用系統(tǒng)，三級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)滿足+/-3μs的指標(biāo)即可，對(duì)于基站等需要高準(zhǔn)確度時(shí)間同步的設(shè)備，需要提供優(yōu)于1100ns的時(shí)間輸出信號(hào)。二/三級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)授時(shí)方式圖1所示。

圖1　鐵路時(shí)間同步網(wǎng)各級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)互聯(lián)示意圖

4.4一/二/三級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)間地面授時(shí)鏈路

新建鐵路骨干/局干OTN傳送網(wǎng)已覆蓋鐵路總公司和全國(guó)18個(gè)鐵路局，全面支持1588v2協(xié)議，具備鐵路一/二/三級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)間高準(zhǔn)確度時(shí)間傳送的能力。筆者組織進(jìn)行了部分高準(zhǔn)確度時(shí)間傳送鏈路試驗(yàn)測(cè)試，滿足相關(guān)指標(biāo)要求。

5　鐵路時(shí)間同步網(wǎng)技術(shù)指標(biāo)

5.1一/二級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)均采用衛(wèi)星授時(shí)情況下

為滿足未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)和定位對(duì)時(shí)間同步的要求，一/二級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)均采用衛(wèi)星授時(shí)方式，三級(jí)同步時(shí)間節(jié)點(diǎn)可以采用地面跟蹤方式。主用一級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)通過(guò)衛(wèi)星共模共視的方式溯源到國(guó)家授時(shí)中心，備用一級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)通過(guò)地面鏈路或衛(wèi)星共模共視方式溯源到國(guó)家授時(shí)中心。二級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)通過(guò)共模共視的方式溯源到主用一級(jí)時(shí)間同步設(shè)備。此時(shí)，時(shí)間同步網(wǎng)各級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)設(shè)備時(shí)間輸出相對(duì)于UTC的時(shí)間偏差建議滿足表2的要求。其中，業(yè)務(wù)應(yīng)用輸入端時(shí)間相對(duì)于UTC的時(shí)間偏差建議1100ns，主要是針對(duì)電力監(jiān)測(cè)以及4G基站的時(shí)間準(zhǔn)確度需求提出（見(jiàn)圖2）。為鐵路其他設(shè)備服務(wù)的三級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)仍可以按照TB/T3283-2015標(biāo)準(zhǔn)中要求的指標(biāo)執(zhí)行。表2中一級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)設(shè)備的指標(biāo)要求100ns，高于TB/T 3283-2015標(biāo)準(zhǔn)中150ns的要求，主要是考慮到衛(wèi)星共模共視的方式能夠比普通衛(wèi)星接收機(jī)提供更高的準(zhǔn)確度，且具備實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)的能力。

5.2二級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)采用地面授時(shí)情況下

當(dāng)二級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)的共模共視設(shè)備不可用時(shí)，從地面獲取時(shí)間的情況下，二/三級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)設(shè)備時(shí)間輸出相對(duì)于UTC的時(shí)間偏差建議滿足表3的要求。

5.3守時(shí)準(zhǔn)確度

當(dāng)一級(jí)或二級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)設(shè)備的衛(wèi)星授時(shí)輸入功能失效，在時(shí)間同步設(shè)備能夠正常跟蹤于源自頻率同步網(wǎng)一級(jí)基準(zhǔn)時(shí)鐘的頻率信號(hào)時(shí)，通過(guò)PTP或1PPS+ToD接口進(jìn)行觀測(cè)，在3天之內(nèi)的相對(duì)守時(shí)準(zhǔn)確度范圍為-1～+1μs。

6　結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)鐵路時(shí)間同步網(wǎng)缺少統(tǒng)一溯源、過(guò)度依賴于衛(wèi)星授時(shí)、單時(shí)間源風(fēng)險(xiǎn)、缺乏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等問(wèn)題，結(jié)合鐵路同步網(wǎng)現(xiàn)狀，筆者提出了鐵路時(shí)間同步網(wǎng)優(yōu)化組網(wǎng)方案。該方案提出了采用共模共視的高準(zhǔn)確度授時(shí)技術(shù)、結(jié)合地面高準(zhǔn)確度傳遞、增加備用一級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)、對(duì)時(shí)間偏差實(shí)時(shí)監(jiān)視等內(nèi)容，可以全面提升鐵路時(shí)間同步網(wǎng)的統(tǒng)一性、準(zhǔn)確性和可靠性，為鐵路通信信息化提供更好的服務(wù)。

圖2　時(shí)間傳遞鏈路時(shí)間偏差分配舉例圖

表2　時(shí)間同步網(wǎng)各級(jí)節(jié)點(diǎn)設(shè)備時(shí)間輸出相對(duì)于UTC的時(shí)間偏差

表3　時(shí)間同步網(wǎng)各級(jí)節(jié)點(diǎn)時(shí)間輸出相對(duì)于UTC的時(shí)間偏差

［1］國(guó)家鐵路局.鐵路時(shí)間同步網(wǎng)技術(shù)條件：TB/T3283-2015［S］.北京：國(guó)家鐵路局，2015.

［2］ITU/T-G.8271.1.

愛(ài)立信眾多物聯(lián)網(wǎng)解決方案亮相中國(guó)電信天翼終端博覽會(huì)

我們正在邁向萬(wàn)物互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)社會(huì)，其中物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展已經(jīng)駛?cè)肓丝燔嚨溃A(yù)計(jì)2018年物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)終端的數(shù)量將超過(guò)手機(jī)的數(shù)量。愛(ài)立信一直致力于推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，著力在標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)、終端、應(yīng)用以及生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同的多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的普及。

7月14—17日，愛(ài)立信眾多物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的產(chǎn)品、解決方案以及技術(shù)創(chuàng)新亮相中國(guó)電信天翼終端博覽會(huì)。與此同時(shí)，愛(ài)立信宣布作為創(chuàng)始成員之一加入中國(guó)電信天翼物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟。

愛(ài)立信中國(guó)總裁趙鈞陶表示：“移動(dòng)寬帶、IoT和云推動(dòng)形成新的市場(chǎng)，重塑各個(gè)行業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)將改變我們與世界連接的方式，改變每一個(gè)人的生活工作。愛(ài)立信致力于引領(lǐng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，旨在為個(gè)人、行業(yè)以及社會(huì)的數(shù)字化重塑注入動(dòng)力。”

Railway time synchronization network optimization scheme

CHENG Hua

In order to meet the needs of rapid development of railway and in formation technology for railway time synchronization network lack of uniform traceability，over-reliance on satellite time and single-source failures and other issues，combined with the technical standards proposed railway time synchronization network network optimization program.

railway；time synchronization；network optimization program

（2016-06-07）