5G同步網時間源下沉部署技術研究

陳樂賢，陳朝輝

(1.中國電信股份有限公司上海分公司，上海 200000； 2.烽火通信科技股份有限公司，武漢 430070)

0 引 言

高精度同步，與更大帶寬、超低時延同為第五代移動通信技術(the 5th Generation Mobile Communication Technology,5G)時代承載網的3大性能指標。同步網作為5G承載網絡的關鍵構成，是必不可少的基礎支撐網絡[1]。除了支撐5G基本業務同步需求，滿足協同業務高精度同步需求，還需要為語音核心網、光傳送網(Optical Transport Network,OTN)以及支撐系統等提供同步支撐。在延時測量、業務時延控制、業務監控和基站定位等方面也出現了更多新的應用需求。

同步地面組網較傳統的衛星授時方式，具備平均成本低、相對精度高、場景適應廣和安全可靠等特點。國際和國內多個標準化和行業均組織開展了針對5G同步解決方案的研究。國內運營商正在結合自身的網絡構架、業務需求、兼容性、安全性和成本等方面綜合考慮，開展各自的5G同步技術體系和部署方案研究。

時間基準源下沉部署是面向5G同步應用的技術方案，5G推進組和中國通信標準化協會(China Communications Standards Association，CCSA)先后啟動了相關研究課題。筆者深度參與了以上課題的研究活動。本文基于前期的研究成果，對時間源下沉式組網技術中尚缺失的關鍵技術，如：按需實施方案、同步域規劃、保護策略以及同步管控等技術方案提出了自己的見解，進行了創新和完善。并結合電信同步網規劃和現網的應用，對后續同步網可能的演進方向進行了分析探討，提出時間源統一納入承載網統一管控等建議，為后續同步技術應用和標準化提供參考。

1 時間源集中式與下沉式組網方案

基于同步以太網(Synchronization Ethernet,SyncE)的高精度時間協議(Precision Time Protocol,PTP)構架是目前5G高精度時間同步最主流的方案。較相對成熟的物理層頻率網，基于PTP的時間同步網，隨著時間同步精度需求的提升，在部署和運維上的難度也越來越高，技術上也還存在著許多待研究的領域。由于長鏈組網的時間誤差難以控制，暫時無法采用類似頻率同步網方式組建全國性的時間同步網。當前業界采用的是區域化組網方案，將時間同步網限定在城域網范圍進行規劃。5G高精度同步網演化出兩種典型組網方案：時間源集中式組網和時間源下沉式組網。兩種組網方案各有特點和優劣，其中時間源下沉式組網方案帶來了新的部署思路和演進方向，值得重點研究。

5G高精度時間同步通用組網模型如圖1所示。完整的時間同步鏈路包含了3個組成部分[2-3]。同步網首部是時間基準源，即基準主時間設備(Primary Reference Time Clock,PRTC)或增強型基準主時間設備(enhanced Primary Reference Time Clock,ePRTC)，并結合祖時鐘(Grandmaster Clock,GM)。采用全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System,GNSS)授時或超高精度地基時間信號授時，獲取時間基準信號，以PTP形式輸出給下游同步節點；中間為5G承載網同步鏈路，由多個邊界時鐘(Boundary Clock,BC)或 透傳時鐘(Transparent Clock,TC)組成的同步鏈，采用高精度同步傳輸技術實現高精度同步承載；末端則是同步應用，利用時鐘(Slave)恢復時間信息，完成應用功能。目前典型應用如5G基站。

時間源接入5G承載網的位置不同，會帶來不同的部署方案，典型方案有：時間源集中式組網方案和時間源下沉式組網方案。

圖1 5G高精度時間同步通用組網模型

時間源集中式組網示例如圖2所示。時間源部署在城域核心層接入端，設置互為主備的兩個時間源設備。整個城域內的5G基站設備通過地面時間同步網溯源至上游的時間源。集中式同步組網需要城域承載網的各類設備，全部節點都支持高精度時間同步傳送功能。

時間源下沉式組網方案如圖3所示。其特點是將下沉時間源設備(subPRTC)部署于匯聚層、接入層或前傳，使其盡量靠近末端應用(如5G基站)。通過減少同步鏈路跳數，可以降低同步鏈路誤差，使得末端應用能夠獲得更高精度的同步信息。同時由于同步鏈路的縮短，降低了工程部署的難度，以及對承載設備同步精度的要求。時間源部署位置的下沉，無需上層承載設備支持高精度時間同步功能，這樣可以實現同步網的局部快速部署。相對于末端衛星授時方案，源下沉方案具備更低部署成本，且在同步保護策略上可以更為完善。并具備與時間源集中式部署方案結合，向更高精度、易監測和高可靠的組網演進能力。

圖2 5G高精度同步網時間源集中式組網示例

圖3 5G高精度同步網時間源下沉式組網示例

2 按需部署的時間源下沉式組網

相對于時間源集中式組網部署體現的是同步整體規劃思路，時間源下沉式部署則體現了按需部署，具備快速和靈活的特點。按需體現于兩個方面：同步功能的按需和同步精度按需。

同步功能的按需是指對末端應用有同步需求的區域進行部署，無需進行全網同步部署。優點是無需承載網全面具備同步功能，僅需部署同步的局部節點具備即可實施。在同步初始部署時，可以實現低成本投入的快速部署。

同步精度的按需是根據末端應用的同步精度要求，規劃合適的同步鏈路長度，并匹配適當精度的時間源，即可以滿足區域的應用需求。尤其在超高精度的應用場景，能夠以較低成本快速解決局部超高精度的應用需求。當以集中式方案部署的同步網，整體規劃的同步精度不能滿足末端新的應用需求時，疊加下沉時間源的按需部署是很好的解決方案。

集中式的部署方案，需要對同步鏈路的每一個環節都進行統一的考慮，才能滿足規劃的同步精度。同步鏈路跨越承載網的核心層、匯聚層和接入層網絡，設備種類多，接口類型復雜，光纖鏈路長。任何一個環節的問題都會對最終的同步精度造成影響，因而除了所有節點的同步功能支持，還需要對網絡規模、鏈路跳數、節點同步精度和線路不對稱性進行約束。適合于網絡完全部署時的統一規劃方案。

相對而言，下沉時間源的按需部署，時間源靠近末端應用，同步鏈路短，也降低了對中間承載節點的精度要求和工程施工要求，可以實現快速局部部署。每一個下沉部署的時間服務器都會成為一個區域的時間源頭，可以根據應用需求進行同步覆蓋。靈活性在網絡建設初期，混合組網場景下，快速提供同步服務中體現，且能夠適應超大規模復雜組網。但組網的靈活性也帶來了同步域劃分、同步保護和管控等技術實現的難度，將在下文中進行分析。

3 時間源下沉部署同步域規劃

下沉時間源滿足的是局部同步應用，會作為局部同步的源頭。當兩個同步域相鄰時，有以下兩種規劃思路。

思路一是基于最優主時鐘算法(Best Master Clock Algorithm,BMCA)決策劃分同步域。將所有下沉時間源、鏈路同步節點以及末端Slave規劃在同一個時鐘域(Domain)，且時間源配置相同的優先級。這樣每一個時間源的作用范圍將與相鄰的時間源通過BMCA進行決策。可以按不同場景進行分析。

單一精度等級的時間源和承載節點部署場景,可用采用G.8275.1的BMCA方案[4]決策同步域。時間源與同步節點的鏈路相對跳數是決策的主要參數。IEEE1588采用的BMCA，由于決策思路是跟蹤單一時間源，無法滿足這個場景的應用；不同精度等級的時間源和承載節點混合部署場景，需要采用鏈路精度擴展信息增強的BMCA[5]進行同步域的決策。通過Announce報文擴展格式攜帶鏈路精度信息，并以鏈路精度替代跳數(StepsRemoved)進行決策。但這個方案的標準化工作并未完成。對于現有BMCA，還可以采用跳數限值的方法，對下沉時間源的同步范圍進行約束，實現同步分域。這個方案需要注意可能存在同步盲點。

由于BMCA決策自動運行，實施較為便捷。缺點是時間源的同步域具有不確定性。

思路二是基于Domain規劃同步域。下沉時間源的作用范圍需要提前進行規劃，并通過Domain進行區分。下沉時間源、域作用域內的同步節點以及末端Slave，規劃在同一個Domain。區域范圍以末端應用的同步精度要求為限值，以時間源精度、同步節點精度和末端從時鐘精度為因量來規劃。不同Domain之間不能直接傳遞同步信息。同一Domain內，可以采用BMCA選擇跟蹤路徑。采用Domain進行規劃具有局部確定可控的特點。

4 時間源下沉式部署的保護策略

同步網的部署必須考慮異常情況下的時間源保護功能，以提升可靠性。對于集中式部署方案，其在核心層部署的兩個時間源互為主備，形成時間源的保護能力。而下沉式部署的時間源，從成本和體積考慮，不會采用高成本銣鐘方案，自身的守時能力偏弱，異常情況的保護就顯得更為重要。部署場景不同，時間源的保護策略也會有所不同。

孤立同步域場景的時間源保護策略。由于同步域為一孤島，只能從下沉部署的時間源獲取頻率和時間信息。對于重點區域應用考慮同步安全性，可以采用時間源主備，或雙星卡保護方案。

單一時間域部署時相鄰同步域場景的時間源保護策略。按照下沉部署同步的應用模式，局部同步部署采用單一Domain方案，BMCA決策選源的按需部署最為簡便。存在相鄰同步域的場景下，本區域節點除了接收到本地下沉源的通告消息，還能接收到其他下沉源的通告消息。當本地下沉源出現異常時，將發出攜帶有降質信息的通告消息。通過BMCA會選擇臨近的時間源進行跟蹤，從而實現保護。

疊加組網場景的時間源保護策略。該場景在原有同步組網中，疊加時間源下沉組網，組合方式存在不同。

頻率網疊加時間源下沉式組網[6]，如圖4所示，下沉部署的subPRTC可以通過GNSS授時獲得基準頻率和時間信息，同時也能取得頻率網提供的頻率參考信號。匯集層或接入層的承載節點則可以跟蹤subPRTC傳送的頻率和時間信息，同時也能獲得上游核心層頻率網的頻率參考。當GNSS跟蹤丟失時，subPRTC切換到頻率網頻率參考進行守時。當subPRTC出現故障時，下游承載節點則利用頻率網的頻率參考實現守時。需要保證subPRTC和頻率網跟蹤的源頭相同，切換的相位瞬變符合ITU-T G.8262/G.8262.1的規范，能夠保證末端應用正常工作。

圖4 頻率網疊加下沉式組網場景保護示意圖

在集中式組網疊加時間源下沉式組網時，如果疊加組網是為了局部增強同步，多采用分域部署。下沉時間源與同步范圍內的節點，規劃在一個Domain。每個下沉源都會形成一個Domain，相互獨立，且與集中式組網的Domain區分。不同Domain之間是不能直接進行同步信息傳遞的，也就無法直接依靠BMCA實現保護。可以采用多域時鐘傳送方案，將集中式部署的同步域時鐘引入，在下沉時間源衛星跟蹤異常時提供基礎同步保護。圖5所示為多域時鐘傳送示例，屬于域B的時鐘源設備，可以將PTP鏈路接入的域A的時鐘，通過域A的源適配器適配后，送給組合選擇邏輯進行選擇。PRTC正常情況下，會選擇PRTC輸出的參考時鐘通過PTP端口發送到下游域B的網絡；如果PRTC異常，組合邏輯就可以選擇源適配器適配的域A時鐘信息，輸出給下游節點，從而實現保護。域A源適配器只能工作在從時鐘狀態(SlaveOnly)。

圖5 多域時鐘傳送示例

當疊加組網是為了提供同步探針監測和局部備份保護時，下沉時間源本身就是同步網的備用時間源。將核心時間源與下沉時間源劃分到同一Domain內，并配置下沉時間源的優先級低于核心時間源，通過全網BMCA實現同步保護功能。

5 同步網的管控

采用源下沉式部署方案，會給同步網管控帶來不少挑戰。一方面時間源的數量多。集中式部署方式，僅在核心層部署互為主備的兩條時間服務器，采用就近獨立管理的方案即能解決管控需要。而下沉時間源的數量會增加很多，如何管控是一個新的課題。另一方面時間源部署位置靈活，難以規劃。下沉源采用按需部署策略，當下沉時間源數量越來越多時，會帶來部署位置的選擇，同步區域的范圍等規劃問題。由此造成部署場景多樣，關聯配置復雜，采用手工配置方案將變得十分困難。

基于時間源下沉部署帶來的挑戰，對同步網管控方案有以下思考：

首先時間源需要統一集中管控。由于時間源下沉部署后數量多，單獨管控無法滿足運維的要求，集中管控是必然的選擇。而實現集中管控，首先需要標準化時間源的管控接口信息模型，使得任何廠家的時間源設備都能夠接入管控平臺。時間源管控模型的標準化工作正在進行中，可以在信息模型中增加探針監測等信息，為后續的智能化提供可靠的數據來源。而將時間源的管控納入承載網管控體系，則是一種低成本、易實施的解決方案。從實施成本來看，將時間源納入承載網管控體系，相對于時間源獨立組網管控來說實施成本更低。通過平臺擴展，時間源無論是內嵌承載節點，還是外置設備形式，經標準化數據接口，就能在承載管控平臺實現上管受控。外置時間源設備可以通過PTP端口傳送管控數據，但需要經過適配；而內嵌承載節點的時間源則能夠直接作為節點功能模塊被管理，最為簡潔。從同步功能整體性來看，同步鏈路包括時間源、承載節點和末端應用等環節。在不同應用場景，各環節的配置是關聯的，需要統一規劃設置。而在故障處理時，只有對各環節信息進行關聯分析，才能準確定位問題。任何環節的獨立管控，都會帶來配置的不便和同步狀態信息的割裂。承載網管控平面很適合承擔同步網統一管控的角色；引入智能化同步管控平臺是必然趨勢。在統一管控基礎上，人工智能的賦能，能夠解決復雜規劃和配置問題，故障定位，同步巡檢等難題。這也是5G推進組立項研究的課題之一，在本文就不再累述。

6 同步組網方案的實踐和演進

海外運營商承載網絡租用的現象較為普遍，由于中間同步節點難以提供可靠的同步支撐，所以時間源下沉式部署方案成為必然選擇。國內運營商的網絡基本是自有自建，有能力對同步網進行整體規劃。集中式部署方案由于規劃統一，同步覆蓋全面，往往作為基礎部署方案。但隨著城域網規模擴大，同步網重要性提升，單一的集中式部署無法滿足現網部署、運維和安全等需求。國內運營商都在結合自身情況，探索各自的同步網構架方案。

圖6所示為中國電信的時鐘同步部署方案，以其為例進行討論。如圖所示大樓綜合定時供給設備(Building Integrated Timing Supply,BITS)按規劃需能提供頻率+時間服務，等同于PRTC/ePRTC，部分節點還需要提供網絡時間協議(Network Time Protocol，NTP)服務。電信的同步網基于原有同步網進行升級。通過將銫鐘擴展部署到31個省會，升級北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)和全球定位系統(Global Positioning System，GPS)雙模授時，對頻率網進行了增強。在保持NTP服務的同時，還規劃了基于PTP的高精度時間支持。

電信同步網分為省級鐘和本地基準鐘(Metropolitan Primary Reference Clock,MPRC)兩個層面[7]。省級鐘為基準參考鐘(Primary Reference Clock，PRC)一級鐘源頭，主備設置，部署于省會樞紐樓。正常情況下通過GNSS溯源，GNSS失效時由銫鐘提供頻率基準。省級鐘與MPRC之間，受目前技術限制，只規劃了頻率的傳遞。MPRC作用于省內各地市本地網中，規劃了頻率和時間功能：核心樓部署兩臺內置銣鐘的BITS，互為主備，通過GNSS實現授時。頻率和時間信息通過本地網向下傳遞。本地鐘在衛星失效時，能夠依靠省級鐘提供的頻率基準實現時間的長期保持。值得說明的是電信還規劃了本地兩級鐘，按需進行部署，但缺乏實施技術細節。

電信時間同步鏈路規劃建議是正常時間鏈路同步節點跳數應小于10跳，特殊情況下應小于20跳。同步節點電信邊界時鐘(Telecom Boundary Clock，T-BC)須滿足ITU-T G.8273.2 規定的 Class C或更高精度等級，保證末端應用時間偏差相對于協調世界時(Coordinated Universal Time，UTC)小于±1.5 μs，頻率信號頻偏小于 50 ppb。對于跳數越限場景以及更高精度需求場景，暫未給出解決方案。

圖6 中國電信時鐘同步部署示意圖

上海電信與烽火通信合作，基于現網OTN平面完成了5G時間同步在電信網絡的首次規模商用。通過現網實際部署和測試，對局部快速部署和同步設備疊加組網等場景進行了驗證。圖7所示為本次同步網部署方案示意圖，其中在康健和控江兩節點各部署了一臺PRTC，通過跟蹤衛星實現授時，并采用主備組網保護模式。位于康健的主用PRTC，將頻率和時間信息注入同機房的OTN設備，通過光監控通道向下游節點傳遞。當康健的PRTC出現故障時，同步網絡會自動切換跟蹤位于控江的PRTC。為了增強同步網的可靠性，后期在武勝又設置了主用PRC，配置銫鐘；在信息園區設置了備用PRC。在兩層同步保護構架下，能夠應對更多的故障場景。特別是當衛星系統全面失效時，基于銫鐘的主PRC可以通過OTN透傳通道為其他同步設備提供穩定的頻率參考，實現長期時間保持，可以保證5G基站穩定運行。

圖7 上海電信時鐘同步部署示意圖

基于同步網當前的部署實踐，結合同步網技術的發展，對下沉源應用可能的演進方向進行分析。

隨著同步技術應用興起，在早期同步網難以規模部署的階段，時間源下沉式部署為局部同步，以及應對地鐵和大樓等無法接入GNSS信號場景的快速解決方案。

隨著同步網規模部署，采用時間源集中式部署能提供基礎的地面同步服務，而時間源下沉可以用于解決以下問題：一個是滿足超大城域部署需求。由于基于現有技術帶來的同步網跳數限制，使得單一集中式部署方案無法滿足超大規模同步網的部署。源下沉分域部署或分級部署可以很好應對該場景。另一個是局部超高精度同步需求。集中式部署方案的同步性能是基于統一規劃的，實施后會保持穩定，但也難以提升。對于逐步出現的100 ns級甚至更高同步精度需求會難以滿足。可以采用源下沉為需要的應用提供局部的高于同步網基礎精度的同步服務。

隨著同步網應用規模擴大，精度要求提高，對同步網可靠性要求也會相應提升。下沉部署時間源，作為同步探針是一種可行的技術方案，其可以為管控平面提供準確的同步監測數據，滿足同步運維需要，且在上游同步鏈路故障時，可以作為備用時間源接入，保證下游同步功能的正常。

隨著同步技術的發展，核心層的時間源與下沉部署的時間源之間，甚至是省會鐘與本地鐘之間，不同運營商的省會鐘之間，都能夠采用新的技術方案(如：共視技術和光纖授時技術)實現同步組網連接。下沉源會成為最貼近末端同步應用的時鐘單元，為同步網實現廣域的超高精度授時及更精確的同步監測提供了一種解決思路。實際上時間源組網正在成為一個新的研究課題。

7 結束語

作為5G同步網組網方案中重要的組成，時間源下沉式組網方案在實現同步網的局部快速部署、高精度部署上具備優勢，體現的是同步按需部署的思路。單一化的組網方式很難滿足未來的同步組網需求，結合下沉式部署的組合組網，能夠為更大規模、更高精度和易維護的同步網提供可行的解決方案。

本文結合業界相關研究課題，針對時間源下沉部署中，部署思路、同步域管理和同步保護策略等尚未明晰的技術問題進行了分析討論，給出了BMCA決策、Domain分域、頻率增強保持和多域時間傳送等解決方案，并提出了時間源統一納入承載網統一管控的建議。

受文章篇幅限制，技術方案描述未能詳盡。本文旨在能夠呈現筆者對時間源下沉部署的技術思路，為業界相關的課題研究和組網實踐提供參考。