通信同步網的演進以及BDS 改造策略

楊 朝 高凌翔

中通服咨詢設計研究院有限公司

0 引言

在現代通信網絡中，同步技術是確保通信設備和系統之間正確協同工作的重要組成部分，是實現高速數據傳輸、低延遲通信以及聯網設備之間協同工作的基礎。同步網能夠提供高精度的時間同步和頻率同步，使得設備能夠相互協調并按時交付數據，從而實現高效的通信和協同工作。隨著5G 網絡的逐步完善，對更大帶寬、更低延遲、更廣連接、更高可靠性的需求也越來越強烈，原本基于GPS 作為主用時鐘源的同步網也要與時俱進以適應業務承載。當前我國自行研制的北斗衛星導航系統（BDS）已趨于成熟，為了提升業務安全性，同步網將升級改造為支持BDS 和GPS 的雙模授時同步網，需對現網的架構及承載網進行改造[1]。

1 同步網現狀

同步網是一種能夠提供精確時鐘同步和時間參考的網絡系統。它的基本目標是確保各個設備在同一時刻具有相同的時間參考，從而實現數據的有效交換和協同工作[2]。同步網技術可以分為時間同步和頻率同步兩個方面。時間同步是指在網絡中各個節點之間保持相同的時間標準，以確保事件發生順序的一致性。頻率同步則是確保節點之間的振蕩頻率一致，以保證數據傳輸速率的準確性。這兩者緊密關聯，互為支撐，是現代通信網絡中的基礎。

從最早的電路交換網絡到如今的IP 網絡，同步技術一直在不斷演進，以適應不斷增長的通信需求。在早期的電路交換網絡中，同步問題相對較為簡單，因為網絡資源在通話時預分配，時鐘同步要求相對較低。然而，隨著數據通信的興起，包交換網絡成為主流，要求有更高的時間和頻率同步精度，數據包的傳輸不再預先分配資源，而是根據需要進行動態分配，這就要求節點之間的時鐘同步達到毫微秒級甚至更高的精度[3]。

1.1 同步網設備分類

同步網可以借助多種方法和技術來實現精確同步，包括物理實體時鐘、網絡同步協議和時鐘算法等。同步網絡通常由多個節點組成，包括主時鐘、輔助時鐘、同步接口和網絡連接。主時鐘是同步網的核心，負責提供精確的時間參考信號，并進行時鐘同步處理。輔助時鐘作為補充，可以提供備用的時間參考和時鐘同步服務。同步接口則用于連接各個設備和時鐘，并傳遞同步信號。

我國數字同步網由四級結構組成，采用組網靈活、穩定性強的分區式主從同步結構，并用一個基準時鐘進行控制。第一級為基準鐘(PRC， Primary Reference Clock)，由銫原子鐘+BITS 組成，是我國數字網中精度最高的時鐘，銫鐘頻率精度一般優于0.001ppb (10-12)，是其他所有時鐘的基準[4]。銫原子鐘是一種精密的計時設備，它利用銫原子的共振頻率來產生時間標準。這種時鐘的精度非常高，可以用來產生精確的時間信號，從而確保數字網絡的穩定性和可靠性。

第二級是高精度區域基準時鐘LPR（Local Primary Reference)，由衛星系統+內置銣鐘的BITS 組成，可達到一級鐘的標準(10-11)，在衛星系統故障時，它將降至2 級時鐘，銣鐘頻率精度一般優于10 ppb(10-8)。LPR 一般優先追蹤衛星信號，但在衛星信號丟失或信號弱時會自動切換成從PRC 獲取時鐘信號源。

第三級是有保持功能的高穩定度晶體時鐘（BITS，Building Integrated Timing Supply），能夠提供納秒級別的時間精度，由二級時鐘或其他BITS 處獲取時鐘源，一般設置在匯接機房。BITS 可以兼具時間服務器功能，利用衛星系統授時，同時提供時間和頻率輸出功能，可輸出2M、SyncE+PTP、1pps+TOD 等接口，并具有守時功能的設備(依賴內置鐘或晶振，或外部鐘頻率輸入)，其頻率基準源的精度越高，守時能力越強。

第四級是一般晶體時鐘，一般內置于數字設備內部，下掛于三級BITS 時鐘，在拓撲中一般不體現。

同步網結構圖如圖1 所示。

圖1 同步網架構圖

1.2 現網存在的問題

現有時鐘同步網、4G 基站等均以GPS 作為主用時鐘源，僅能實現交換網頻率同步以及IT 支撐系統的NTP（（Network Time Protocol））時間同步，不支持北斗衛星導航系統，也不能滿足亞微秒級別的PTP（Precision Time Protocol）時間同步需求[3]。此外，現有的時鐘同步網設備老舊，超過設備使用年限，新業務支持能力差，亟待進行更新。

綜上，為保證通信網絡在GPS信號失效時仍能正常運轉，同時支持PTP 能力，需要將現有同步設備進行更換，以支持GPS 和北斗衛星導航系統雙模授時，另外還需對承載同步信號的承載網鏈路進行升級改造，為移動網、承載網、核心網等提供同步信號源[3]。

2 改造方案

2.1 時鐘設備改造

傳統同步網架構由PRC+LPR+本地BITS 組成，當時主要考慮銫鐘為進口設備，設備造價較高，因此減少了PRC 數量，以LPR 為省級一級鐘，LPR 在GPS 失效時會降級為二級鐘。但隨著銫鐘的國產化帶來的價格下降，銫鐘可下沉至省一級，因此本次時鐘改造將原本的三級架構（區域、省、本地），簡化為兩級架構（省、本地），再依托本地IPRAN/STN 網絡將本地鐘時間和頻率信號傳輸至末端的4G、5G 基站[5]。最終改造后的拓撲結構如圖2 所示。

圖2 改造后同步網架構圖

本次以省為單位進行改造，更新改造同步網設備，對承載同步信號的承載網鏈路進行升級改造，統一為移動網、承載網、核心網等提供時間和頻率同步信號源。

設備的具體布置如下：

（1）省級層面：部署PRC 銫鐘一套，一方面在衛星同步信號失效時以此作為地面頻率基準源，另一方面兼做省內NTP 一級時間服務器，為各網絡系統提供同步信號[5][6]。

（2）本地層面：部署LPR 或MPR 且成對設置BITS，用于本地PTP 時間服務器，并且給本局站的TDM 網元、WDM/OTN 及SDH 等系統提供頻率同步[6][7]。

2.2 承載網同步鏈路改造

時鐘設備布置好后，需要由承載網將時間信號和頻率信號傳輸至末端的4G、5G 基站。當前承載網中STN/IPRAN 網絡中的ER、B、A 設備均支持業務流傳遞SyncE+PTP(1588v2)信息，WDM/OTN 系統中，僅有個別廠家支持頻率信號，時間信號均不支持。

基于此種狀況，需要分場景針對性改造鏈路。5G 基站、5G 覆蓋區域內的4G 基站以及需支持時間同步的基站對時間同步精度要求較高，需達到±1.5μs，此類型業務現有波分系統不能透傳STN/IPRAN 鏈路，應在綜合考慮升級WDM/OTN系統或布放光纜的時效性和經濟性，擇優選擇改造方案，最小程度干擾先行業務。

改造后承載網的組網結構如圖3 所示。

圖3 承載網同步鏈路改造組網

BITS 時鐘設備采用GE 接口對接城域ER，將時間和頻率同步信息接入承載網中，SyncE 和PTP 消息可在同一個GE 接口中隨業務流帶內傳遞，B 和A 設備通過BMC 算法優選時間同步主master，通過SyncE 逐跳鎖定頻率同步信息，該方案須保證每條鏈路上下行光纖嚴格對稱，部署時必須同纜[8]。

在此架構下，省到市的業務鏈中，省干波分僅需傳遞省鐘-本地鐘的頻率同步用于衛星系統失效時，本地鐘跟蹤省級鐘，獲取銫鐘自振頻率，并以此進行授時；市到縣的業務鏈中，ER-B 的時鐘源為IPRAN/STN 業務流，市縣波分需具備時間+頻率能力；縣到鄉的業務鏈中，B-A 及A-A，時鐘源為IPRAN/STN 業務流，如IPRAN/STN 承載于縣鄉波分，則縣鄉OTN 需具備時間+頻率能力；IPRAN/STN 基于光纜的業務流方案改造成本遠低于縣鄉波分改造，市區和縣鄉以改造IPRAN/STN 為主，波分最多不超過20%站點考慮；對于WDM/OTN 承載的STN/IPRAN 鏈路，則改造為支持SyncE+PTP 業務流能力的鏈路。

3 改造成效

截至目前，北方某省已按照上述改造方案對省內所有地市進行了同步網改造。絕大部分基站已支持BD 授時，但是由于PTP 協議要求收發信號嚴格對稱，從核心層到接入層基站的收、發的光纖物理長度不一致就會導致同步信號誤差，因此少量基站所在的鏈路仍在改造調測中，采用單纖雙向模塊替換原有模塊。

在改造完成區域進行抽測，在BD 授時的模式下，WDM/OTN 和IPRAN/STN 的時鐘輸出接口信號偏差相較于世界標準時間偏差小于±1.5μs，且頻率同步信號偏差在50 ppb 以內，滿足業務要求。同時，基站及IPRAN/STN 側雙模授時主備倒換已納入基站開通標準配置，后續新開基站也將自動支持GPS/BD 雙模授時[8]。

4 結束語

同步網是通信網絡的關鍵基礎設施，BDS 的加入可以使同步網更加可靠，更加自主可控，實現衛星信號冗余備份保護，對于我國網絡安全是一個極大的增強。盡管改造過程中會遇到如承載網設備協議不支持、收發鏈路物理長度不一致等諸多問題，但實踐證明目前的改造措施是行之有效的，問題的攻克僅是時間問題。相信支持BDS 的同步網定能在精度、安全性、可靠性、可服務性等方面有質的提升，更好地服務未來廣闊的市場。