PTN承载高精度时间同步协议技术研究

    随着移动通信技术的发展，网络对时间同步的要求越来越高。CDMA2000、时分同步码分多址(TD-SCDMA)、时分长期演进(TD-LTE)基站都需要高精度的时间同步。TD-SCDMA规定的时间同步指标为±1.5 μs，采用本地时钟授时或频率同步网守时等方式均无法满足要求，而采用每个时分(TD)基站加装全球定位系统(GPS)的方式则面临施工难、成本高和不安全等弊端。

    利用同步协议通过光纤系统传输高精度时间同步信号将是未来的主流技术。

    高精度时间同步信号地面传输的关键技术主要包括2个方面：一方面是高精度时间协议，另一方面是对传输中引入的时延和抖动进行补偿的技术。基于网络时间协议(NTP)技术的时间同步网精度在数十毫秒数量级，无法满足TD要求。IEEE 1588v2协议采用延时-请求响应机制，通过同步消息计算出从时钟与主时钟之间的时间偏差，达到时间同步的目的。通过硬件打时间戳和采用边界时钟/透明时钟来补偿网络组件或协议栈引起的时延和抖动，IEEE 1588v2协议能够达到亚微秒级的同步精度。

    IEEE 1588原本是为工控机之间的同步需求而设计的高精度时间同步协议(PTP)。当应用于大规模的电信网时，其精度、不同模式、维护管理和高精度时间同步协议(BMCA)等还需要进一步研究。

    本文对采用分组传送网(PTN)承载IEEE 1588v2提供时间同步的精度影响因素进行了分析，通过实验和试点测试初步验证了PTN承载1588v2提供高精度时间同步信号的可行性，并对PTN承载1588v2的不同模式进行了比较[1-5]。

1 影响时间同步精度的关键因素
    IEEE 1588v2采用主从时钟方案，周期发布时 钟。接收方利用网络链路的对称性进行时钟偏移测量和延时测量，实现主从时钟的频率、相位和绝对时间的同步。在1588v2报文传送过程中，由于每个传输节点要进行时间戳处理，相应会引入时延和抖动，因此传送网的跳数会影响时间同步信号的精度。在分组传送网中，由于采用了存储转发机制，分组时延差(PDV)对于时间精度可能有很大影响。对于边界时钟(BC)和透明时钟(TC)模式，由于在PTP包头中引入了修正字段(CF)来记录和补偿节点处理时延，因此可以很大程度降低PDV的影响。对于纯透传模式，业务负载和包长都将影响时间精度。此外网络保护倒换、信号劣化、温度变化、频率同步等各种因素也都可能影响时间同步精度。

1.1 跳数影响
    在BC模式下，由于在每个节点终结PTP报文，因此上一级节点的PDV影响不会累积，对时间精度的主要影响是输出端口的队列。此外，由于每一级时钟都需要同步于主时钟，因此在时钟恢复过程中会引入漂移，并且这种低频漂移会累积。

    对跳数影响的测试平台如图1所示。所有PTN节点配置为BC模式并且通过同步吉比特以太网(GE)接口互联。DUT1通过1PPS+ToD接口与GPS接收机相连。时间测试仪比较DUTn与GPS的时间误差。

    不同跳数下的时间误差如图2所示。在10跳情况下测试了9个小时，时间误差范围为-120.3 ns～131.5 ns，峰峰值为252 ns；在20跳情况下测试了9个小时，时间的误差范围为-61 ns～192 ns，峰峰值为253 ns；在30跳情况下测试了4个小时，时间误差范围为-239.3 ns～26.8 ns，峰峰值为266 ns。可以看出在不同跳数情况下，时间精度差别不大，噪声模型接近于随机发布。

1.2 PDV对纯透传模式的影响
    将图1测试平台的各个PTN节点配置为纯透传模式，分别采取无负载和加载90%的负载。90%的负载时包长分别为64字节、576字节和1 518字节，输出时间的误差峰峰值分别为250 ns、450 ns、3 200 ns和10 μs，得到PDV对纯透传模式的影响如图3所示。可以看出，负载越大、包长越长对时间同步精度影响越大。如果要采用纯透传模式提供高精度时间同步信号，还需要针对PDV进行很多优化。

1.3 网络倒换的影响
    当时间源、链路和时钟板发生倒换时，会引起频率和相位的跳变，可能会影响到时间精度。经测试，时间源倒换会引入6 ns的时间误差，光纤线路倒换引入26 ns的时间误差，时钟板倒换引入13 ns时间误差。网络倒换对时间精度的影响如图4所示。可以看出，网络倒换对时间精度影响均在30 ns以内，在指标分配中留有50 ns余量即可。

1.4 信号劣化和温度变化的影响
    当信号发生劣化时，会引起丢包率的提高。当外界温度发生变化时，可能会影响到时钟的性能，从而影响时间精度。当插入误码为1×10  -3时，时间误差峰峰值仍然在110 ns以内，与无误码时性能相同。当PTN节点温度从-10℃变化到50℃时，时间误差峰峰值在40 ns以内，且时间变化与温度变化并不一致。

1.5 频率同步对时间同步的影响
    PTN可以通过同步以太网从物理层获取时钟，也可通过1588v2报文恢复时钟。当PTN通过同步以太网获取频率同步，而通过1588v2获取时间/相位同步时，可以称之为紧耦合方式；当PTN通过1588v2同时恢复频率同步和时间/相位同步时，称之为松耦合方式。

    紧耦合和松耦合情况下的时间同步性能如图5所示。图5显示了两种方式在正常情况下的时间精度。紧耦合情况下时间误差峰峰值为22 ns，松耦合情况下时间的误差峰峰值为67 ns，可以看出其性能一致。
紧耦合方式下，频率同步对时间精度的影响如图6所示。当频率处于保持状态时(频偏为5×10  -9)，输出的时间误差峰峰值为100 ns；频率处于自由振荡状态时(频偏为3.8×10  -8)，时间同步信号丢失。

    可以看出这两种方式各有优缺点。当采用紧耦合方式时，频率同步信号劣化和丢失将影响时间同步信号；当采用松耦合方式时，则各个PTN的本地时钟跟踪1588v2时钟的时间会大大增长。此外，采用松耦合方式，需要提高1588v2报文的频率，增大了网络负荷，因此一般采用紧耦合方式。

2 BC模式下时间同步的长期稳定度
    为了验证PTN承载1588v2在大规模网络情况下的长期稳定度，特在现网进行了试点。试点网络包含3个核心PTN节点、3个汇聚PTN节点和58个接入PTN节点。每个接入节点均带一个TD-SCDMA基站。如图7所示。所有PTN节点均采用BC模式。所有光纤段落都对时延不对称性进行了补偿。频率同步通过同步以太网获取，时间接口包括1PPS+ToD接口和快速以太网/千兆比以太网(FE/GE)接口。

    当采用FE接口时，72小时的时间误差峰峰值为65 ns，如图8所示。其最大时间间隔误差(MTIE)和时间偏差(TDEV)如图9所示。可以看出时间输出非常稳定，噪声接近于随机分布，且相对较少。

3 结束语
    对于TD-SCDMA和TD-LTE等无线系统，采用GPS提供时间同步面临施工难、成本高和不安全等弊端。利用同步协议通过光纤系统传输高精度时间同步信号将成为主流技术。目前，采用PTN承载1588v2提供高精度时间同步已经初步具备可行性。由于现网中许多光纤段落不对称，因此应该进行逐段补偿。BC和TC模式均可以很好地消除PDV的影响。相对而言BC模式更加简单。目前，关于时间同步在电信网络中应用的标准还不成熟，对时间同步的应用经验也不丰富。相信时间同步会率先在PTN网络中得到应用，将来光传送网(OTN)和无源光网络(PON)承载高精度时间同步也会得到广泛应用。

4 参考文献
[1] Report of the Lannion SG15/13 interim meeting[R]. WD03, ITU-T SG15 Q13. 2009.
[2] LI Han, HAN Liuyan. Analysis of time synchronization performance using PTP in hybrid transport network[R]. CMCC, WD64, ITU-T SG15 Q13. 2010.
[3] LI Han, HAN Liuyan. Proposal of accelerating MTIE and TDEV model study for time synchronization[R]. CMCC, WD63, ITU-T SG15 Q13. 2010.
[4] LI Han, WANG Lei. Test and analysis of time synchronization using 1588v2 for transport network[R]. CMCC, C599, ITU-T SG15 Q13. 2009.
[5] LI Han, WANG Lei. Time distribution model using 1588v2 for performance indication[R]. CMCC, C601, ITU-T SG15 Q13. 2009.

收稿日期：2010-03-16

[摘要] 对于时分同步码分多址(TD-SCDMA)和时分长期演进(TD-LTE)无线系统，采用全球定位系统(GPS)提供时间同步具有施工难、成本高和不安全等弊端。利用同步协议通过光纤系统传输高精度时间同步信号将是主流技术。文章对采用分组传送网(PTN)承载IEEE 1588v2提供时间同步的精度影响因素进行了分析，通过实验和试点测试初步验证了PTN承载1588v2提供高精度时间同步信号的可行性，并比较了PTN承载1588v2的不同模式。

[关键词] 分组时延差；边界时钟；透明时钟；高精度时间同步协议

[Abstract] For Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access (TD-SCDMA) and Time Division Long Term Evolution (TD-LTE) wireless systems, using a global positioning system (GPS) to provide time synchronization is problematic. In these wireless systems, GPS is costly, difficult to deploy, and insufficiently secure. Nowadays, transportation of high precision time/phase synchronization signals through Precision Time Protocol (PTP) fiber systems has become mainstream technology. This paper analyzes the main factors affecting the performance of time synchronization through Packet Transport Network (PTN) carrying IEEE 1588v2. In light of laboratory and field trial tests, the possibility of transporting high precision time/phase synchronization signal through PTN carrying 1588v2 is proven. Finally, this paper compares the different models of 1588v2 in PTN.

[Keywords] packet delay variation; boundary clock; transparent clock; precision time synchronicationprotocol