TD-SCDMA系统基站回传中的同步

韦宇鹏，周桂虔，高宇晨

新邮通信设备有限公司

1 引言

根据TD-SCDMA空中接口要求，各基站间时间精度相差不超过3 μs。在传统的应用中，所有时间同步都采用基站直接外挂GPS接收器的方式。此方式成本较高，安装、施工、维护困难，也存在资源使用安全隐患。为了解决这个问题，基于以太网的IEEE 1588（简称1588）精确时间协议（precision time protocol，PTP）得到了极大的重视和迅速的发展。

IEEE 1588同步系统是一种主从同步系统。在系统的同步过程中，主时钟（Master）通过PTP报文周期性发布时间信息，从时钟（Slave）接收主时钟发来的时间信息，据此计算出主从线路时间延时及主从时间差，并利用该时间差调整本地时间，使从设备时间与主设备时间保持频率与相位的一致。1588协议协商流程如图1所示。

目前现网基站回传多采用MSTP的承载方式，即基于SDH构建多业务刚性管道。MSTP的内核是传统的电路交换，适合于承载语音等TDM业务，但是随着数据业务的不断增多，业务的全IP化已经成为事实。MSTP在承载大颗粒IP业务方面，不支持统计复用，效率低下，不适应IP数据业务带宽突发性高的特点，不利于未来的业务扩展和网络升级。在这种情况下，更适应IP业务的分组化传输网（PTN）逐步成为基站回传网络的主流。

PTN传承了以太网的经济和简洁，吸收了ATM的分组化思想，基于MPLS标签的灵活性，继承了SDH强大的OAM能力，正表现出越来越旺盛的生命力。由于PTN的传输介质为以太网，因此可以天然支持1588精确时间协议。

2 网络模型与时间偏差

采用PTN网络承载基站回传业务的同时，将1588技术移植到PTN网络中，则可以充分利用1588微秒级的传递精度实现RNC到各基站的同步时间分发，把GPS接收器集中上移到RNC侧，这样不仅能降低系统组网成本，而且也降低了安装维护的困难。典型的PTN、1588和TD-SCDMA组网拓扑结构如图2所示。

RNC侧和基站侧的实现比较简单，一般RNC侧配置时间同步设备，工作于OC Master模式；基站侧工作于OC Slave模式，通过接收PTN设备传递的PTP报文获取时间信息。

PTN支持设备1588协议，可以有以下三种方案。

第一种是给PTN配置外置时间设备，由PTN给相连接的基站授时，此时PTN设备工作在OC Master模式。此模式实现简单，结构清晰，但是需要为每台PTN设备配置额外的时间设备，同时并未真正实现全网时间同步，所以仅作为网络改造的过渡性方案。

第二种方案是PTN接收PTP报文，按照正常协议报文转发，即PTN设备工作在非PTP节点模式。此模式下PTN设备不需要承担额外的工作，实现简单，但一旦网络负载加重，其时间质量将无法保证。对此模式的改进措施是：PTN设备区分PTP报文，考虑本设备处理延时，将此延时补偿到PTP报文的时间戳内，这种工作方式就是1588协议内的TC模式。

第三种方案是PTN接收来自上级设备的PTP报文，解析报文并得到上级的时间信息，相对于上级设备，PTN设备工作在OC Slave。同时，PTN设备生成自己的PTP报文，并通过1588协议将此报文送往下级设备，相对于下级设备，PTN设备工作在OC Slave。这种工作方式就是BC模式。

要分析PTN应用于基站回传时1588精确时间协议的性能，就要先分析时间偏差是如何产生的，以一个最简单的网络模型为例说明，如图3所示。

网络设备A，工作于OC Master模式；网络设备B，工作于OC Slave模式。两者通过PTP报文的交互，将A的时间信息同步到B。1588协议的时间计算公式内部包含一个重要的假设：（即A至B、B至A其传输时间是一致的）

实际网络中，两端的硬件处理时间并不相同，PTP报文在物理链路中的传输延时也不相同，与总是存在一定偏差。设定，则就是由于传输路径不对称而引入的偏差。包含两部分分量，静态偏差和抖动偏差。为理想状态下，A、B间因物理介质和ASIC处理速度不同造成的静态不对称偏差。为由于网络变化或硬件队列变化引起的动态不对称偏差。造成网络设备B的同步时间与理论值之间存在一个固定差值，表现为一个离散量，造成同步时间在两侧反复抖动。

理想状态下，PTP报文发送的周期是恒定的，同类PTP报文之间相隔固定的时间差。但是实际情况下，网络设备A的频率并非恒定，频率的抖动就造成PTP报文的间隔时间存在一定的离散性。网络设备B同步一个PTP报文间隔时间不断变化的时间源，结果就是其得到的时间信息随着PTP报文的间隔时间不断变化，也呈现出一定的离散性。通过算法，可以降低此离散性的影响，但无法完全消除，因为理论上不存在一个标准的间隔时间差作为参考。这个偏差记为 Δty。

我们发现Δtx在实际网络中的影响也可以等效为PTP报文的时间间隔差，因此合并 Δtx和 Δty，记为 Δt，得到了1588的偏差时间t=t0+Δt，其表现如图4所示，最终的时间偏差会在阴影范围内浮动。

3 1588硬件实现

要进一步分析和，需要探讨1588模块的具体实现。

在一个同步设备实现1588协议栈的软硬件架构中，主要考虑发送、接收PTP事件消息的时间点产生的时间戳，这个时间戳的精度将对系统同步精度产生较大影响，理想的时间戳值应该是PTP事件消息刚好穿过PTP节点和网络的边界处的时间。所以在PTP的实现中，时间戳的产生越靠近物理层，相对的时间精度越高，在分析1588同步系统的时延精度时，硬件如何支持时间戳的产生是影响时延精度的重要因素之一。目前主流的硬件实现方案有三种，如图5所示。

方案一是通过物理层的PHY芯片完成PTP报文的获取以及时间的标记，将标记好的PTP报文信息通过专用接口送到算法处理模块，其余报文送往业务处理模块。此时，引入的同步时间偏差包含：传输路径造成的静态偏差t0，本端PHY芯片与远端PHY芯片的频率偏差Δt1，即：t=t0+Δt1。

方案二是通过专用MAC芯片 （FPGA或ASIC）完成PTP报文的获取以及时间的标记，与第一种方案相比，同步时间偏差增加了因专用MAC芯片造成的频率偏差Δt2，即：t=t0+Δt1+Δt2。

方案三依靠报文的MAC地址区分PTP报文，使用Switch将PTP报文送往1588专用处理模块，而专用处理模块集成时间戳模块和算法处理模块，完成1588协议的相关处理。与前两种方案相比，除了静态偏差t0、PHY引入的频率偏差Δt1、Switch引入的频率偏差Δt2、专用处理模块引入的频率偏差Δt3，还包括由于Switch流量不均衡造成的转发时间偏差。转发时间偏差影响PTP报文的时间间隔，因此也可以等效为频率偏差，记为 Δt4，即：t=t0+Δt1+Δt2+Δt3+Δt4。

对比三种实现方案，第一种方案的精度最高，但要求物理层芯片能够满足PTP协议的相关要求，一般由PHY芯片供应商提供专用PHY芯片，配合CPU或FPGA作为算法实现模块；第二种方案精度与第一种相差不大，一般由转发芯片供应商提供专用MAC芯片；第三种方案引入的Δt4是一种基于网状网络的延时，受流量影响大，在流量负载较小的情况下，Δt4会趋近于0；在流量负载较大的情况下，Δt4会迅速增加，甚至成为影响1588协议时钟精度的主要原因，但此方案的优势在于不改变原硬件、软件架构，可实现平滑升级。

4 频偏时延分析

首先分析频率偏差的影响，工作在主从模式下的两台设备各使用本地晶振来获取时间，影响时延精度的一个重要因素就是晶振频率误差。对高稳晶振的时频误差分析可以使用阿伦方差的分析方法，阿伦方差的定义是：

其中yn表示在第n个 采样周期上的平均频率偏差，尖括号表示在一段有限时间内的平均：

xn为采样点n处测得的时间（相位）误差，对某时钟稳定度的度量可以用前后两个 时间间隔上的平均频率偏差的差值来反映，将式（2）代入式（1），可以得到：

阿伦方差的值越小，意味着相应的时钟稳定度越好。

在一个主从时间同步系统中，如果已知主、从设备晶振的阿伦方差σy()以及两设备间时间同步消息的收发周期Tsync，则有可能算出由于晶振误差造成的系统时间误差：对阿伦方差在Tsync上积分一次，加上一个固定的频率偏差值，可以得到经过 Tsync后的频率偏差 y（t），对 y（t）积分，加上固定的时间偏差值，则可知经过Tsync后的时间误差值，假设时间偏差值可以通过PTP算法得到补偿，且主从设备的晶振统计独立，则经过Tsync后的时间误差值：

其中yM和yS分别表示主从设备的频率偏差。从式（4）可以看出，影响一个主从时间同步系统时间误差的因素除了主从设备的晶振阿伦方差外，设备间时间同步消息的收发周期Tsync也是一个重要的影响因素。

图6为分别采用两种不同精度的晶振作为主从时钟，对应不同Tsync测得的时间误差值。从图中可以看到精度越高的晶振在相同的同步周期Tsync下误差越小。对于同一晶振来说，为了物理实现上的简化，希望同步周期Tsync越大越好，在图中曲线开始上升的拐点则意味着无法再通过提高时间信息的收发频率来提高系统性能，随着同步周期Tsync的增加，误差开始增加，因此这个拐点对于设计PTP同步周期具有指导意义。

5 网络时延分析

以图 7为例分析网络的时延，A为 OC Master，C为OC Slave，B为线路节点，实际网络中B节点可视为一个网状网络系统。B节点转发时的流量负载不均衡，会影响PTP报文的时间间隔，等效于引入了新的偏差量Δt5。同时，由于网状网络中，A与C之间的转发路径变化，等效于产生了新的静态偏差和抖动偏差Δt6。相比于单节点的静态偏差t0，t1远大于t0，合并两个变量并将新的变量仍然标记为。最后得出实际网络中的1588时间精度偏差：

其中，t0为收发不对称造成的静态延时，Δt1为PHY的频偏引入的抖动延时，Δt2为MAC芯片频偏引入的抖动延时，Δt3为专用1588处理模块频偏引入的抖动延时，Δt4为Switch芯片转发引入的延时，Δt5为网状网络转发延时，Δt6为转发路径变化造成的延时。

随着网络的增大和PTP报文跳数的增加，1588精确时间协议的累积偏差呈上升趋势。从主时钟源到基站之间有两种时钟组网方案：边界时钟和透明时钟，其区别主要在传递时间信息的网络设备是工作在BC模式还是在TC模式。

工作在边界模式的时钟网络，可以视为多个主从设备的级连。在这个网络中，时间误差产生的原因是每级主从设备时钟晶振频率误差造成的时间抖动误差。所以，边界时钟网络在网络最远端的时间误差TD可以表示为：TD=∑N-1TXO，其中N为网络中的设备数，TXO为主从设备间由于时钟晶振频率误差造成的时间抖动误差。如果B节点工作于BC模式，则B节点同步A节点时间到本地后，根据本地时间再生成PTP报文与C节点交互，实际的PTP报文并未经过B节点转发，因此Δt5近似为 0。

工作在透明模式的时间网络系统，时钟设备如何获取本地时延将是影响系统时延误差的重要因素，在PTP协议中介绍了两种方法：①通过估计主时钟频率来计算本地时延；②使用自由运行的本地时钟频率来计算本地时延。如果B节点工作于TC模式，则理论上可以将B节点视为透明的伪线，不会引入额外的频率抖动Δt5。但是实际情况中，TC模式严重依赖于硬件实现，引入了内部处理的误差，特别是专用芯片对PTP报文的过滤和处理速度，并且TC模式下PTP报文仍然会通过B节点内部的网状网络进行转发，因此TC模式难以完全消除的Δt5影响。

6 时延的消除与建议

15 88协议时延的消除，依赖于硬件设计和网络规划两个方面。

硬件架构设计中，尽量采用图5中的方案一，通过PHY直接处理 PTP报文时间戳信息，可以屏蔽 Δt2、Δt3、Δt4带来的影响，如果采用其他方案，尽量选择较高精度的晶振，并提高PTP报文发送频率。通过引入同步以太网技术，可以减小由于PHY频偏造成的偏差Δt1。一般提供给PHY芯片时钟精度为几十ppm，而同步以太网可以达到的时钟精度为0.05 ppm，Δt1的影响可以大幅减小。

在PTN网络中，由于面向连接，采用固定LSP转发，转发路径不会发生变化，因此Δt6恒为0。网络规划时只需要考虑网状网络延时Δt5和静态延时t0的影响即可。

对于Δt5，按照图7的网络拓扑，当中间节点B工作在BC模式时，Δt5恒为0。网络简单、负载较小的情况下，中间节点工作于BC、TC性能差异不大，但随着网络的复杂化，由于TC模式严重依赖于硬件实现，Δt5的影响将被逐渐放大。如果节点B为非PTP节点，可以考虑A节点的PTP报文使用专用VLAN，封入专用伪线，B节点采用高优先级方式转发此伪线的信息，以尽量减小Δt5的影响。

t0受网络环境制约，在单点情况下影响很小，但是当网络扩大、跳数不断增加、环境不断复杂后，t0的离散度将逐渐放大。1588时间域越大，网络环境越复杂，t0离散度越大，对1588时间精度产生的偏差影响也越大。解决办法是各网元尽量采用专用PTP节点，特别是避免PTP报文经过无法保证优先级和带宽的网元。同时网络内安排BC节点，将一个较大的1588时间域分割为数个较小的1588时间域。t0偏差是可补偿的，可以在建站时测试实际网络中的偏差给予补偿，也可以根据某些动态算法适时调整。

对于基站设备，应用场景简单，多工作于OC Slave模式。相对目前的转发交换ASIC，网络负载流量较小，产生的偏差Δt5影响也较小。同时基站作为1588时间协议的最终端，容许的偏差范围也较大。因此可以根据情况，灵活选择解决方案，但尽量不要将交换系统前置，同时尽量采用同步以太网技术。

对于PTN设备，由于网络层次较高，网络负载流量大，因此建议配置为PTP节点，并采用图5所示的硬件方案一，同时必须使用同步以太网。PTN设备应尽量屏蔽内部交换系统带来的影响，由于此偏差随负载的增大而增大，因此对于汇聚层和接入层设备，要求不同——汇聚层设备由于负载流量较大，现阶段应采用BC模式；接入层设备可以根据流量实际情况灵活选择。特别需要说明的是，有条件的接入层PTN设备可以选择采用TC+OC的模式，以避免1588时间域过多，合理划分时间域，此模式的另一个好处是，现网中接入层多采用双归属的方法，通过两个核心节点接入汇聚层，因此此模式下每个接入层PTN设备都可以接收到两个汇聚层核心节点的时间信息，可以实现多主情况下时钟源的选择和保护。

1 龚倩，徐荣，李允博等.分组传送网.北京：人民邮电出版社，2008

2 Allan D W,Ashby N,Hodge C C.The Science of Timekeeping Application Note 1289,1997

3 Jeremy Bennington.The role of grandmaster,boundary and ordinary clocks in IEEE 1588 precision time protocol(PTP)for frequency synchronization over packet networks,www.analogzone.com/nett0212.pdf,February 2007