PTN网络中同步技术的应用探讨

童克波 梅仪国 钱科能等

[摘要]PTN作为传输与分组技术的融合产物，越来越受到关注，中国移动部署PTN网络，在初期主要承载TD-SCDMA业务，时钟是PTN需要考虑的重要问题之一。文章首先介绍两种PTN网络的同步技术，然后说明PTN网络应用同步技术的重要意义，最后提出基于PTN同步技术的典型应用，并指出PTN网络同步技术的应用关键。

[关键词]PTN时间同步IEEE1588v2协议GPS替代

1基于PTN网络的同步技术

时钟同步技术包括频率同步和时间同步。频率同步要求相同的时间间隔，时间同步要求时间的起始点相同和相同的时间间隔。无线技术不同制式对时钟承载有不同的需求，GSM，WCDMA采用的是异步基站技术，只需要做频率同步，精度要求0.05ppm，而TD-SCDMA/CDMA2000需要时间同步，TD-SCDMA的精度要求为±1.5μs。

从2004年开始，国际电信联盟电信标准部门(1TU-T)Q13/SG15开始逐步制订关于分组网同步技术的系列建议书，主要有：G.8261(定义总体需求)、G.8262(定义设备时钟的性能)、G.8264(主要定义体系结构和同步功能模块)。IEEE在2001年发布IEEE1588标准，该标准定义了一种精确时间同步协议(PTP)。IEEE1588是针对局域网组播环境制订的标准，在电信网络的复杂环境下，应用将受到限制。因此2008年又发布了IEEE1588v2(以下简称1588v2)，该版本增加了适应电信网络应用的技术特点。

因特网工程任务组(IETF)网络时间同步协议(NTP)实现了Internet上用户与时间服务器之间的时间同步。在基于PTN分组网络中，同步技术可以通过同步以太网G.8261和精确时间同步协议IEEE1588v2来实现。

1.1同步以太网技术G.8261

G.8261通过以太网物理层PHY芯片从串行数据码流中恢复出发送端的时钟，这种方式与SDH时钟恢复方式是相同的，并且可以获得类似SDH的时钟精度，实现网络时钟同步。时钟同步质量接近SDH，不会受到数据网络拥塞、丢包、时延等问题的影响。但目前同步以太网只能支持频率信号的传送，不支持时间信号的传送，所以单纯的同步以太网方案只适用于不需要时间同步要求的场景。

1.2时间同步技术IEEE1588v2

IEEE1588v2是未来统一提供时间同步和频率同步的方法，能适合于不同传送平台的局间时频传送，既可以基于IEEE1588v2的时间戳以基于分组的时间传送(TOP)方式单向传递频率，也可使用IEEE1588v2的协议实现时间同步，在PTN设备中得到广泛应用。

IEEE1588v2时间同步的核心思想是采用主从时钟方式，对时间信息进行编码。利用网络的对称性和延时测量技术，通过报文消息的双向交互实现主从时间的同步。

2PTN满足移动网络同步要求的意义

移动网络对高精度同步有严格的要求，基站工作的切换、漫游等都需要精确的时间控制，避免用户在基站之间切换过程中出现掉线、影响其他用户的现象。目前各种无线技术对同步的要求如表1所示。

2.1同步网络的战略意义

目前中国移动已经部署的TD-SCDMA网络，均采用GPS方案来解决移动网络同步问题。但GPS天线安装需要满足120°的净空要求，工程安装有难度，且GPS成本较高，维护困难，中国移动一直积极寻求替代GPS的新技术：一方面通过有线传输网络传送精确时间同步信号；另一方面利用我国自主发射的北斗卫星作为时间信号源，使用北斗卫星与GPS卫星双模授时，并互为主备用，最终从时间信号的来源和传输两个方面相结合，彻底摆脱对GPS的依赖。

随着PTN技术的发展，业界纷纷把目光投向PTN，寻求通过PTN分组网络上提供高精度同步的解决方案，从而实现GPS替代。而IEEE1588v2有效解决了GPS同步成本高、安装困难等问题，已成为承载TD-SCDMA/LTE网络的关键技术之一。

2.2PTN技术

PTN是基于分组传送的新一代多业务传送网络，能够实现对分组业务的高效传送，同时能够兼容对传统TDM、ATM等业务的承载。

PTN作为一种面向连接的传送技术，基于分组架构，借鉴了SDH完善的保护倒换、丰富的OAM、良好的同步性能，同时融合了MPLS/Ethernet技术分组交换、QoS管理以及统计复用等思路，为运营商建设可管理、可运维的统一融合的传送网提供了良好的解决思路。

2.3PTN网络中应用的IEEE1588v2技术

IEEE1588v2技术采用主从时钟方案，对时间进行编码传送，利用网络链路的对称性和延时测量技术，实现主从时钟的频率、相位和绝对时间的同步。

(1)IEEE1588v2协议原理

IEEE1588v2协议原理如图1所示。图中，延迟(Delay)=(T2-TI+T4-T3)/2，时间差(Offset)=(T2-T1-T4+T3)，2。主时钟与从时钟之间发送Sync、Follow_Up、Delay_Req、Delay_Resp消息。通过T1、T2、T3、T4这4个值，主从时钟可计算出主时钟与从时钟之间的延迟(Delay)，以及主时钟与从时钟的时间差(Offset)。

同步消息类型有一般消息和事件消息。一般消息(例如Follow_Up)本身不进行时戳处理，它可以携带事件消息(如Sync)的准确发送或接收时间，还具有完成网络配置、管理、或PTP节点之间通信的功能。事件消息本身需要进行时戳处理，并可携带或不携带时戳。从时钟根据事件消息的时戳或由一般消息携带的时戳计算路径延迟和主从时钟之间的时间差。

延迟是影响IEEE1588v2精度的主要因素之一。延迟主要有时戳处理延迟、节点缓冲延迟和路径延迟。

时戳处理由硬件完成，硬件时戳处理可以补偿IEEE1588v2协议帧通过协议栈时消耗的时间，保证端口消息发送和接收时戳的精度。

而对于传输路径的补偿，有两种方式：时延请求反应方式和点对点时延方式。时延请求反应方式结合E2ETC使用。TC只需要在入口和出口处在报文上标记处理时戳，时间延迟补偿的计算全部由从时钟完成。点对点时延方式结合P2P TC使用。TC参与端点间的时间延迟计算，每个端点分别与TC交互，并计算P2P之间的时间延迟。从时钟利用计算结果计算延迟补偿。

(2)IEEE1588v2时钟类型和模式

IEEE1588v2定义了3种时钟模式：普通时钟(OC)、边界时钟(BC)和透明时钟(TC)。OC通常是网络始端或终端设备，该设备只有一个1588端口，该端口只能作为SLAVE或MASTER；BC是网络中间节点时钟设备，该设备有多个1588端口，其中一个端口可

作为SLAVE，设备系统时钟的频率和时间同步于上一级设备，其他端口作为MASTER，可以实现逐级的时间传递；TC是网络中间节点的时钟设备，可分为E2E TC和P2P TC两种。

IEEE1588v2最重要的技术是BMC算法(最佳主时钟算法)，其作用为建立主从同步链，保证时钟路由不成环；支持多个时间源的自由选择和自动切换；主用时钟链路出现故障后，能自动快速倒换到备用时钟链路。本地时钟通过BMc算法来决策哪个时钟是最好的。并据此来决定端口的下一个状态值是MASTER、SLAVE还是PASSIVE。

在PTN网络中，IEEE1588v2实现时间同步主要有两种模式，即BC模式和TC模式。BC和TC模式均可实现时间同步，两种模式的进一步比较如表2所示：

从表2来看，BC模式显然更适合PTN。目前，中国移动关于PTN和时间同步的规范均要求首推BC模式。

(3)IEEE1588v2的优点和缺点

从上述原理中可以总结出IEEE1588v2的主要优点：

◆支持时间和频率同步；

◆同步精度高，可达亚微秒级；

◆网络PDV影响可通过逐级的恢复方式解决；

◆统一的业界标准。

而IEEE1588v2的缺点主要有：

◆不支持非对称网络；

◆需要硬件支持IEEE1588v2协议和工作原理。3基于PTN同步技术的典型应用

随着PTN技术的正式商用，同步以太网技术以及IEEE1588v2协议都作为PTN的同步技术得到了应用。而IEEE1588v2协议的应用更是利用其优势实现了替代基站GPS和频率恢复等问题。

3.1替代基站GPS

中国移动TD-SCDMA基站需要高精度的时间同步，以确保不同TD-SCDMA基站问的时间偏差在3μs以内。TD-SCDMA基站之间必须要保持时间同步，目前TD-SCDMA基站主要通过加装GPS天线模块获取时间同步信号。但是TD-SCDMA基站的GPS天线存在天线和馈线安装难、安全隐息高、维护成本高等问题。

举例来说，GPS使用时施工难度大，很多基站往往存在GPS没有合理位置安装的问题。如果GPS净空受到遮挡，就会使得GPS搜寻困难，存在失步的可能，而一旦失步，该站将无法正常工作并会对周围站点形成严重干扰。而室内地下等应用场景，GPS安装更加困难，故障频率更高。

再次，由于每个基站都需要安装一套GPS系统，当TD-SCDMA网络规模日益庞大，GPS系统的成本会逐渐增多，同时维护成本也会随之增高。

为此，TD-SCDMA系统GPS替代方案的在不断研究，而PTN技术的出现引起了广泛关注。如果PTN传送网可以为基站提供时间同步，替代GPS的功能或者作为GPS的备份使用，无疑将会为移动网络提供更高的安全保障。

通过组网测试发现，在PTN网络中，只需其中一个网元输入时间信息，例如通过1PPS+TOD借口从GPS接收时间信息，PTN网络通过IEEE1588v2协议将时间信息分发到其他网元，再通过以太网接口或者其他接口到达基站，从而实现各TD-SCDMA基站之间的时间同步。基站侧需要支持IEEE1588v2协议或者支持时间接口。如果支持IEEE1588v2协议，则PTN可工作在透明时钟方式；如不支持，PTN需要工作在边界时钟方式。

由此可见，基于PTN的IEEE1588v2时间同步替换GPS方案使得每个TD-SCDMA基站不再需要安装复杂的GPS系统，节省了大量成本，避免了安装GPS困难的问题，维护更方便，也便于今后移动网络的快速扩容。

大量研究数据和部分已使用基于PTN的IEEE1588v2时间同步替换GPS的地区的现网测试结果也表明，PTN传输网络可以给TD-SCDMA基站传输稳定的时钟信号。PTN承载基站的各项指标与GPS时钟源的基站基本没有差别。另外，PTN作为新一代的传输技术具备极大的优势，支持Iub接口IP化。

3.2频率恢复

1588v2技术的另外一个主要用途是以TOP方式进行频率恢复。在运营商现网环境中，很多网络是普通数据网络，不支持同步以太网。需要穿越该普通网络获取时钟频率时可使用1588v2技术。

图2为频率恢复1588v2组网实例。当分组传送网络两个设备(A和B)的中间网络同为普通数据网络时，从A点穿越普通数据网络传递1588v2的Sync报文到网络出口B点。B点通过1588v2恢复出A点的时钟，恢复的时钟作为B点的参考源，然后再根据该参考源恢复业务时钟。

4PTN网络同步技术应用的关键问题

PTN时间同步方案在网络中应用，有几个关键问题值得探讨：

4.1精度问题

一般来讲，基于物理层同步的G.8261可以提供较高质量的参考时钟，但不能实现时间的同步。而IEEE1588v2同步方式既可以实现频率同步，也可以实现时间同步，但1588报文经过复杂的数据网络，抖动和非对称性的不可控，导致从1588报文中恢复时钟和时间精度难以保证。因此在实际应用中可以考虑两种同步方式相结合的方法，通过G.8261完成精确的频率同步。在G.8261基础上实现1588v2时间同步，硬件实现1588协议中精确时戳的插入和提取，减少1588报文发包频率，加快收敛速度，有效提高时间同步精度。

4.2补偿问题

1588的关键在于延时测量。同步时间源一般是通过带外线缆将1PPS和TOD信息传递给PTN设备，另外目前现网中大部分基站都不具备1588能力，PTN设备也需要通过带外的方式，将1PPS和TOD传递基站，如果时间源和基站不具备延时补偿能力，需要将PTN设备完成这部分线缆引入的延时补偿，将补偿结果加到TOD信息。

4.3可靠性问题

为保证PTN网络对时间信息的可靠传输，必须对输入时间源和传输链路实行可靠保护设计。

首先对PTN设备通过1PPS+TOD接口采用高精度时间源进行授时，保证系统在一定的时间内可靠稳定地运行，条件允许的情况下，可采用主备两个高精度时间源，增加时间源的冗余备份能力。

PTN传送网物理链路一般采用环形组网，汇聚层和接入层采用相交或相切环实现互联，每个外时间源通过环形链路中不同两电接入主用链路和备用链路。在PTN网络中启用BMc算法，BMC算法可给予时钟质量和最短节点路径选择最优的时间源，有效减少时钟质量的累加误差，增加时钟源的冗余备份能力。

5结束语

PTN技术逐渐大规模商用已是大势所趋，而同步技术又是PTN需要重要考虑的问题之一，因此对PTN时钟同步技术深入研究相当有必要。目前，IEEE1588v2协议的同步精度已达到TD-SCDMA/LTE网络对时钟同步的精度要求，而利用基于PTN的时间同步技术，更可以应用于TD-SCDMA基站GPS替代和频率恢复等。可见，PTN同步技术的研究和应用对于未来增强网络建设的可扩展性、节省成本、减少重复投资和维护方便等方面都有着重要的意义。

作者简介

童克波：毕业于南京邮电学院信号与信息处理专业，工学硕士。任职于中国移动通信集团浙江有限公司，从事移动通信网络、传输网络的维护管理工作。组织编写了多部通信网络设备工程建设规范，数据城域网及干线网、WLAN网络、GPON网络设备维护规范，牵头制定全国移动通信网络代维管理规范。

梅仪国：毕业于北京邮电大学电子与通信工程，工学硕士，任职于华信邮电咨询设计研究院，工程师，获得注册咨询工程师(投资)、一级建造师，长期从事光网络领域的规划设计工作。

钱科能：工学硕士，毕业于北京邮电大学电子与通信工程，任职于华信邮电咨询设计研究院，工程师，长期从事通信网络规划设计工作。