铁路时间同步网优化组网方案研究

程 华　北京铁路通信技术中心高级工程师

铁路时间同步网优化组网方案研究

程 华北京铁路通信技术中心高级工程师

为了适应铁路快速发展及信息化的需要，针对铁路时间同步网缺少统一溯源、过度依赖于卫星授时以及单源故障等问题，结合有关技术标准，提出铁路时间同步网优化组网方案。

铁路；时间同步网；优化组网方案

1　引言

铁路时间同步网是为铁路各应用系统提供统一准确时间信号的支撑网络。按照铁路时间同步技术标准要求，时间同步网应由一、二、三级地面时间同步节点设备、列车时间同步设备和相应的授时链路组成。目前，在全路设置了一级时间同步节点1套，二级时间同步节点18套，3级时间节点若干。各级节点均采用卫星授时，相互之间没有实现互联，时间没有实现统一溯源，也没有通过频率同步网来实现守时。为完善铁路时间同步网，更好地为铁路通信及各应用系统提供统一、准确的时间信号，有必要对铁路时间同步网组网方案进行研究。

2　铁路时间同步网现状

目前，铁路已布设了一/二/三级时间同步节点设备。在铁路总公司建有一级时间同步节点设备，在18个铁路局所在地建设了二级时间同步节点设备，在车站等处建设了三级时间同步节点设备。铁路一、二级时间同步节点设备现状参见表1。

全路已建成铁路一级时间同步节点设备1个，采用厂家A设备；二级时间节点18个，分别采用厂家A、B、C的设备；三级时间同步节点若干。既有时间同步设备分别采用4个以上厂家设备。全路现有时间同步设备多数均采用GPS或北斗卫星导航系统获取时间信号。

3　铁路时间同步网存在的问题

由于铁路时间同步网是在不同时期随着铁路建设逐步建成的，现有的网络架构、接口、指标等与新的国际标准（如ITU/T-G.8271等）和铁路标准（如TB/T3283-2015）有一定差距，对于适应未来的发展，也有一定不足。即建设在前，标准滞后导致出现一些问题。现有铁路时间同步网存在以下几个主要问题：

（1）一级时间同步节点全路仅有一套，存在单节点故障隐患，网络安全性有待提升。

（2）一级与二级时间节点间没有实现地面互联，二级与三级节点间多数也没有互联，在时间溯源及时间统一方面存在不足。

（3）在现有铁路有关标准中要求时间同步网全部采用地面授时方式，而既有传输设备不完全具备高准确度的时间同步接口。

（4）仅通过卫星授时的方式获取基准时间，存在系统性安全风险。

（5）没有通过频率同步网对于时间同步系统提供守时参考，系统健全性不足。

表1　铁路一/二级时间同步节点设备现状

（6）实时时间检测功能薄弱（或准确度不够），无法获知其相对于UTC（协调世界时）的可信任时间偏差。

（7）随着铁路移动通信技术和信息化的发展，对时间同步提出了更高的要求，目前规定的指标可能不能满足新的要求。

（8）既有一级时间同步设备输出接口不具备PTP 和PPS+ToD接口，不具备实现高准确度的地面授时的条件。二级时间设备输入输出接口多数不具备PTP和PPS+ToD接口，也不具备实现高准确度的地面互联的条件。

4　铁路时间同步网优化组网方案

对于如何发展建设铁路时间同步网，曾考虑过多种方案，如完全构建新的同步体系架构，时间与频率同步融合等，但是考虑到优化的可操作性等，根据铁路通信及其他各专业对时间准确度的需求及铁路时间同步网设备现状，下面简要介绍多个时间同步网优化方案中的一种。其要点是：统一时间溯源、保留三级结构、增加地面互联、提升性能指标、强化监测手段、提升网络安全。具体包含以下几点。

4.1一级时间同步节点

一级时间同步节点（类似PRTC）是全路时间的溯源点，必须保证其时间的准确度和节点的可靠性。针对以上几个问题，提出一级时间同步节点技术方案如下。

（1）一级时间节点通过卫星共模共视（CMCV）方式直接从国家授时中心获取时间，前期至少可通过共模共视方式实时监测一级时间节点设备时间相对于UTC的偏差。

（2）在全路增加一个备用一级时间同步设备。鉴于我国时间基准源自于国家授时中心，该中心位于陕西省西安市，所以备用一级设备所在地选择在西安铁路局的西安核心机房，在此处设置一级备用时间同步节点。

（3）利用备用一级时间节点与国家授时中心地理位置较近的地缘优势，可以通过地面时间传送链路溯源到国家授时中心。如果近期不具备条件，也可以考虑通过卫星共模共视的方式溯源到国家授时中心。

（4）一级时间同步节点需配备高准确度的时间接口，便于向下级时间节点提供时间信号。

（5）将铯钟频率源（或频率同步网）信号引入一级时间节点设备，当卫星接收机不可用时，可以实现高准确度守时。

在我国通信行业标准中已经明确提出时间应溯源到国家授时中心。通过卫星共模共视方式获取时间信息，是国际上常用的远程时间比对及传送的方式。随着共模共视产品的成熟和推广，以及近几年实际试验的结果，卫星共模共视已经具备了大范围应用的条件。以上方案，可以解决前面提到的多个问题，如单一时间节点、无法实时监测、单纯依赖卫星单向授时等。

4.2二级时间同步节点优化方案

对于二级时间同步设备，优选通过卫星共模共视的方式溯源到铁路总公司一级时间节点设备，将地面链路作为备用时间源。当卫星或共模共视接收机不可用时，通过地面链路获取时间，地面链路均采用高准确度的时间同步接口（如PTP）。联网示意如图1所示。

4.3三级时间同步节点设备互联方案

根据《铁路时间同步网技术条件》（TB/T 3283-2015）的要求，三级时间节点需通过地面链路跟踪二级时间同步节点，对三级时间同步节点，要求其相对于UTC的时间偏差是+/-3μs。这一指标可以满足大多数铁路应用系统的要求，但随着铁路通信技术发展，移动通信系统LTE-R需要优于1.1μs或更高的指标要求；移动通信高精度定位需要200～500ns的指标；电力系统SCADE需要优于1μs的时间信号。因此，既有时间同步网的技术指标过于宽松，不能满足未来通信及铁路信息化应用对时间同步的要求。笔者特提出以下建议方案：

三级时间同步节点均需具备高准确度时间同步接口。在要求时间准确度较高的场所，采用卫星共模共视的方式直接从一级时间节点获取时间信号。三级时间同步节点的地面时间获取径路不一定取自于二级时间同步节点的输出，可以直接从骨干传送网的时间传送平台获取时间，也可以从局干传送网或接入层传送网的时间平台上获取时间，主要取决于三级时间同步节点所处的位置和应用设备对时间的要求。三级时间同步节点的时间输出要求可以根据应用系统的要求提出不同的指标，对于普通的应用系统，三级时间节点满足+/-3μs的指标即可，对于基站等需要高准确度时间同步的设备，需要提供优于1100ns的时间输出信号。二/三级时间同步节点授时方式图1所示。

图1　铁路时间同步网各级时间节点互联示意图

4.4一/二/三级时间同步节点间地面授时链路

新建铁路骨干/局干OTN传送网已覆盖铁路总公司和全国18个铁路局，全面支持1588v2协议，具备铁路一/二/三级时间节点间高准确度时间传送的能力。笔者组织进行了部分高准确度时间传送链路试验测试，满足相关指标要求。

5　铁路时间同步网技术指标

5.1一/二级时间同步节点均采用卫星授时情况下

为满足未来移动通信系统和定位对时间同步的要求，一/二级时间同步节点均采用卫星授时方式，三级同步时间节点可以采用地面跟踪方式。主用一级时间同步节点通过卫星共模共视的方式溯源到国家授时中心，备用一级时间同步节点通过地面链路或卫星共模共视方式溯源到国家授时中心。二级时间同步节点通过共模共视的方式溯源到主用一级时间同步设备。此时，时间同步网各级时间同步节点设备时间输出相对于UTC的时间偏差建议满足表2的要求。其中，业务应用输入端时间相对于UTC的时间偏差建议1100ns，主要是针对电力监测以及4G基站的时间准确度需求提出（见图2）。为铁路其他设备服务的三级时间节点仍可以按照TB/T3283-2015标准中要求的指标执行。表2中一级时间节点设备的指标要求100ns，高于TB/T 3283-2015标准中150ns的要求，主要是考虑到卫星共模共视的方式能够比普通卫星接收机提供更高的准确度，且具备实时在线监测校准的能力。

5.2二级时间同步节点采用地面授时情况下

当二级时间同步节点的共模共视设备不可用时，从地面获取时间的情况下，二/三级时间同步节点设备时间输出相对于UTC的时间偏差建议满足表3的要求。

5.3守时准确度

当一级或二级时间同步节点设备的卫星授时输入功能失效，在时间同步设备能够正常跟踪于源自频率同步网一级基准时钟的频率信号时，通过PTP或1PPS+ToD接口进行观测，在3天之内的相对守时准确度范围为-1～+1μs。

6　结束语

针对铁路时间同步网缺少统一溯源、过度依赖于卫星授时、单时间源风险、缺乏实时监测等问题，结合铁路同步网现状，笔者提出了铁路时间同步网优化组网方案。该方案提出了采用共模共视的高准确度授时技术、结合地面高准确度传递、增加备用一级时间节点、对时间偏差实时监视等内容，可以全面提升铁路时间同步网的统一性、准确性和可靠性，为铁路通信信息化提供更好的服务。

图2　时间传递链路时间偏差分配举例图

表2　时间同步网各级节点设备时间输出相对于UTC的时间偏差

表3　时间同步网各级节点时间输出相对于UTC的时间偏差

［1］国家铁路局.铁路时间同步网技术条件：TB/T3283-2015［S］.北京：国家铁路局，2015.

［2］ITU/T-G.8271.1.

爱立信众多物联网解决方案亮相中国电信天翼终端博览会

我们正在迈向万物互联的网络社会，其中物联网的发展已经驶入了快车道，预计2018年物联网互联终端的数量将超过手机的数量。爱立信一直致力于推动物联网的发展，着力在标准、网络、终端、应用以及生态系统协同的多个关键环节，推动物联网实现大规模的普及。

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Railway time synchronization network optimization scheme

CHENG Hua

In order to meet the needs of rapid development of railway and in formation technology for railway time synchronization network lack of uniform traceability，over-reliance on satellite time and single-source failures and other issues，combined with the technical standards proposed railway time synchronization network network optimization program.

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（2016-06-07）