面向时间同步网络开通运维的智能时钟解决方案＊

韩柳燕，胡新天

（中国移动通信有限公司研究院，北京 100053）

面向时间同步网络开通运维的智能时钟解决方案＊

韩柳燕，胡新天

（中国移动通信有限公司研究院，北京 100053）

本文提出了基于SDN的端到端的智能时钟网络架构和解决方案，该方案可以自动准确地进行同步规划，快速高效地发现现网配置隐患，进行自动同步恢复和告警定位，并实现同步性能实时监控，从而全面支撑时间同步网络的开通运维。

时间同步；智能时钟；SDN

1 引言

同步网是通信网的一个必不可少的重要组成部分，是保证网络定时性能质量的关键。TD-SCDMA/TDLTE标准由于采用了TDD模式对时钟和时间同步提出了更高的要求。TDD模式支持同频组网，前提是时隙必须对齐。如果相邻基站之间空口不同步，会产生时隙间干扰和上下行时隙干扰。时隙干扰是指前一个时隙的信号落在下一个时隙中，破坏了这两个时隙内的正交码的正交性，使这两个时隙内的基站或终端都无法正常解调。上下行时隙干扰是指一个基站发射的信号直接对另一个基站的接收造成强大的干扰，严重影响第二个基站的正常接收。

为满足TD-SCDMA、TD-LTE系统基站+/-1.5μs的高精度时间同步需求，人们逐渐认识到有必要通过地面时间同步组网以解决完全依赖卫星系统存在的安全可靠性问题。基于地面传送的时间同步网络开始发展，为基站提供授时。随着TD-LTE深度覆盖的开展和小基站的部署，GPS的问题正变得越来越突出。面向5G，基站数量将至少增加10倍，解决数十万计基站的时间同步问题迫在眉睫。部署、运行和维护一张基于地面传送的时间同步网络已成为必然的选择。

由于分组网络具有链路方向多、协议处理复杂、频率同步和时间同步协调处理等特点，相对于以往传统的传送网络，同步网规划和维护复杂度大大增加。在地面时间同步网络的开通、维护和运行过程中，面临的压力主要如下。

首先，同步网络规模大，规划原则多。现网通过人工进行同步规划消耗大量人力和时间成本，易出现规划错误。在现网实际部署中，有90%的问题都是由规划和配置错误引起的。

其次，同步网出现故障后，造成的影响大，故障现象多。同步领域专业要求高，现网缺乏专业运维人员，造成同步问题定位困难。

最后，在同步网的开通、运行和维护中，缺乏性能监控手段，难以直观发现问题。

为了解决上述问题，提出了基于SDN的端到端的智能时钟网络架构和解决方案，基于集中式控制和管理架构，智能时钟能从源到终端、跨域对同步网络进行控制和管理，能自动准确地进行同步规划，快速高效的发现现网配置隐患，进行自动同步恢复和告警定位，并实现同步性能实时监控，从而增强同步网络运行安全可靠性，有效提升同步网络运维管理效率。

2 智能时钟架构

如图1所示，智能时钟网络架构由控制管理平面和同步传送平面组成。控制管理平面可以支持层次化的多级结构，包括设备网管（域控制器）和集中管理控制系统两级结构。

设备网管（域控制器）负责对单域范围内的同步网络进行管理和控制，包括收集现有设备的拓扑信息、同步配置和状态信息，根据收集到的信息进行分析、计算和处理，并向现有设备下发同步配置。不同设备网管（域控制器）可以分别管理和控制不同厂家的设备，也可以分别管理和控制同一厂家的不同设备（如OTN和PTN）。

图1 智能时钟网络架构

集中管理控制系统负责对全网范围内多域同步网络进行管理和控制，通过北向接口与设备网管（域控制器）进行同步管理和控制信息交互，完成需要多个域间协同的端到端规划、跨域告警溯源等功能。集中管理控制系统也要收集现有设备的信息，处理收集到的信息，并通过设备网管（域控制器）向现有设备下发。但是，与设备网管（域控制器）相比，集中管理控制系统收集处理的信息更加精简。

同步传送平面由时间和时间同步源，OTN、PTN等传输设备和基站等设备组成。组成同步传送平面的设备支持物理层频率同步和1588v2时间同步功能。

传统方案中，全部时钟和时间同步功能分布在同步传送平面中各个网元实现。智能时钟解决方案对时钟和时间同步功能的实现位置进行了划分。同步传送平面的设备实现SSM信息处理、频率和时间同步选源倒换、物理层频率同步处理、1588v2报文打戳等对响应时间有严格要求且易影响同步性能的功能。而新建立的控制管理平面用于实现同步链路自动规划、配置风险自动检测、故障自动恢复、同步告警风险和实时同步性能监控等功能。实现这些功能需要结合多个网元的信息，需要协同多个域的信息，所以，控制管理平面更适合完成这些功能。这也是智能时钟解决方案中建立集中控制管理平面的意义。

统一信息完整的南北向接口是功能实现的基础。南北向接口既要包括时钟和时间同步信息，也要包括设备和不同类型接口的信息。

综上，智能时钟具备3个显著特征。首先，基于集中式的架构、层次化控制管理平面和统一的南北向接口，智能时钟能够对同步网从同步源到基站端到端的各个环节进行控制和管理，实现全局控制和管理。其次，智能时钟能够同时管理不同PTN域的设备，或同时跨域管理OTN和PTN域的设备，实现跨域协同。最后，智能时钟能够管理和控制频率和时间同步混合组网，支持频率和时间同步网相互协同。

3 智能时钟核心功能和算法

3.1 多策略同步链路自动规划

针对同步网络人工规划消耗大量人力和时间成本的问题，智能时钟依据环网优先和最短路径优先等策略，自动计算和规划所有网元或者指定区域内网元的主备用时钟同步拓扑，并能够避免定时环的出现。将规划时间由人工规划的数星期缩短到仅需几分钟，并且保证规划的正确性。

如图2所示，采用环网优先规划时，分别沿环的两个方向为各节点规划主备用时钟路径，并保证全网不形成定时环。环网优先规划与传统人工规划的原则相同。采用最短路径优先规划时，为每个节点选取距离时钟源最近的跟踪路径作为主用路径，而备用路径可以优先选择不同源的时钟路径。链型拓扑上的网元如果只具备一条物理连接，不用进行备用路径规划。

在网元或链路新增及调整引起网络拓扑变化时，智能时钟还会根据变化后的拓扑对发生变化涉及的网络区域重新进行同步路径规划。

3.2 全网同步配置风险自动检测

针对人工进行同步规划配置易出现错误的问题，智能时钟能够自动对不支持同步的节点和端口、缺失主备用、定时环风险、时钟和时间同步跳数等配置风险进行检测，并给出统计报告。对于上万规模的同步网络，人工很难进行上述检测，而智能时钟只需十几分钟就能完成检测。

图2 环网优先和最短路径优先时钟规划

3.3 同步故障自动恢复

针对同步网中重要节点发生多点故障，主备时钟均失效时，成片网络出现时钟失步的问题，智能时钟能够进行自动恢复。在主用和备用时钟源端口都发生故障时，为网元计算并配置时钟恢复路径，增强同步网络可靠性。

时钟同步恢复方案主要分故障检测、计算配置时钟恢复端口和取消恢复端口3个步骤，具体如下。

（1）故障检测。当网元主用和备用时钟端口的时钟信号均丢失或者时钟质量均下降时，智能时钟可以依据是否收到时钟源丢失告警确定是否开始进行同步故障自动恢复。

（2）计算配置时钟恢复端口。智能时钟启用自动恢复后，尝试从故障网元的相邻节点为故障网元寻找主备用路径外的第3条时钟跟踪路径。当智能时钟寻找到第3条路径时，智能时钟启用定时环风险监测，确保第3条路径不会造成定时环风险。之后，智能时钟采用优先级配置方式完成时钟恢复端口的配置，恢复端口的优先级低于原配置的主备用端口优先级。

（3）取消恢复端口。当网元主备用时钟端口其中任一个端口时钟信号恢复正常或时钟质量恢复正常时，智能时钟将网络的同步配置恢复到故障发生前的初始状态，避免后续出现时钟定时环风险。

对于时间同步网络，设备层面支持BMC时间源选择算法，通过BMC算法自动决策PTP端口状态和选源，实现时间源的保护恢复。

3.4 同步告警抑制和根源分析

针对同步网故障后，会产生海量告警，给故障定位造成困难的问题，智能时钟启用同步告警抑制和根源分析流程，对同一设备上报的同步告警作告警分析抑制，保留的告警根据告警类型进一步区分为本地告警和网络级告警，根据跟踪状况等信息完成告警根因定位。

3.5 实时同步性能监控分析

为了保证同步网络稳定运行，需要实时监控同步网络的性能。智能时钟利用每个环上设备的Passive端口进行时间性能比对和监控，支持越限告警，从而使得整网每个传输环均可以收集到同步性能监控数据。进行同步性能检测时，智能时钟首先自动检测全网具有1588v2 Passive端口的节点设备，再开启这些设备的Passive节点时间同步性能监测功能，设备会计算起从端口和Passive端口来自环网不同方向的时间偏差，从而评估环网的不对称性能。

4 智能时钟典型应用场景

一种新技术和新方案的价值很大程度上取决于是否能够解决现网问题，是否适合在现网中应用。对于智能时钟，其概念的提出就是为了解决同步网络规模大，规划原则多，故障现象多，缺乏性能监控手段等现网中存在的棘手问题。因此，智能时钟的解决方案天然适合在现网中使用，能够应用于现有同步网络规模部署、开通、运行维护、割接调整等多种场景。

在本文中， 对智能时钟的部分典型应用场景进行介绍。

4.1 1588v2时间同步网络开通

1588v2是广泛应用的时间同步协议之一。为通过地面网络使用1588v2协议将时间信息由时间源传递到网络末端的基站，需要预先对地面网络进行时钟和时间同步规划，对组成地面网络的传输设备进行配置。智能时钟能够在这个重要场景中应用。如图3所示，智能时钟通过3个流程自动完成1588v2同步网络开通。

4.1.1 完成全网同步以太规划和配置

频率同步是时间同步的基础。在一次时间同步调整后，设备需要基于自身的频率，与上游设备保持时间同步，直到再次进行时间同步。因此，在开通1588v2功能前，首先要对全网进行频率同步规划。智能时钟利用全局同步路径规划功能，基于环网优先或最短路径优先原则，为同步网中的每个设备规划一主一备两条时钟跟踪路径，并能避免定时环、备用配置缺失等路径配置错误。

然后，智能时钟将规划结果下发到设备。智能时钟自动选择支持同步以太功能的板卡，在板卡时钟配置中设置用于完成频率同步的端口，并设置端口的跟踪状态和使能SSM消息。同时，智能时钟还需要为设备指明不同端口的优先级，优先级列表中第一优先级的端口为主用端口，第二优先级的端口为备用端口。

4.1.2 完成全网1588v2功能的使能配置

确认完成同步以太配置后，智能时钟自动使能设备接口的1588v2时间同步功能。由于设备自身运行BMC算法完成主用源选择、切换跟踪源和转换工作状态等功能，智能时钟只需要按照指定的规则使能端口，使端口按照1588v2协议要求工作。1588v2协议中报文发送速率、封装格式等参数通常采用统一的默认配置，也不需要进行额外配置。智能时钟选择全网或指定区域内支持时间同步的设备，对设备接口进行使能。智能时钟可以对网内核心层传输设备、汇聚层传输设备、接入层传输设备等各种设备进行配置。

4.1.3 全网进行不对称性检测

运行1588v2协议要求节点间的双向传输时延相同光纤不对称性引入的时间偏差尽量小。但是现网网元数量众多，在工程实践中，通常只对核心层节点和汇聚层节点进行逐点不对称性补偿，而不对双向采用同缆光纤的接入层传输设备进行逐点测试补偿。这就需要通过其它方式对不对称性进行测试验证。智能时钟利用性能管理功能，在1588v2开通时自动检测全网具有1588v2 Passive端口节点的时间偏差，对网络的不对称性进行评估，决定是否需要人工测试和补偿不对称性。

4.2 同步网络维护和故障定位

在同步网运行过程中，应保证全网同步系统的准确、稳定，并能够在发生故障后迅速定位和排除故障。然而，现网告警数量多，单点故障可能造成多点告警，通过人工定位告警十分艰难，对定位人员专业要求高。针对这种情况，智能时钟可以应用在同步网运行过程中，自动进行同步告警管理和故障定位。智能时钟利用“同步告警抑制和根源分析”功能，对海量同步告警进行告警抑制，大幅屏蔽重复告警。同时，智能时钟根据告警关联关系，自动分析根源告警，支撑维护人员进行故障排除和恢复。

图3 智能时钟自动完成1588v2网络开通示意图

4.3 时钟和时间服务器部署规划

现网中，部署时钟和时间服务器时，需要考虑服务器的部署数量和位置，保证时钟和时间同步跳数不过长。智能时钟能够先模拟部署时钟和时间服务器，再利用同步网络配置检测功能，判断网络是否存在时钟和时间同步跳数超过阈值的节点，为时钟和时间服务器的部署提供准确依据。

4.4 网络新增及调整时同步功能配置

现网中存在新增网元和调整光纤链路等情况，此时需要对1588v2和同步以太功能进行重新规划，并重新进行配置下发。智能时钟的新增及调整规划功能能够自动根据变化后的拓扑划定受影响的区域，并对受影响区域的时钟和时间同步重新进行规划和配置，保证在网络拓扑变化后，网络中设备的配置正确，并正常工作。

5 结论及未来工作

智能时钟的目标和优势包括简化同步网配置管理，同步路径可控可管，基于全网视角提供同步故障管理和性能监测手段，保护恢复提升同步网络安全可靠性，灵活支持不同同步需求，利于同步网重用和未来演进。本文介绍了智能时钟的系统架构、核心功能和典型应用场景，随着传送网规模的不断扩大和业务对同步需求的提升，智能时钟将在现网发挥更大的作用，有效支撑地面传送同步网络的建设和开通。

AbstractIn the paper, an end-to-end network architecture and solution of intelligent clock based on SDN is proposed. In the scheme, the synchronization planning is performed automatically and accurately.The hidden mistake of configuration in the existing network could be found quickly and efficiently.Synchronization recovery and alarm positioning is executed automatically. Moreover, the real-time monitoring of synchronous performance is realized. Therefore, the operation and maintenance of time synchronization network is fully supported.

Keywordstime synchronization; intelligent clock; SDN

The intelligent clock solution for operation and maintenance in time synchronization network

HAN Liu-yan, HU Xin-tian
(China Mobile Research Institute, Beijing 100053, China)

TN914

A

1008-5599（2017）10-0016-05

2017-09-21

* 中国移动集团级一类科技创新成果，原成果名称为《面向时间同步网络开通运维的智能时钟解决方案》。