面向光纤专网的精准授时承载策略研究＊

1 引言

随着工业技术的发展，通信、电力、交通、气象、金融、国防、科研等众多领域都需要高精度的时间同步；精确的时间统一已成为国民经济运行和国防安全的重要保障，精准授时服务在各行业中的作用日益凸显[1-3]。光纤专网在各行业中普遍应用，既有小范围的区域网，又有多节点的广域网，通过其承载精准授时具有天然的技术和成本优势。研究基于光纤专网的精准授时承载策略，具有较强的现实意义。

2 发展状况

2010年，中国移动PTN试点网络通过PTP报文进行授时，经过30跳的时间同步精度优于270 ns[4]。

2012年，烽火通信研究了EPON网络的PTP同步技术，采用SyncE+BC模式组建授时试验网络，时间同步精度优于10 ns[5]。

2014年，阿尔卡特-朗讯在实际部署的EPON移动回传光接入网中，使用PTP协议实现精准授时，OLT与ONU之间同步精度优于120 ns[6]。

2015年，上海朗讯科技改进了TSS5R型PTN传输系统的PTP同步算法，采用方差阈值滤波算法，实现了主从时钟同步精度优于50 ns[7]。国网福建电力有限公司建设了SDH授时试验网，采用PTP over E1方式实现一级时钟至三级时钟时间同步，同步精度约为200 ns[8]。烽火科技在其分组增强型光传送网P-OTN产品设备中，使用带内ESC开销的RES字节承载PTP授时协议，实现了平均58 ns的同步精度[9]。

2017年，国家电网在SDH网络中采用PTP over E1的方式开展小规模授时组网试用，在最长数百公里传输链路条件下，同步精度达到百纳秒量级[10]。同年，国内铁路系统采用PTP over OSC的授时方式实现了铁路OTN网络北京至广州站点间的时间同步，24小时内同步精度测优于 1μs[11]。

2019年，中国联通重庆分公司组建了基于PTP协议的IPRAN+OTN授时试验网络环境，端到端链路长度600 km，经过23跳边界时钟传输后，时间同步精度在300 ns以内[12]。

2020年，中国移动广东分公司联合南方电网，搭建了基于PTP over PTN体制的5G授时外场试验网络，成功实现电网终端用户节点间同步精度优于300 ns[13]。

综上，鉴于PTP授时协议的标准化、通用化、便于组网等特性，PTP over X逐渐成为各行业光纤专网实现精准授时的主流技术。

3 光纤专网授时承载方案

3.1 PTP授时协议原理

3.1.1 主从同步原理

PTP协议（Precision Time-Synchronization Protocol）全称是网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准，又称IEEE1588v2标准。PTP时间同步原理是通过主时钟（Master Clock）与从时钟（Slave Clock）之间的分组报文交互，并对报文的发送和接收时间进行标记，即对每条报文“加盖”时间戳。从时钟利用时间戳计算出自己与主时钟的时间差以及网络中的传输延时，调整本地时钟与主时钟同步[14]。

PTP协议的主、从时钟同步原理如图1所示，具体步骤如下：

图1 PTP时间同步原理示意图

（1）主时钟在T1时刻主时钟发送Sync同步报文，同时准确标记发送时刻时间戳T1，主时钟随后将标记的T1信息装入Follow_Up报文信息，并发送给从时钟。

（2）从时钟接收到Sync同步报文后，准确标记接收时刻时间戳T2。

（3）从时钟向主时钟发送Delay_Req报文，同时准确标记发送时刻时间戳T3。

（4）主时钟接收到Delay_Req报文后标记时间T4，并将T4信息通过Delay_Resp报文发给从时钟。

（5）从时钟根据T1、T2、T3、T4计算出时间偏差Toffset和单向传输时延Tdelay：

（6）从时钟校正本地的时钟偏差，最终完成时间同步[15]。

从上述计算公式可知，要获得较高的时间同步精度，则需尽量减小双向不对称时延TAsym。此外，主从时钟间的时间偏差Toffset和单向传输时延Tdelay测量值在统计学理论上符合正态分布，或者近似高斯分布。为进一步提高同步精度，一般运用统计学方法处理大量测量结果，以尽量逼近其数学期望值。例如对大量传输时延Tdelay测量结果进行均值计算：

当DEVdelay小于预设的方差阈值DEVthreshold时，才进入下一个调整阶段。

4.1.2 时钟组网

针对实际网络中的多节点组网应用，PTP协议定义了普通时钟（Ordinary Clock，OC）、边界时钟（Boundary Clock，BC）和透明时钟（Transparent Clock，TC）三种时钟模型。各节点设备工作于不同的时钟模式，可有效实现各类拓扑网络条件下的时间同步。以分布式树形网络为例，其时钟模型组网架构如图2所示。

图2 PTP时钟模型组网示意图

主时钟作为分布式授时架构的根节点，可以有多个端口工作于主状态；从时钟只有一个端口，并工作于从状态。边界时钟处于同步网络的中间节点，既作为上一级时钟的从时钟，又作为下一级时钟的主时钟。它具有多个同步端口；仅允许一个端口工作于从状态，与上级节点的主端口通信；其余端口处于主状态，与下游节点的从端口进行通信。透明时钟在同步网络中仅用于转发PTP报文，并分别对双向传输的报文在设备中的转发时延进行修正[17]。

当网络中的时钟较多时，还可通过最佳主时钟算法(BMCA)选择网络中性能最佳的时钟作为主时钟，并以此建立网络拓扑，生成同步体系。最佳主时钟的选取是通过Announce帧在网络中各节点的传输，比较各个节点上的时钟属性（比如是否将时钟指定为主或者从时钟），用于标识精度的时钟等级；以及用于标识时钟源类型的时钟类型（比如铷钟、铯钟等）；还有表示时钟偏移、方差等的时钟特性、时钟地址以及时钟端口号等特征来选择最佳主时钟。当时钟特征都一样时，协议会将端口号最小的节点时钟作为主时钟。

3.2 授时承载性能比较

3.2.1 广域授时承载分析

目前，各行业专网涉及宽带数据广域传输时，其核心/汇聚层基本采用OTN网络传输体制。OTN网络承载高精度授时业务，具体实现方式包括PTP over Ethernet、PTP over ESC、PTP over OSC、PTP over λ。上述4种方式的性能比较如表1所示。

表1 OTN网络不同授时方式特性比较

PTP over Ethernet方式是将PTP报文作为OTN的GE/10GE客户信号进行承载，OTN除了进行常规的映射封装外，不对其做任何处理。由于PTP报文在以太网业务信道封装映射过程较为复杂（OPUk、ODUk、OTUk等成帧），时延抖动难以控制，因此，该方式同步精度较差。

PTP over ESC授时方式则是将PTP报文插入OTN的电监控通道（ESC）中，通常使用ODUk中的RES备用开销字节，由于其电处理时延抖动较好，授时性能适中。PTP over OSC授时方式是将PTP报文插入OTN的光监控通道（OSC）字节中，再逐级传递实现授时功能。OSC通道是基于TDM的传输方式，有较好的频率同步基础，因而PTP over OSC的同步性能较好。

PTP over λ方式采用DWDM波长直接承载授时业务，链路中光电处理过程极少，信道时延抖动特性最好，因此可获得最佳的授时精度。但该方式需占用专有DWDM波长资源，代价相对较高。

3.2.2 区域授时承载分析

各行业光纤专网接入层传输体制较多，包含PTN、SDH及EPON等多种授时网络。虽然接入网采用的体制各不相同，但却连接绝大部分用户业务，因此应针对性的分析具体的授时承载策略。

PTN光接入网主要针对分组业务数据接入及交换，在电信运营商专网中普遍应用。PTN本身可很好的兼容PTP协议，并逐渐形成标准应用。通过SyncE+PTP相结合，设置PTN设备的各端口工作于主时钟、边界时钟、从时钟等模式；即可实现授时业务承载，并形成各种拓扑的授时网络，单级授时精度约在10～50 ns之间。

SDH光接入网主要针对TDM业务接入，在国防和电力通信专网中仍占较大比重。SDH网络的授时方式包含PTP over MSOH和PTP over E1两种。前者是将PTP协议报文插入复用段开销字节进行传输，后者将PTP报文转换为E1低阶业务帧后，接入SDH网络传输。MSOH信道具有时延恒定和抖动小等优点，并且丰富的开销字节还有利于多节点间的授时组网，PTP over MSOH授时方式通过配置支持PTP协议的传输板卡实现，单级授时精度约在10～100 ns之间。PTP over E1具有信道配置简单和灵活性高的优点，通过外置专用协议转换器接入SDH网络，受限于E1信道时延抖动大的劣势，单级授时精度约在100 ns～1 μs之间。针对不同接入层用户的精度需求，上述两种方式可灵活选择。

EPON光接入网在电信运营商专网、电力通信专网及广播电视专网中应用较多，同时上述行业中普遍存在时间同步需求。由于EPON基于以太网的技术体制，可直接传输PTP协议报文，将授时作为常规业务承载。同时，EPON的单纤双向传输形式，使其不对称时延较小，网络授时精度约为10～100 ns。

3.3 建设方案

光纤专网精准授时系统的实现架构如图3所示，在传输信道层面，主要提供各类承载PTP协议的传输通道，涵盖现有光纤专网各类体制中的多种信道。在授时承载层面，通过PTP协议与拓扑组网技术相结合，实现网络化多节点授时功能；同时采用多种授时偏差补偿及性能优化算法，提升和保持网络授时精度。在管理控制层面，实现授时系统的配置管理、资源管理、状态及告警监测、可用性监测。在应用层面，各行业领域针对自身的时间同步需求，结合专网技术体制特点，合理规划覆盖范围、组网规模、承载信道等，构建最佳的应用模式。

图3 光纤专网精准授时技术实现架构

光纤专网精准授时承载建设方案如图4所示。骨干层至少应设置一个高精度时间源（PRTC）作为PTP授时服务器，该时间源应同步溯源于UTC绝对时间，性能指标应满足ITU-T G.8272.1标准的要求，同步精度优于30 ns。在接入层网络中也可设置一个时间源，一旦上层网络同步信息丢失，可切换至本地时间源。

图4 光纤专网精准授时承载方案

在骨干及汇聚层，OTN网络通常为Mesh网状架构，授时组网架构应采用树形网络，中间OTN节点设备工作于边界时钟或透明时钟模式，末端节点工作于从时钟模式。在承载信道选择方面，应综合考虑行业用户广域同步需求、网络资源及实现成本，灵活选择最合适的授时承载方式。如果同步精度需求在纳秒级，必须采用PTP over λ方式；同步精度需求在数十纳秒级，建议选择PTP over OSC方式；同步精度需求在百纳秒级，可选择PTP over OSC方式；同步精度在微秒级以上的，选择低成本的PTP over Ethernet方式。

在接入层SDH或PTN典型的环形网络中，采用链形授时组网架构。与OTN设备连接的汇聚节点设备接收上级网络或本地时间源，再通过中间的边界时钟相连，实现时间同步逐级传递。当网络存在多个环相切时，可通过相切节点的边界时钟，将同步时间传递至环上的其他节点。在SDH承载信道选择方面，精度要求高时选用MSOH开销信道，一般情况下则选用E1信道承载。

在接入层EPON网络中，采用星形授时组网架构。OLT工作于边界时钟模式，接收上一级的PTP报文或时间信息，同时作为EPON网络主时钟，经过光网络单元ONU边界时钟后，将PTP报文传递给终端时间用户。

此外，在建设光纤专网的精准授时系统时，还需注意以下几点：

（1）为减少从时间源服务器到同步设备的网络跳数，应尽量选择中心节点放置时间源设备；

（2）考虑到时间同步网络的后向兼容性，建议在时间源上配置铯钟，提升保持状态时的同步精度。

（3）为避免不对称时延引入同步偏差，施工期间应尽量保持双向光纤链路长度的对称；当往返链路难以保持对称时，应通过测量不对称时延后给予固定补偿。

（4）授时承载设备与时间用户设备之间接口应首选PTP接口，其次考虑使用1PPS+时间码接口。

（5）在光纤专网授时性能监测方面，应同时建设基于外部探针的绝对监测和基于设备自身功能的相对监测两种方式。

4 应用前景

目前，在5G通信、智能电力、智能交通、金融交易、工业物联网、航天测控、导航定位、雷达组网、科学研究等诸多领域都普遍存在广域或区域范围内的时间同步应用；但较多系统仍依赖GPS或北斗等卫星授时方式。实际应用证明，卫星授时系统自身并非绝对可靠。例如，2014年4月2日，俄罗斯GLONASS导航卫星系统因故障导致服务中断十几个小时；2016年1月26日，GPS的数据上传系统出现故障，导致商用L1波段信道上的卫星发送了错误数据，该故障持续11小时；2019年7月11日至16日，欧洲伽利略导航卫星系统因故障导致服务中断长达117小时之久；此外，卫星授时信号遭受干扰的报道在国内外屡见不鲜，导致各类损失不计其数[18]。因此，寻求一种有线的地面备份授时手段尤为重要；光纤专网授时自身具有抗干扰、高精度、多路由抗毁、低成本等优势，在大多数场景下可作为卫星授时的备份手段。

光纤专网精准授时系统与北斗授时系统联合，可组建“天地互备”的高精度授时系统，如图5所示。地面固定站的时间同步用户同时接收卫星授时信号及光纤专网授时信号，实时比较同步性能后择优选用；当在用授时信号出现性能劣化时，切换至备份授时信号。该应用方式能有效提高各行业时间同步设备的可靠性，具有极佳的应用前景。

图5 天地互备的高精度授时应用示意图

5 结束语

随着各行业领域时间同步需求与日俱增，未来精准授时将成为各行业光纤专网的基础业务之一，并逐步演变为一种增值应用服务“TaaS（Timing as a Service）”。针对各行业应用的迫切需求，业界应加强合作、聚焦共识，进一步推进光纤专网精准授时和天地互备高精度授时系统建设，满足其多样化和高可靠的时间同步应用。