隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)對時間同步的要求越來越高。CDMA2000、時分同步碼分多址(TD-SCDMA)、時分長期演進(TD-LTE)基站都需要高精度的時間同步。TD-SCDMA規(guī)定的時間同步指標為±1.5 μs，采用本地時鐘授時或頻率同步網(wǎng)守時等方式均無法滿足要求，而采用每個時分(TD)基站加裝全球定位系統(tǒng)(GPS)的方式則面臨施工難、成本高和不安全等弊端。

利用同步協(xié)議通過光纖系統(tǒng)傳輸高精度時間同步信號將是未來的主流技術(shù)。

高精度時間同步信號地面?zhèn)鬏數(shù)年P(guān)鍵技術(shù)主要包括2個方面:一方面是高精度時間協(xié)議，另一方面是對傳輸中引入的時延和抖動進行補償?shù)募夹g(shù)?；诰W(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(NTP)技術(shù)的時間同步網(wǎng)精度在數(shù)十毫秒數(shù)量級，無法滿足TD要求。IEEE 1588v2協(xié)議采用延時-請求響應(yīng)機制，通過同步消息計算出從時鐘與主時鐘之間的時間偏差，達到時間同步的目的。通過硬件打時間戳和采用邊界時鐘/透明時鐘來補償網(wǎng)絡(luò)組件或協(xié)議棧引起的時延和抖動，IEEE 1588v2協(xié)議能夠達到亞微秒級的同步精度。

IEEE 1588原本是為工控機之間的同步需求而設(shè)計的高精度時間同步協(xié)議(PTP)。當應(yīng)用于大規(guī)模的電信網(wǎng)時，其精度、不同模式、維護管理和高精度時間同步協(xié)議(BMCA)等還需要進一步研究。

本文對采用分組傳送網(wǎng)(PTN)承載IEEE 1588v2提供時間同步的精度影響因素進行了分析，通過實驗和試點測試初步驗證了PTN承載1588v2提供高精度時間同步信號的可行性，并對PTN承載1588v2的不同模式進行了比較[1-5]。

1 影響時間同步精度的關(guān)鍵因素

IEEE 1588v2采用主從時鐘方案，周期發(fā)布時 鐘。接收方利用網(wǎng)絡(luò)鏈路的對稱性進行時鐘偏移測量和延時測量，實現(xiàn)主從時鐘的頻率、相位和絕對時間的同步。在1588v2報文傳送過程中，由于每個傳輸節(jié)點要進行時間戳處理，相應(yīng)會引入時延和抖動，因此傳送網(wǎng)的跳數(shù)會影響時間同步信號的精度。在分組傳送網(wǎng)中，由于采用了存儲轉(zhuǎn)發(fā)機制，分組時延差(PDV)對于時間精度可能有很大影響。對于邊界時鐘(BC)和透明時鐘(TC)模式，由于在PTP包頭中引入了修正字段(CF)來記錄和補償節(jié)點處理時延，因此可以很大程度降低PDV的影響。對于純透傳模式，業(yè)務(wù)負載和包長都將影響時間精度。此外網(wǎng)絡(luò)保護倒換、信號劣化、溫度變化、頻率同步等各種因素也都可能影響時間同步精度。

1.1 跳數(shù)影響

在BC模式下，由于在每個節(jié)點終結(jié)PTP報文，因此上一級節(jié)點的PDV影響不會累積，對時間精度的主要影響是輸出端口的隊列。此外，由于每一級時鐘都需要同步于主時鐘，因此在時鐘恢復(fù)過程中會引入漂移，并且這種低頻漂移會累積。

對跳數(shù)影響的測試平臺如圖1所示。所有PTN節(jié)點配置為BC模式并且通過同步吉比特以太網(wǎng)(GE)接口互聯(lián)。DUT1通過1PPS+ToD接口與GPS接收機相連。時間測試儀比較DUTn與GPS的時間誤差。

不同跳數(shù)下的時間誤差如圖2所示。在10跳情況下測試了9個小時，時間誤差范圍為-120.3 ns～131.5 ns，峰峰值為252 ns;在20跳情況下測試了9個小時，時間的誤差范圍為-61 ns～192 ns，峰峰值為253 ns;在30跳情況下測試了4個小時，時間誤差范圍為-239.3 ns～26.8 ns，峰峰值為266 ns?？梢钥闯鲈诓煌鴶?shù)情況下，時間精度差別不大，噪聲模型接近于隨機發(fā)布。

1.2 PDV對純透傳模式的影響

將圖1測試平臺的各個PTN節(jié)點配置為純透傳模式，分別采取無負載和加載90%的負載。90%的負載時包長分別為64字節(jié)、576字節(jié)和1 518字節(jié)，輸出時間的誤差峰峰值分別為250 ns、450 ns、3 200 ns和10 μs，得到PDV對純透傳模式的影響如圖3所示?？梢钥闯?，負載越大、包長越長對時間同步精度影響越大。如果要采用純透傳模式提供高精度時間同步信號，還需要針對PDV進行很多優(yōu)化。

1.3 網(wǎng)絡(luò)倒換的影響

當時間源、鏈路和時鐘板發(fā)生倒換時，會引起頻率和相位的跳變，可能會影響到時間精度。經(jīng)測試，時間源倒換會引入6 ns的時間誤差，光纖線路倒換引入26 ns的時間誤差，時鐘板倒換引入13 ns時間誤差。網(wǎng)絡(luò)倒換對時間精度的影響如圖4所示?？梢钥闯?，網(wǎng)絡(luò)倒換對時間精度影響均在30 ns以內(nèi)，在指標分配中留有50 ns余量即可。

1.4 信號劣化和溫度變化的影響

當信號發(fā)生劣化時，會引起丟包率的提高。當外界溫度發(fā)生變化時，可能會影響到時鐘的性能，從而影響時間精度。當插入誤碼為1×10-3時，時間誤差峰峰值仍然在110 ns以內(nèi)，與無誤碼時性能相同。當PTN節(jié)點溫度從-10℃變化到50℃時，時間誤差峰峰值在40 ns以內(nèi)，且時間變化與溫度變化并不一致。

1.5 頻率同步對時間同步的影響

PTN可以通過同步以太網(wǎng)從物理層獲取時鐘，也可通過1588v2報文恢復(fù)時鐘。當PTN通過同步以太網(wǎng)獲取頻率同步，而通過1588v2獲取時間/相位同步時，可以稱之為緊耦合方式;當PTN通過1588v2同時恢復(fù)頻率同步和時間/相位同步時，稱之為松耦合方式。

緊耦合和松耦合情況下的時間同步性能如圖5所示。圖5顯示了兩種方式在正常情況下的時間精度。緊耦合情況下時間誤差峰峰值為22 ns，松耦合情況下時間的誤差峰峰值為67 ns，可以看出其性能一致。

緊耦合方式下，頻率同步對時間精度的影響如圖6所示。當頻率處于保持狀態(tài)時(頻偏為5×10-9)，輸出的時間誤差峰峰值為100 ns;頻率處于自由振蕩狀態(tài)時(頻偏為3.8×10-8)，時間同步信號丟失。

可以看出這兩種方式各有優(yōu)缺點。當采用緊耦合方式時，頻率同步信號劣化和丟失將影響時間同步信號;當采用松耦合方式時，則各個PTN的本地時鐘跟蹤1588v2時鐘的時間會大大增長。此外，采用松耦合方式，需要提高1588v2報文的頻率，增大了網(wǎng)絡(luò)負荷，因此一般采用緊耦合方式。

2 BC模式下時間同步的長期穩(wěn)定度

為了驗證PTN承載1588v2在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)情況下的長期穩(wěn)定度，特在現(xiàn)網(wǎng)進行了試點。試點網(wǎng)絡(luò)包含3個核心PTN節(jié)點、3個匯聚PTN節(jié)點和58個接入PTN節(jié)點。每個接入節(jié)點均帶一個TD-SCDMA基站。如圖7所示。所有PTN節(jié)點均采用BC模式。所有光纖段落都對時延不對稱性進行了補償。頻率同步通過同步以太網(wǎng)獲取，時間接口包括1PPS+ToD接口和快速以太網(wǎng)/千兆比以太網(wǎng)(FE/GE)接口。

當采用FE接口時，72小時的時間誤差峰峰值為65 ns，如圖8所示。其最大時間間隔誤差(MTIE)和時間偏差(TDEV)如圖9所示。可以看出時間輸出非常穩(wěn)定，噪聲接近于隨機分布，且相對較少。

3 結(jié)束語

對于TD-SCDMA和TD-LTE等無線系統(tǒng)，采用GPS提供時間同步面臨施工難、成本高和不安全等弊端。利用同步協(xié)議通過光纖系統(tǒng)傳輸高精度時間同步信號將成為主流技術(shù)。目前，采用PTN承載1588v2提供高精度時間同步已經(jīng)初步具備可行性。由于現(xiàn)網(wǎng)中許多光纖段落不對稱，因此應(yīng)該進行逐段補償。BC和TC模式均可以很好地消除PDV的影響。相對而言BC模式更加簡單。目前，關(guān)于時間同步在電信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的標準還不成熟，對時間同步的應(yīng)用經(jīng)驗也不豐富。相信時間同步會率先在PTN網(wǎng)絡(luò)中得到應(yīng)用，將來光傳送網(wǎng)(OTN)和無源光網(wǎng)絡(luò)(PON)承載高精度時間同步也會得到廣泛應(yīng)用。

4 參考文獻

[1] Report of the Lannion SG15/13 interim meeting[R]. WD03， ITU-T SG15 Q13. 2009.

[2] LI Han， HAN Liuyan. Analysis of time synchronization performance using PTP in hybrid transport network[R]. CMCC， WD64， ITU-T SG15 Q13. 2010.

[3] LI Han， HAN Liuyan. Proposal of accelerating MTIE and TDEV model study for time synchronization[R]. CMCC， WD63， ITU-T SG15 Q13. 2010.

[4] LI Han， WANG Lei. Test and analysis of time synchronization using 1588v2 for transport network[R]. CMCC， C599， ITU-T SG15 Q13. 2009.

[5] LI Han， WANG Lei. Time distribution model using 1588v2 for performance indication[R]. CMCC， C601， ITU-T SG15 Q13. 2009.

收稿日期:2010-03-16

李晗，北京郵電大學(xué)博士畢業(yè);中國移動研究院副主任研究員，主要負責傳輸、有線接入和同步技術(shù)的研究工作;已在國內(nèi)外刊物發(fā)表論文50余篇，申請專利20多項;已發(fā)表ITU文稿50多篇，并擔任ITU-T Editor。