于佳亮

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關(guān)于通信同步網(wǎng)體系架構(gòu)的探討

于佳亮

（中移鐵通有限公司，北京 100033）

針對我國通信同步網(wǎng)的現(xiàn)狀，分析未來通信對于時間/頻率同步的技術(shù)要求,對比既有國內(nèi)外有關(guān)技術(shù)標準，研究探討新型同步網(wǎng)的體系架構(gòu)、時間溯源、信號傳送及同步網(wǎng)元等，并提出具體的發(fā)展規(guī)劃建議。

通信同步網(wǎng)；時間；頻率

0 引言

通信同步網(wǎng)是通信大系統(tǒng)中重要的基礎(chǔ)支撐網(wǎng)，它為通信網(wǎng)內(nèi)的所有數(shù)字設(shè)備提供同步定時，是保證網(wǎng)絡(luò)高性能可靠運行的關(guān)鍵要素。目前，通信同步網(wǎng)分為頻率同步和時間同步兩大類，隨著通信技術(shù)和新業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，如5G、量子通信、協(xié)同定位等對通信網(wǎng)時間同步性能提出了更高的要求，現(xiàn)有的國內(nèi)通信技術(shù)標準和網(wǎng)絡(luò)同步性能需要對此提供有效支撐。因此，需要研究更高性能的時間同步技術(shù)，需要研究新型同步網(wǎng)的架構(gòu)體系、性能指標、傳送技術(shù)和檢測技術(shù)等。

1 中國通信行業(yè)同步網(wǎng)的現(xiàn)狀

目前，我國基礎(chǔ)電信運營商都分別制定了同步網(wǎng)技術(shù)標準（企標），現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)不一，各具特點，主要采用頻率、時間同步網(wǎng)分別建設(shè)，相對獨立運行的方式。

在通信行業(yè)，傳統(tǒng)頻率同步技術(shù)標準大部分是十幾年前發(fā)布的（其中有的已經(jīng)修訂），而同步以太和時間同步技術(shù)標準是近幾年才發(fā)布的。由于頻率同步網(wǎng)技術(shù)相對成熟，以下主要針對時間同步網(wǎng)進行分析討論。

我國通信行業(yè)標準《高精度時間同步技術(shù)要求》YD/T2375—2011規(guī)范了高精度時間同步網(wǎng)等級結(jié)構(gòu)最多為三級[1]，如圖1所示。

圖1 《高精度時間同步技術(shù)要求》規(guī)范的時間同步網(wǎng)等級結(jié)構(gòu)

三級時間同步節(jié)點及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是結(jié)合我國目前傳送網(wǎng)的實際情況（分為省際骨干傳送網(wǎng)層、省內(nèi)骨干傳送網(wǎng)層和本地傳送網(wǎng)層）而規(guī)定的。該標準還規(guī)定：一級時間同步設(shè)備應(yīng)由兩個銫鐘和兩個衛(wèi)星授時接收機等組成，可通過專用的比對手段，溯源到國內(nèi)更高等級的時間守時基準；二級時間同步設(shè)備由兩個銣鐘和兩個衛(wèi)星授時接收機組成，應(yīng)支持通過地面手段將時間溯源至一級時間同步設(shè)備，支持地面頻率信號守時功能，并應(yīng)能可靠地溯源到我國的頻率同步網(wǎng)；三級時間同步設(shè)備由兩個高穩(wěn)晶振和至少一個衛(wèi)星授時接收機組成，應(yīng)支持通過地面手段將時間溯源至二級時間同步設(shè)備或一級時間同步設(shè)備，支持地面頻率信號守時功能，并應(yīng)能可靠地溯源到我國的頻率同步網(wǎng)。

盡管通信行業(yè)標準已有上述規(guī)定，但是因技術(shù)、條件和認識等原因，各相關(guān)企業(yè)并沒有完全按照該標準執(zhí)行，如時間溯源、銫鐘配置、鏈路組織、頻率守時等，導(dǎo)致規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)難以實現(xiàn)，有的企標還明確規(guī)定在本地構(gòu)建時間同步網(wǎng)并通過全國性的頻率同步網(wǎng)守時；有的運營商盡管執(zhí)行該行業(yè)標準，但是同步網(wǎng)實際運行也存在一定的問題，如時間地面鏈路缺失、過多依賴于衛(wèi)星授時、檢測手段薄弱、性能指標不高、高低等級時間同步網(wǎng)并存等。特別是由于我國時間同步標準早于國際電聯(lián)標準組織 ITU—T相關(guān)標準發(fā)布，標準本身也有待于改進完善。對此，中國通信標準化協(xié)會做出了很大努力，穩(wěn)步推進有關(guān)標準的制定和修訂，且在國際上影響越來越大。

2 國際時間同步技術(shù)發(fā)展趨勢

美國電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）在2008年發(fā)布網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議1588v2規(guī)范，能夠在廣域范圍實現(xiàn)微秒量級的時間同步。目前IEEE正在研究1588v3技術(shù)規(guī)范，以期能夠?qū)崿F(xiàn)更高準確度的時間同步，預(yù)計在明年可完成標準草案。此外，ITU—T G.827x的系列標準大部分已經(jīng)發(fā)布并獲得應(yīng)用。ITU—T J.211規(guī)范了DTI技術(shù)，可實現(xiàn)微秒量級的時間同步，用于局內(nèi)分配使用。

對于基于分組網(wǎng)絡(luò)的時間同步網(wǎng)體系架構(gòu)，ITU/T G.8271明確了兩種方式[2]，見圖2。兩種方式的差別在于時間鏈路末端C點的具體位置（T-TSC是否集成在應(yīng)用端）。

圖2 ITU/T G.8271規(guī)范的時間同步體系架構(gòu)[2]

對于此種應(yīng)用環(huán)境（側(cè)重于本地層面），對比國內(nèi)相關(guān)標準，在時間同步網(wǎng)體系架構(gòu)方面的主要差別在于ITU標準沒有界定我國傳統(tǒng)的時鐘等級，但是明確定義了A，B，C，D 四個參考點，并基于各參考點做出性能指標規(guī)范。如果不計末端應(yīng)用段（C~D）鏈路，從同步網(wǎng)的范疇來看，這種時間同步網(wǎng)架構(gòu)更加簡潔且扁平化。主參考時間源（PRTC）和時間主鐘（T-GM）的組合相當于時間服務(wù)器，從B點開始到C點是由多個邊界時鐘（T-BC）承載于分組網(wǎng)絡(luò)，C點可直接向應(yīng)用端傳送時間信號。

ITU/T G.8261規(guī)范了頻率同步的業(yè)務(wù)流的網(wǎng)絡(luò)模型和時鐘漂動累積[3]，如圖3所示。

圖3 G.8261建議的業(yè)務(wù)流的網(wǎng)絡(luò)模型和時鐘漂動累積[3]

3 關(guān)于時間同步網(wǎng)體系架構(gòu)的討論

通過以上對比，可以看出我國現(xiàn)行行業(yè)標準規(guī)范的時間同步網(wǎng)體系架構(gòu)與國際相關(guān)標準的主要差異。對此，我們需要在以下幾個方面進行深入研究。

3.1 時間信號地面?zhèn)魉秃托l(wèi)星授時的關(guān)系

鑒于我國通信行業(yè)現(xiàn)行時間同步標準中明確：各級時間節(jié)點都配衛(wèi)星接收機，且直接接受衛(wèi)星授時，導(dǎo)致地面時間傳送顯得“可有可無”。而且行業(yè)標準中提到：“一級時間節(jié)點與二級時間節(jié)點間的地面?zhèn)魉图夹g(shù)待研究”，如此表述等同于允許一、二級時間節(jié)點暫時不需要地面互聯(lián)。因此，目前主要電信運營商的時間同步網(wǎng)基本上是在本地網(wǎng)層面上組網(wǎng)，即時間同步網(wǎng)還是分散的（沒有做到全國統(tǒng)一在地面成網(wǎng)）。即使是在本地層面，如4G（TD-LTE）的室外基站同步，由于BBU已經(jīng)內(nèi)置了衛(wèi)星接收模塊，基本是通過GNSS直接授時，現(xiàn)實情況是LTE室外基站對于地面時間同步并不依賴。盡管有的電信運營商大規(guī)模建設(shè)了時間同步網(wǎng)（1588v2），但是它對于目前的無線接入網(wǎng)同步而言，實際上還是處于輔助和備選的地位（可用于室內(nèi)基站同步）。各本地網(wǎng)甚至業(yè)務(wù)終端直接接收衛(wèi)星授時是比較普遍的現(xiàn)狀（或可稱為常態(tài)），這似乎既增加了建設(shè)和維護成本，也不便于維護管理，更為關(guān)鍵的問題是系統(tǒng)的安全性可靠性較低，一旦衛(wèi)星信號失效，將導(dǎo)致通信系統(tǒng)受到不利影響。因此，需要改變過度依賴衛(wèi)星單向授時的現(xiàn)狀。

3.2 是否需要分級規(guī)劃和設(shè)計

我國通信時間同步網(wǎng)按照三個等級的原則設(shè)置，而ITU—T在分組網(wǎng)絡(luò)中規(guī)范了扁平化的同步網(wǎng)體系架構(gòu)。特別是在規(guī)定的時間等級與頻率質(zhì)量等級對應(yīng)關(guān)系方面，我國通信行標要求與國外主張存在一定差別，ITU—T考慮到我國的實際需求，在G.8275.1標準中增加了附件IV，給出與我國要求基本一致的時鐘質(zhì)量等級對應(yīng)列表。

結(jié)合實際運用的情況來分析，按照目前國內(nèi)時間同步網(wǎng)等級的規(guī)定，所謂的三個等級的時間同步節(jié)點，在衛(wèi)星信號可用的情況下，已經(jīng)沒有實際意義。理由有3點：一是三個等級時間節(jié)點輸出時間性能指標相同，即相對于UTC偏差均為±150 ns；二是目前常態(tài)下三級時間節(jié)點之間并沒有直接的信號傳送關(guān)系；三是這種分等級的意義只是在衛(wèi)星授時信號不可用時才體現(xiàn)出來，而在常態(tài)情況下，并不需要區(qū)分時間同步網(wǎng)的等級。因此，即使劃分了三個等級，在通常情況下，實際意義并不大，特別是一級時間節(jié)點要求配置銫鐘等，更顯得不必要。因為常態(tài)下不需要，特殊情況下（衛(wèi)星信號不可用時）完全可以通過頻率同步網(wǎng)獲取守時信號，如果是時間頻率合一的同步體系就更容易實現(xiàn)守時。

類似情況，在我國的頻率同步標準體系中也有體現(xiàn)。通信行業(yè)現(xiàn)行標準中規(guī)定了一、二、三級時鐘等級，而ITU—T規(guī)范的是PRC，LPR，SSU—T，SSU—R和SEC等，兩套規(guī)定或名稱同時運用，出現(xiàn)很多不便，特別是我們的制造企業(yè)、設(shè)計單位和運營商越來越多的走向世界，需要與國際主流標準統(tǒng)一。因此，盡管已經(jīng)實際運用多年，三級時鐘的規(guī)定是否繼續(xù)保留下去是值得商榷的。

3.3 時間同步網(wǎng)與頻率同步網(wǎng)的關(guān)系

我國現(xiàn)行標準明確規(guī)定：時間同步網(wǎng)與頻率同步網(wǎng)原則上在定時鏈路組織、選源機制等方面邏輯上應(yīng)該相互獨立，時間同步網(wǎng)內(nèi)承載設(shè)備的頻率同步規(guī)劃應(yīng)遵循頻率同步網(wǎng)的組網(wǎng)原則。在衛(wèi)星授時接收機失效的情況下，時間同步網(wǎng)內(nèi)二級和三級時間同步設(shè)備的時間同步信號應(yīng)來自上級時間同步設(shè)備，當來自上級時間同步設(shè)備的時間同步信號不可用時，時間同步設(shè)備應(yīng)能利用源自頻率同步網(wǎng)的頻率同步信號進行守時。

這種組網(wǎng)方式考慮得比較全面，但是相對比較復(fù)雜，實際落實的情況并不好，如有的企業(yè)就沒有執(zhí)行通信行標的該體制。筆者認為：既然時間和頻率是緊密聯(lián)系的，且時間信號中包含了頻率的成分，就沒有必要在物理網(wǎng)絡(luò)層面將兩者人為割裂開來。主流設(shè)備廠家已經(jīng)可以提供高性能的時間/頻率綜合一體化的設(shè)備，應(yīng)該統(tǒng)一規(guī)劃并設(shè)計新型同步網(wǎng)運用體系，同時滿足整個通信同步網(wǎng)的需求。

從發(fā)展歷程來看，通信行業(yè)的頻率同步網(wǎng)建設(shè)運用在前，時間同步網(wǎng)出現(xiàn)在后，而且時間同步需求在近十年變化較大，導(dǎo)致目前這種局面是有客觀原因的。但是，希望在我國“十三五”規(guī)劃期間，統(tǒng)一的時頻同步網(wǎng)應(yīng)該有所突破，尤其是在技術(shù)標準方面應(yīng)該做出相應(yīng)修訂，建議大力推行時間和頻率同步網(wǎng)的物理合一、邏輯分設(shè)，乃至完全融合。

3.4 同步區(qū)域劃分

我國地域相對較廣，受現(xiàn)有技術(shù)限制，通信同步網(wǎng)難以用一個全同步區(qū)覆蓋全國（實際也無必要）。因此，統(tǒng)一基準的分布式同步網(wǎng)體系架構(gòu)可能是相對合適的，核心難點是如何經(jīng)濟有效地實現(xiàn)統(tǒng)一時頻基準和同步區(qū)域劃到多大合適。

對于同步區(qū)基本單元是繼續(xù)以行政?。壳爸袊膶嶋H情況）劃分，還是以地級市（或更小區(qū)域）為單元來規(guī)劃，需要深入研究論證，筆者建議明確在地級市（本地網(wǎng)）層面布設(shè)EPRTC，組織統(tǒng)一的通信同步網(wǎng)，基本要點是統(tǒng)一溯源（如溯源到中國科學(xué)院國家授時中心）、分布式混合同步（同步區(qū)之間準同步、同步區(qū)內(nèi)主從同步、時間頻率一體化、性能指標可驗證、可校準）。構(gòu)建高性能的分布式體系，能大大提高整個通信同步體系的可靠性和可用性，還可以節(jié)省大量的建設(shè)及維護費用。

中國聯(lián)通采用頻率同步網(wǎng)覆蓋全國，時間同步網(wǎng)僅在本地組網(wǎng)運用，頻率同步網(wǎng)為時間同步網(wǎng)提供守時支持，并在企標中明確：PRTC+GM可以是獨立設(shè)備，也可以與LPR/RRU合并為一個混合設(shè)備，在邏輯層面區(qū)分頻率和時間應(yīng)用，是一行之有效的方式，其他企業(yè)也有類似實際應(yīng)用。

3.5 基準時間溯源

由于現(xiàn)有的通信基準時間同步性能指標主要是相對于UTC而規(guī)定的，且根據(jù)目前的時間準確度的要求，基準時間溯源方式通常是采用GNSS衛(wèi)星單向授時，同步網(wǎng)時間源頭準確度可達數(shù)十納秒級別。如果要求進一步提高授時準確度，需要采用衛(wèi)星共視方式（優(yōu)于5ns）或精密單點定位、衛(wèi)星雙向（1ns）、光纖授時等方式溯源。為了實現(xiàn)時間基準的統(tǒng)一，通過衛(wèi)星共視方式溯源到國家授時中心（或者是行業(yè)的授時中心），不僅可以實現(xiàn)高準確度的時間信號獲取，而且可以實時在線監(jiān)測時間偏差性能，便于集中維護管理同步網(wǎng)，應(yīng)該成為今后重點推廣的方式之一。

我國正在規(guī)劃建設(shè)時空基準平臺（類似美國的PNT）和地基授時系統(tǒng)等，它們建成后也可以為電信運營商同步授時提供新的選擇途徑。如果能跨行業(yè)共享國家時頻基礎(chǔ)資源、有利于簡化網(wǎng)絡(luò)層次，節(jié)省建設(shè)和維護費用，提升系統(tǒng)安全性。將來要從通信系統(tǒng)外的國家授時中心溯源，還可以就近引入北斗地基增強系統(tǒng)等，直接部署到地級市（甚至用戶端），這是對于國家和企業(yè)都有利的方案。

4 時間同步網(wǎng)元設(shè)備

時間同步網(wǎng)是由基準時間源、同步網(wǎng)元設(shè)備和相應(yīng)的傳送鏈路等構(gòu)成，其中網(wǎng)元設(shè)備是關(guān)鍵的節(jié)點。

4.1 衛(wèi)星共視系統(tǒng)

ITU—T/G.8271明確要求：采用衛(wèi)星共視方式進行遠程時頻比對和高準確度測試[2]，也提出時間基準可溯源到國家級時頻實驗室。我國標準規(guī)定：一級時間同步設(shè)備可通過專用的比對手段，采用共模共視法（CMCV，common mode common view method）進行異地同步溯源（如溯源至國家授時中心的國家時頻標準系統(tǒng)）。衛(wèi)星共視作為時鐘比對和異地溯源的重要技術(shù)，已有成熟產(chǎn)品用于遠程時頻比對或授時，但是在我國通信領(lǐng)域應(yīng)用極少，缺少具體的運用標準和性能評估標準，需要大力推動此項技術(shù)的應(yīng)用，改變目前檢測手段薄弱的現(xiàn)狀。

4.2 原子鐘

我國通信行業(yè)標準規(guī)定一級時間同步設(shè)備應(yīng)由兩個銫鐘和兩個衛(wèi)星授時接收機等組成。目前通信用銫鐘基本是采用美國Microsemi 5071A，近幾年OSA的銫鐘等進入國內(nèi)市場，國產(chǎn)商品銫鐘和氫鐘也已有運用，既提高了鐘源的性能，也使用戶增加了選擇性。國家正在規(guī)劃建設(shè)時空基準平臺，結(jié)合引入國家授時中心資源，如果能共享公共時頻基礎(chǔ)設(shè)施，不僅能提高整個同步體系的可靠性和可用性，且可以節(jié)省昂貴的銫鐘等建設(shè)及維護費用。因此，現(xiàn)實和今后應(yīng)該重點考慮新的規(guī)劃思路，摒棄自成體系的傳統(tǒng)規(guī)劃理念。

超高精度同步源頭技術(shù)需要加強研究，比如采用本地多源進行加權(quán)同步技術(shù)，高準確度時間頻率信號地面?zhèn)魉头绞健⑻岣呔W(wǎng)絡(luò)運用指標要求（30ns乃至亞納秒級）等，對于現(xiàn)有的同步設(shè)備提出更高的要求，原子鐘需要更高性能的，國外廠家已經(jīng)研制出可以運用的成套裝置。此外，銣鐘和高穩(wěn)晶振技術(shù)性能均在穩(wěn)步提升，加之從鐘增強技術(shù)、DTI技術(shù)等，可以支持通信同步網(wǎng)性能指標的進一步提高。

4.3 時間同步設(shè)備

同步時鐘綜合分配系統(tǒng)（BITS，building integrated timing system），目前主要是華為、大唐、迅騰等公司產(chǎn)品在國內(nèi)通信網(wǎng)內(nèi)運用，瑞士OSA的BITS也將進入中國市場。時間同步設(shè)備生產(chǎn)廠家相對較多，目前國內(nèi)通信行業(yè)較多采用華為、大唐、煙臺持久等公司的產(chǎn)品。目前時頻同步設(shè)備的主要問題是缺少可信任的同步性能實時在線監(jiān)測手段和方法，該問題成為突出的薄弱環(huán)節(jié)[4]，需要盡快解決。

ITU—TG.8273.2標準中對時間誤差進行了嚴格的要求，適應(yīng)移動網(wǎng)絡(luò)兩個相鄰基站之間不超過 500ns的時間誤差。ITU—TG.8273.2為兩類同步設(shè)備制定了具體的標準，包括A類設(shè)備最大時間誤差為50ns；B類設(shè)備最大時間誤差為20ns。由于符合G.8273.2標準的部件已經(jīng)面市，一些設(shè)備制造商已經(jīng)開始供應(yīng)能夠支持G.8273.2的設(shè)備，并努力研制單節(jié)點時延小于5ns的設(shè)備，將更有利于同步網(wǎng)性能的提升。有關(guān)同步網(wǎng)技術(shù)性能方面的具體內(nèi)容請參見參考文獻[5]。

5 結(jié)論

本文針對通信高性能時間同步的關(guān)鍵技術(shù)，對比了國內(nèi)外相關(guān)標準的差別，針對滿足5G等通信發(fā)展要求，探討了同步組網(wǎng)方案、基準源、同步傳送、性能監(jiān)測技術(shù)等并提出相應(yīng)建議，概括起來，需要進一步研究的問題如下：

①高精度同步組網(wǎng)方案，包括同步組網(wǎng)模型，時間/頻率網(wǎng)統(tǒng)一等；

②端到端同步指標分配模型等，時間偏差值確定等；

③滿足要求的高準確度同步設(shè)備，超高精度時間同步分配技術(shù)；

④高準確度時間同步傳送技術(shù)研究，涉及CMCV，1588v3技術(shù)，光纖傳送技術(shù)等；

⑤高準確度時間同步性能監(jiān)測技術(shù)。

以上的部分內(nèi)容受篇幅限制，將另文介紹。拋磚引玉，期望得到批評指正。

[1] YD/T2375─2011, 中國通信行業(yè)標準《高精度時間同步技術(shù)要求》[S].

[2] ITU/T─G.8271, 分組交換網(wǎng)絡(luò)中的時間與相位同步總體要求[S].

[3] ITU/T─G.8261, 以太網(wǎng)時鐘同步標準[S].

[4] 于天澤, 于佳亮. 關(guān)于同步網(wǎng)性能在線監(jiān)測技術(shù)規(guī)范性及有效性的研究[J]. 電信工程技術(shù)與標準化, 2016, 29(229): 48-53.

[5] 于佳亮. 關(guān)于通信時間同步網(wǎng)技術(shù)性能標準的探討[J]. 電信工程技術(shù)與標準化, 2016, 29(7): 31-35.

Discussion on the communication synchronization network architecture

YU jia-liang

(China Mobile Tietong, Beijing 100033, China)

According to the current situation of China,s telecommunication synchronization network, the future communication technical requirement for time and frequency synchronization is analyzed. Comparing the relevant existing technical standards both at home and abroad, the new synchronization network’s architecture, time traceability, signal transmission and synchronization NE are studied and discussed, and practical development proposals are presented in this paper.

communications synchronization network; time; frequency

TN929.5

A

1674-0637(2017)03-0193-06

10.13875/j.issn.1674-0637.2017-03-0193-06

2017-01-18

于佳亮，男，高級工程師，主要從事通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和時頻同步技術(shù)研究。