PTN承載高精度時間同步協(xié)議技術研究

摘要:對于時分同步碼分多址(TD-SCDMA)和時分長期演進(TD-LTE)無線系統(tǒng)，采用全球定位系統(tǒng)(GPS)提供時間同步具有施工難、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主流技術。文章對采用分組傳送網(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，并比較了PTN承載1588v2的不同模式。

關鍵字:分組時延差；邊界時鐘；透明時鐘；高精度時間同步協(xié)議

英文摘要:For Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access (TD-SCDMA) and Time Division Long Term Evolution (TD-LTE) wireless systems, using a global positioning system (GPS) to provide time synchronization is problematic. In these wireless systems, GPS is costly, difficult to deploy, and insufficiently secure. Nowadays, transportation of high precision time/phase synchronization signals through Precision Time Protocol (PTP) fiber systems has become mainstream technology. This paper analyzes the main factors affecting the performance of time synchronization through Packet Transport Network (PTN) carrying IEEE 1588v2. In light of laboratory and field trial tests, the possibility of transporting high precision time/phase synchronization signal through PTN carrying 1588v2 is proven. Finally, this paper compares the different models of 1588v2 in PTN.

英文關鍵字:packet delay variation; boundary clock; transparent clock; precision time synchronicationprotocol

隨著移動通信技術的發(fā)展，網(wǎng)絡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。

高精度時間同步信號地面?zhèn)鬏數(shù)年P鍵技術主要包括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�；�于網(wǎng)絡時間協(xié)議(NTP)技術的時間同步網(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計的高精度時間同步協(xié)議(PTP)。當應用于大規(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)務負載和包長都將影響時間精度。此外網(wǎng)絡保護倒換、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�跳數(shù)情況下，時間精度差別不大，噪聲模型接近于隨機發(fā)布。