PTN承載高精度時(shí)間同步協(xié)議技術(shù)研究

摘要:對(duì)于時(shí)分同步碼分多址(TD-SCDMA)和時(shí)分長(zhǎng)期演進(jìn)(TD-LTE)無(wú)線系統(tǒng)，采用全球定位系統(tǒng)(GPS)提供時(shí)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(guò)光纖系統(tǒng)傳輸高精度時(shí)間同步信號(hào)將是主流技術(shù)。文章對(duì)采用分組傳送網(wǎng)(PTN)承載IEEE 1588v2提供時(shí)間同步的精度影響因素進(jìn)行了分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和試點(diǎn)測(cè)試初步驗(yàn)證了PTN承載1588v2提供高精度時(shí)間同步信號(hào)的可行性，并比較了PTN承載1588v2的不同模式。

關(guān)鍵字:分組時(shí)延差；邊界時(shí)鐘；透明時(shí)鐘；高精度時(shí)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(guān)鍵字:packet delay variation; boundary clock; transparent clock; precision time synchronicationprotocol

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)間同步的要求越來(lái)越高。CDMA2000、時(shí)分同步碼分多址(TD-SCDMA)、時(shí)分長(zhǎng)期演進(jìn)(TD-LTE)基站都需要高精度的時(shí)間同步。TD-SCDMA規(guī)定的時(shí)間同步指標(biāo)為±1.5 μs，采用本地時(shí)鐘授時(shí)或頻率同步網(wǎng)守時(shí)等方式均無(wú)法滿足要求，而采用每個(gè)時(shí)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(guò)光纖系統(tǒng)傳輸高精度時(shí)間同步信號(hào)將是未來(lái)的主流技術(shù)。

高精度時(shí)間同步信號(hào)地面?zhèn)鬏數(shù)年P(guān)鍵技術(shù)主要包括2個(gè)方面：一方面是高精度時(shí)間協(xié)議，另一方面是對(duì)傳輸中引入的時(shí)延和抖動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)�；�于網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)技術(shù)的時(shí)間同步網(wǎng)精度在數(shù)十毫秒數(shù)量級(jí)，無(wú)法滿足TD要求。IEEE 1588v2協(xié)議采用延時(shí)-請(qǐng)求響應(yīng)機(jī)制，通過(guò)同步消息計(jì)算出從時(shí)鐘與主時(shí)鐘之間的時(shí)間偏差，達(dá)到時(shí)間同步的目的。通過(guò)硬件打時(shí)間戳和采用邊界時(shí)鐘/透明時(shí)鐘來(lái)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)組件或協(xié)議棧引起的時(shí)延和抖動(dòng)，IEEE 1588v2協(xié)議能夠達(dá)到亞微秒級(jí)的同步精度。

IEEE 1588原本是為工控機(jī)之間的同步需求而設(shè)計(jì)的高精度時(shí)間同步協(xié)議(PTP)。當(dāng)應(yīng)用于大規(guī)模的電信網(wǎng)時(shí)，其精度、不同模式、維護(hù)管理和高精度時(shí)間同步協(xié)議(BMCA)等還需要進(jìn)一步研究。

本文對(duì)采用分組傳送網(wǎng)(PTN)承載IEEE 1588v2提供時(shí)間同步的精度影響因素進(jìn)行了分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和試點(diǎn)測(cè)試初步驗(yàn)證了PTN承載1588v2提供高精度時(shí)間同步信號(hào)的可行性，并對(duì)PTN承載1588v2的不同模式進(jìn)行了比較[1-5]。

1 影響時(shí)間同步精度的關(guān)鍵因素

IEEE 1588v2采用主從時(shí)鐘方案，周期發(fā)布時(shí) 鐘。接收方利用網(wǎng)絡(luò)鏈路的對(duì)稱性進(jìn)行時(shí)鐘偏移測(cè)量和延時(shí)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)主從時(shí)鐘的頻率、相位和絕對(duì)時(shí)間的同步。在1588v2報(bào)文傳送過(guò)程中，由于每個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行時(shí)間戳處理，相應(yīng)會(huì)引入時(shí)延和抖動(dòng)，因此傳送網(wǎng)的跳數(shù)會(huì)影響時(shí)間同步信號(hào)的精度。在分組傳送網(wǎng)中，由于采用了存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，分組時(shí)延差(PDV)對(duì)于時(shí)間精度可能有很大影響。對(duì)于邊界時(shí)鐘(BC)和透明時(shí)鐘(TC)模式，由于在PTP包頭中引入了修正字段(CF)來(lái)記錄和補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)處理時(shí)延，因此可以很大程度降低PDV的影響。對(duì)于純透?jìng)髂Ｊ�，業(yè)務(wù)負(fù)載和包長(zhǎng)都將影響時(shí)間精度。此外網(wǎng)絡(luò)保護(hù)倒換、信號(hào)劣化、溫度變化、頻率同步等各種因素也都可能影響時(shí)間同步精度。

1.1 跳數(shù)影響

在BC模式下，由于在每個(gè)節(jié)點(diǎn)終結(jié)PTP報(bào)文，因此上一級(jí)節(jié)點(diǎn)的PDV影響不會(huì)累積，對(duì)時(shí)間精度的主要影響是輸出端口的隊(duì)列。此外，由于每一級(jí)時(shí)鐘都需要同步于主時(shí)鐘，因此在時(shí)鐘恢復(fù)過(guò)程中會(huì)引入漂移，并且這種低頻漂移會(huì)累積。

對(duì)跳數(shù)影響的測(cè)試平臺(tái)如圖1所示。所有PTN節(jié)點(diǎn)配置為BC模式并且通過(guò)同步吉比特以太網(wǎng)(GE)接口互聯(lián)。DUT1通過(guò)1PPS+ToD接口與GPS接收機(jī)相連。時(shí)間測(cè)試儀比較DUTn與GPS的時(shí)間誤差。

不同跳數(shù)下的時(shí)間誤差如圖2所示。在10跳情況下測(cè)試了9個(gè)小時(shí)，時(shí)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(cè)試了9個(gè)小時(shí)，時(shí)間的誤差范圍為-61 ns～192 ns，峰峰值為253 ns；在30跳情況下測(cè)試了4個(gè)小時(shí)，時(shí)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(shí)間精度差別不大，噪聲模型接近于隨機(jī)發(fā)布。