IP RAN中IEEE 1588v2時(shí)鐘同步技術(shù)的研究與探討

尹遠(yuǎn)陽(yáng)，楊廣銘，孫嘉琪/Yin Yuanyang，Yang Guangming，Sun Jiaqi

（中國(guó)電信股份有限公司廣州研究院 廣州510630）

1 引言

隨著移動(dòng)承載網(wǎng)絡(luò)IP化發(fā)展和4G 無線通信的商用，各大運(yùn)營(yíng)商都在打造屬于自己的IP 承載網(wǎng)絡(luò)。4G 頻段的使用，意味著需要更多的基站來完成移動(dòng)業(yè)務(wù)的開放，而無線通信業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)間的精準(zhǔn)同步要求較高，因此，各大運(yùn)營(yíng)商針對(duì)業(yè)務(wù)需求，明確提出要解決全網(wǎng)時(shí)鐘同步的問題。在無線IP 承載網(wǎng)絡(luò)中，為保證通信系統(tǒng)的質(zhì)量，必須達(dá)到精確的網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步[1]。

LTE-TDD 系統(tǒng)是全網(wǎng)同步系統(tǒng)，要求各基站節(jié)點(diǎn)嚴(yán)格保持無線接口同步精度為±3 μs；在以共同參考源為基準(zhǔn)的前提下，要求時(shí)鐘同步精度小于±1.5 μs，頻率同步精度偏差小于0.05 ppm。LTE中以共同參考源為基準(zhǔn)的eMBMS 要求同步精度小于等于±1 μs，這就要求各基站節(jié)點(diǎn)從精準(zhǔn)時(shí)鐘源提取時(shí)鐘信號(hào)來保證無線接口的時(shí)鐘同步[2,3]。在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，復(fù)雜環(huán)境在不增加建設(shè)成本的情況下如何實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘精準(zhǔn)同步，確保網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)維護(hù)簡(jiǎn)單化，對(duì)保證移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的可靠性顯得尤為重要。本文針對(duì)地鐵、復(fù)雜樓宇等不能通過GPS 獲取時(shí)鐘的場(chǎng)景，在IP RAN（Radio Access Network，無線接入網(wǎng)絡(luò)）中研究和探討采用IEEE 1588v2 來實(shí)現(xiàn)基站時(shí)鐘同步。

2 IP RAN的架構(gòu)現(xiàn)狀及IEEE 1588時(shí)鐘協(xié)議原理

2.1 IP RAN的架構(gòu)及GPS時(shí)鐘問題

IP RAN 基于靈活的IP 通信設(shè)計(jì)理念，主要運(yùn)用IP/MPLS 協(xié)議完成業(yè)務(wù)承載，用于滿足當(dāng)前2G/3G/4G 基站業(yè)務(wù)及政企大客戶等綜合承載需求，實(shí)現(xiàn)無線回傳網(wǎng)絡(luò)IP化、高速化、多點(diǎn)化。IP RAN 物理組網(wǎng)主要分為接入層、匯聚層、核心層及業(yè)務(wù)層，IP RAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

目前，各運(yùn)營(yíng)商所建的IP RAN 承載網(wǎng)絡(luò)中，大多是通過在基站附近專門建立一套GPS 設(shè)備直接獲取GPS時(shí)鐘來滿足網(wǎng)絡(luò)同步要求。但是隨著4G 海量基站的建設(shè)，在特定場(chǎng)景下（如地下商場(chǎng)、地鐵站、高樓大廈等），采用GPS時(shí)鐘同步方案存在以下問題。

圖1 IP RAN 架構(gòu)

①GPS 要求天線有良好的對(duì)空視界，保證接收機(jī)能收到有效的信號(hào)，這樣增加了GPS 選址的難度；天線和基站之間需要架設(shè)饋線，對(duì)于復(fù)雜的樓宇、地鐵站和場(chǎng)館的架設(shè)，施工難度比較大，同時(shí)也增加了架設(shè)成本[4]。

②基站失步會(huì)干擾整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)營(yíng)，并且基站分布范圍比較廣，因此給網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)與維護(hù)帶來了很多問題。

③由于基站沒有其他備份的時(shí)鐘，系統(tǒng)可靠性降低，如防空等軍事區(qū)域要求實(shí)施GPS 干擾，將導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)失步，業(yè)務(wù)無法正常使用[5]。另外，GPS 系統(tǒng)受其他國(guó)家限制，一旦發(fā)生特殊情況將GPS 關(guān)閉，就會(huì)造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓，導(dǎo)致很大的戰(zhàn)略隱患。

研究發(fā)現(xiàn)，IEEE 1588v2時(shí)鐘協(xié)議能很好地解決上述各種問題。

2.2 IEEE 1588 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘同步協(xié)議原理

2002年，網(wǎng)絡(luò)精密時(shí)鐘同步委員會(huì)在IEEE 儀器和測(cè)量委員會(huì)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所以及IEEE 標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的支持下，起草并通過了IEEE 1588v2時(shí)鐘同步標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，它的主要工作原理是通過一個(gè)同步信號(hào)周期性地對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘進(jìn)行校正同步，進(jìn)而使基于以太網(wǎng)的分布式系統(tǒng)達(dá)到精確同步[5]。

2.2.1 時(shí)鐘分類

IEEE 1588v2 將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的時(shí)鐘分為普通時(shí)鐘（Ordinary Clock，OC）和邊界時(shí)鐘（Boundary Clock，BC），普通時(shí)鐘只有一個(gè)PTP 通信端口，邊界時(shí)鐘則有一個(gè)以上PTP 通信端口，每個(gè)PTP 端口提供獨(dú)立的PTP 通信。其中，邊界時(shí)鐘通常用在確定性較差的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如交換機(jī)和路由器）上。

此外，從通信關(guān)系上又可把時(shí)鐘分為主時(shí)鐘和從時(shí)鐘，理論上任何時(shí)鐘都能實(shí)現(xiàn)主時(shí)鐘和從時(shí)鐘的功能，但一個(gè)PTP 通信子網(wǎng)內(nèi)只能有一個(gè)主時(shí)鐘。整個(gè)區(qū)域系統(tǒng)中的最優(yōu)時(shí)鐘為最高級(jí)時(shí)鐘（Grandmaster Clock，GMC），具有最好的穩(wěn)定性、精確性、確定性等。根據(jù)各節(jié)點(diǎn)上時(shí)鐘的精度和級(jí)別以及UTC（通用協(xié)調(diào)時(shí)間）的可追溯性等特性，由最佳主時(shí)鐘（Best Master Clock）算法來自動(dòng)選擇各子網(wǎng)內(nèi)的主時(shí)鐘；在只有一個(gè)子網(wǎng)的系統(tǒng)中，主時(shí)鐘就是GMC。每個(gè)系統(tǒng)只有一個(gè)GMC 主時(shí)鐘，從時(shí)鐘與主時(shí)鐘保持同步。

典型的主時(shí)鐘、從時(shí)鐘關(guān)系如圖2所示，高級(jí)時(shí)鐘是一個(gè)通過GPS 天線獲取與GPS 同步的時(shí)鐘，它是子域的時(shí)鐘源，通過主從時(shí)鐘接口構(gòu)成時(shí)鐘傳遞系統(tǒng)。在時(shí)鐘傳遞系統(tǒng)中，可以通過本地時(shí)鐘震蕩器的機(jī)械因素及相關(guān)原理來校正時(shí)鐘頻率，降低漂移，保證整個(gè)子域的網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步。

圖2 主時(shí)鐘、從時(shí)鐘關(guān)系示意

2.2.2 時(shí)鐘同步協(xié)議原理

在主從時(shí)鐘同步協(xié)議中，主從設(shè)備間通過收發(fā)PTP 報(bào)文實(shí)現(xiàn)鏈路時(shí)間的記錄和分析，從而計(jì)算出鏈路傳輸時(shí)延，再根據(jù)計(jì)算出的時(shí)間差和鏈路時(shí)延補(bǔ)償方式調(diào)整從設(shè)備的時(shí)鐘時(shí)間，最終使從時(shí)鐘能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)鐘同步。主從時(shí)鐘同步協(xié)議原理如圖3所示。

圖3 時(shí)鐘同步協(xié)議原理

從圖3的同步原理可知，時(shí)鐘同步主要分為以下4 步。

①主時(shí)鐘間隔一定時(shí)間向從時(shí)鐘發(fā)送Sync 同步報(bào)文，在報(bào)文發(fā)出的同時(shí)記錄發(fā)出的時(shí)間t1；當(dāng)從時(shí)鐘收到Sync 同步報(bào)文時(shí)，記錄收到報(bào)文的時(shí)間t2，此時(shí)，從時(shí)鐘知道t2的時(shí)間值。

②主時(shí)鐘發(fā)送完Sync 同步報(bào)文后，在Follow_Up 報(bào)文中會(huì)攜帶發(fā)送時(shí)間t1的值發(fā)往從時(shí)鐘，于是從時(shí)鐘可以得到t1和t2的時(shí)間值。

③從時(shí)鐘收到Sync 報(bào)文后，向主時(shí)鐘發(fā)送Delay_Req 請(qǐng)求報(bào)文，并記錄發(fā)出報(bào)文的時(shí)間戳t3，用于計(jì)算主從時(shí)鐘的鏈路時(shí)延。

④主時(shí)鐘收到Delay_Req 時(shí)延請(qǐng)求報(bào)文后，將收到報(bào)文的時(shí)間t4封裝到Delay_Resp 報(bào)文中轉(zhuǎn)發(fā)給從時(shí)鐘，于是從時(shí)鐘取出時(shí)間t4的值，最終可以知道一個(gè)完整交付過程的時(shí)間關(guān)系。

假設(shè)系統(tǒng)的時(shí)間鏈路傳輸時(shí)延為Delay，主從時(shí)鐘偏差為Offset，則可得

通過式（1）、式（2）可以得到鏈路傳輸時(shí)延和時(shí)鐘偏差為

IEEE 1588v2 與GPS、NTP 等其他時(shí)鐘同步方案對(duì)比見表1。

通過方案對(duì)比可知，IEEE 1588v2 無論是在鎖定時(shí)間、綜合成本、安全性，還是在可靠性方面都有明顯優(yōu)勢(shì)，精度更是達(dá)到了100 ns，這是其他實(shí)現(xiàn)方案無法替代的。IEEE 1588v2 協(xié)議是主從時(shí)鐘通過收發(fā)PTP 報(bào)文來實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步的，不僅可以實(shí)現(xiàn)亞微秒級(jí)的精度，還能把測(cè)量與控制系統(tǒng)中獨(dú)立和分散運(yùn)行的時(shí)鐘同步起來，其精度和GPS實(shí)現(xiàn)方案類似。由于IEEE 1588v2 具有低成本、易維護(hù)、高安全等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還提供一套精確的時(shí)鐘頻率和絕對(duì)時(shí)間的同步機(jī)制，能很好地替代高成本的GPS 時(shí)間同步機(jī)制。因此，IEEE 1588v2時(shí)鐘同步機(jī)制在IPRAN中的應(yīng)用研究，滿足全網(wǎng)時(shí)鐘同步要求，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

表1 IEEE 1588v2 與其他時(shí)鐘同步方案對(duì)比

3 IP RAN 測(cè)試中IEEE 1588v2時(shí)鐘的部署實(shí)現(xiàn)

目前，隨著IP RAN 技術(shù)的成熟和商用，各大運(yùn)營(yíng)商都在新建屬于自己的IP RAN。在IP RAN中部署IEEE 1588v2時(shí)鐘的方案能有效解決現(xiàn)網(wǎng)中無GPS 覆蓋區(qū)域的時(shí)鐘同步問題，并且不需要通過新建GPS 站址來滿足網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步。

在IP RAN時(shí)鐘同步測(cè)試部署方案中，主要考慮了主備兩臺(tái)BITS（通信樓綜合定時(shí)供給系統(tǒng)）設(shè)備分別掛在兩臺(tái)城域網(wǎng)CE（業(yè)務(wù)路由器）設(shè)備上，CE 設(shè)備同步于BITS 設(shè)備，然后通過逐跳的方式，將同步時(shí)間和時(shí)鐘信息傳遞給基站。IEEE 1588v2時(shí)鐘同步測(cè)試總體方案部署如圖4所示。

在圖4所示的IP RAN時(shí)鐘系統(tǒng)測(cè)試部署中，參考點(diǎn)為CE、匯聚B（即RAN ER 設(shè)備）、B 設(shè)備和A 設(shè)備4 處，分別在此4 處進(jìn)行時(shí)鐘信號(hào)精度測(cè)試，A 設(shè)備為末端接入環(huán)，下掛基站設(shè)備。

4 IP RAN中IEEE 1588v2時(shí)鐘同步問題及測(cè)試結(jié)果

4.1 故障點(diǎn)及保護(hù)方案

在系統(tǒng)時(shí)鐘同步測(cè)試時(shí)會(huì)遇到可能存在的各種問題，因此對(duì)網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備故障問題進(jìn)行了方案保護(hù)措施研究，在部署的網(wǎng)絡(luò)中主要考慮以下幾種故障點(diǎn)情況。

圖4 IP RAN 系統(tǒng)測(cè)試IEEE 1588v2時(shí)鐘部署方案

（1）故障點(diǎn)1：主用BITS 故障

當(dāng)主用BITS 設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，主用CE 上的BITS 優(yōu)先級(jí)為0的外部時(shí)間源失效，觸發(fā)BMC（最佳主時(shí)鐘）算法，此時(shí)全網(wǎng)的Grandmaster（系統(tǒng)最終的時(shí)間源）變?yōu)閭溆肅E 上BITS的外部時(shí)間源，全網(wǎng)均跟蹤此外部BITS 源。

（2）故障點(diǎn)2：主用CE 設(shè)備故障

當(dāng)主用CE 故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)BMC算法，全網(wǎng)Grandmaster 就會(huì)選擇優(yōu)先級(jí)次高的備用CE 上的外部時(shí)間源，網(wǎng)絡(luò)時(shí)間均跟蹤此外部BITS 源。

（3）故障點(diǎn)3：備用CE 設(shè)備故障

當(dāng)備用SR 出現(xiàn)故障時(shí)，此時(shí)全網(wǎng)優(yōu)先級(jí)最高的主用CE 上的外部時(shí)間源對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘沒有影響，因此不會(huì)觸發(fā)Grandmaster 變化。

（4）故障點(diǎn)4：中間節(jié)點(diǎn)故障

當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)B、A 設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)BMC算法，但由于Grandmaster 節(jié)點(diǎn)未出現(xiàn)故障，所以全網(wǎng)的時(shí)鐘仍同步于原主用CE 外部時(shí)鐘源。

4.2 測(cè)試結(jié)果

（1）相位、頻率及時(shí)鐘鎖定狀態(tài)測(cè)試

通過圖4所示的組網(wǎng)圖連接設(shè)備，由參考點(diǎn)BITS 設(shè)備輸出時(shí)鐘測(cè)試信號(hào)給基站，同時(shí)在該點(diǎn)由BITS 設(shè)備輸入頻率故障信號(hào)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，通過測(cè)試儀表跟蹤獲取測(cè)試信號(hào)。從測(cè)試儀表的接收信號(hào)可追蹤基站的相位、頻率，時(shí)鐘同步狀態(tài)鎖定，能滿足網(wǎng)絡(luò)精準(zhǔn)時(shí)鐘同步要求。測(cè)試過程中鏈路分組丟失率為0，能滿足基站業(yè)務(wù)承載性能指標(biāo)。

（2）時(shí)鐘保護(hù)測(cè)試

基于4.1 節(jié)中可能出現(xiàn)的故障問題，對(duì)IEEE 1588v2 時(shí)間保護(hù)功能進(jìn)行了相應(yīng)測(cè)試。在測(cè)試過程中，當(dāng)主用時(shí)鐘異常后，主時(shí)鐘可以被從時(shí)鐘端口正常鎖定；當(dāng)主用時(shí)鐘頻率恢復(fù)后，頻率可以正常切換，主時(shí)鐘完成鎖定。

（3）測(cè)試IPRAN 設(shè)備通過IEEE 1588v2 傳遞GPS時(shí)間

該項(xiàng)測(cè)試主要驗(yàn)證IP RAN 設(shè)備通過IEEE 1588v2 傳遞GPS 時(shí)間后，查看時(shí)間是否與基站時(shí)間同步，確保通信業(yè)務(wù)的正常使用。在業(yè)務(wù)規(guī)定范圍內(nèi)，要求傳遞時(shí)鐘與基站GPS時(shí)鐘應(yīng)小于1 500 ns。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，時(shí)鐘源等各項(xiàng)狀態(tài)都正常，各基站間時(shí)鐘精準(zhǔn)同步正常，所測(cè)的IEEE 1588v2時(shí)鐘與GPS時(shí)鐘的相位偏差僅為15 ns，符合業(yè)務(wù)時(shí)鐘同步要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)試點(diǎn)測(cè)試，IEEE 1588v2的應(yīng)用可以滿足IP RAN 系統(tǒng)時(shí)間同步的需求，減少GPS 天線安裝和維護(hù)的成本，增強(qiáng)通信系統(tǒng)的可靠性及安全性。在IP RAN中部署IEEE 1588v2時(shí)鐘還能有效地解決移動(dòng)回傳網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步問題和LTE 基站天線建設(shè)時(shí)GPS的選擇難題，降低移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，并減少網(wǎng)絡(luò)部署時(shí)間，適應(yīng)LTE 階段移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的高效部署需求。在后續(xù)的研究中，運(yùn)營(yíng)商將進(jìn)一步關(guān)注設(shè)備的支持能力和在不對(duì)稱傳輸過程中網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步方案的部署模式，以保證網(wǎng)絡(luò)的可靠運(yùn)營(yíng)和進(jìn)一步優(yōu)化演進(jìn)。

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