關(guān)于通信時間同步網(wǎng)技術(shù)性能標準的探討

于佳亮（中國科學院國家授時中心， 西安 710600）

關(guān)于通信時間同步網(wǎng)技術(shù)性能標準的探討

于佳亮
（中國科學院國家授時中心， 西安 710600）

針對通信時間同步網(wǎng)的關(guān)鍵性能指標，對比國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)標準的差異，并結(jié)合通信技術(shù)和業(yè)務(wù)發(fā)展對于同步性能的需求，探討時間同步網(wǎng)端到端同步性能指標分配模型、時間偏差值限定等。

同步網(wǎng)；時間；頻率；測試；衛(wèi)星共視；PTP

1 引言

通信時間同步網(wǎng)是通信網(wǎng)中重要的基礎(chǔ)支撐網(wǎng)之一，它為通信網(wǎng)內(nèi)的有關(guān)設(shè)備提供同步授時，在移動通信進入LTE時代得到快速發(fā)展。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)同定位等對于時間同步性能提出了更高的要求，需要研究更高準確度和穩(wěn)定度的時間同步技術(shù)，如網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、性能指標、傳送技術(shù)和檢測技術(shù)等。受篇幅限制，本文僅針對滿足移動通信（LTE、5G）的時間同步技術(shù)性能進行探討，側(cè)重進行國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)標準的對比。

2 國內(nèi)標準對于同步性能的要求及時間偏差分配

我國通信行業(yè)標準《高精度時間同步技術(shù)要求》YD/T2375-2011（6.2）規(guī)定了衛(wèi)星授時可用情況下時間同步網(wǎng)的性能指標分配，其時間同步網(wǎng)端到端同步指標分配模型如圖1所示。

圖1 YD/T2375-2011規(guī)范的時間偏差分配

基于衛(wèi)星授時接收機正常情況下時間同步組網(wǎng)模型的端到端時間偏差限值分配要求如下。

（1） 時間源頭部分：單級（一級、二級或三級）時間同步設(shè)備在正常跟蹤衛(wèi)星授時接收機的情況下，其時間輸出性能Δt1應(yīng)優(yōu)于±150 ns（相對于UTC）。

（2） 承載網(wǎng)部分：在時間路徑中串入的承載設(shè)備（例如：PTN設(shè)備）總數(shù)不宜超過30個，承載網(wǎng)部分分配的時間性能指標Δt2為±1 000 ns。

（3） 末端分配部分：以 3G 基站系統(tǒng)作為典型應(yīng)用為例，從末端傳輸設(shè)備輸出到基站空口之間分配的性能指標Δt3 為±250 ns。

（4） 在正常跟蹤1PPS+ToD或PTP接口輸入信號的情況下，時間輸出接口相對于輸入口的時間偏差為±50 ns。

（5） 一級時間同步設(shè)備的頻率準確度應(yīng)優(yōu)于±3E-12，噪聲產(chǎn)生、相位不連續(xù)性應(yīng)滿足YD/T1479-2006中的相關(guān)要求。

3 ITU-T等涉及時間同步性能指標的有關(guān)標準

3GPP針對未來移動通信的功能和性能要求，提出無線基站空口時間偏差指標為±500～1 500 ns（相對于UTC）之間的值，具體數(shù)值依據(jù)無線技術(shù)制式分別確定，業(yè)內(nèi)傾向于采用較小值（WiMAX已經(jīng)確定為±500 ns）。

ITU/T G.8271 規(guī)范了分組網(wǎng)絡(luò)時間同步體系架構(gòu)（指標分配模型），如圖2所示。

ITU/T G.8271.1規(guī)范的時間和相位同步，主要涉及時間同步網(wǎng)絡(luò)要求的系列指標；ITU/T G.8272規(guī)定了主參考時鐘PRTC的時間誤差分量，即一個PRTC的噪聲產(chǎn)生包括兩個主要的方面：固定時間誤差和動態(tài)時間誤差。ITU-T G.8273.2標準中對時間誤差進行了具體要求，針對移動網(wǎng)絡(luò)不能容忍兩個相鄰基站之間時間誤差超過標準（500～3 000 ns），為兩類時間同步設(shè)備制定了具體的標準：A類設(shè)備最大時間誤差為±50 ns（100 ns），B類設(shè)備最大時間誤差為±20 ns（70 ns）。

對于時間同步網(wǎng)時間偏差預(yù)算，基于ITU-T建議的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)（G.8271.1），規(guī)定參考點B、C、D（參見圖2）相對于UTC 的|TE|限值分別是100 ns、1 100 ns、1500 ns。例如，在參考點C適用的的網(wǎng)絡(luò)限制量：最大絕對時間誤差MAX |TE|，其中包括所有的噪聲分量，即固定時間誤差和動態(tài)時間誤差 ≤±1 100 ns。

圖2 ITU/T G.8271規(guī)范的時間同步體系架構(gòu)

4 關(guān)于時間同步性能的探討

4.1 通信新技術(shù)和新業(yè)務(wù)需更高的時間同步性能

未來的5G移動通信系統(tǒng)采用載波聚合、小區(qū)協(xié)同、波束成型、聯(lián)合處理、協(xié)同調(diào)度、聯(lián)合傳輸?shù)燃夹g(shù)，基站數(shù)量相對于4G系統(tǒng)將大量增加、密集部署，同步要求將更高。結(jié)合面向通信網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等多種業(yè)務(wù)的高速率、低時延需求，可能需要數(shù)百納秒量級的高準確度時間同步，業(yè)內(nèi)傾向于將無線基站空口時間偏差（相對于UTC）由目前±1 500 ns進一步提高。即使在4G階段，TD-WiMAX已經(jīng)確定為±500 ns；LTE-Advanced的關(guān)鍵技術(shù)CoMP-JP多點協(xié)同傳輸處理中要求相鄰基站間的相對時間準確度在±500 ns左右；目前有研究單位主要出于提高無線定位準確度的考慮，提出時間準確度為±200 ns的要求；量子通信技術(shù)的時延為ps級，需要準確度極高的時間測量技術(shù)，以降低量子通信系統(tǒng)的誤碼率，提高其成碼率，需要極高的時間同步準確度。盡管目前有些較高的要求還沒有形成正式的標準，但是業(yè)內(nèi)提升時間同步性能指標的趨勢是明顯的，有些研究單位和廠家實際已經(jīng)啟動了更高性能的時間同步方法和設(shè)備的研發(fā)，從國內(nèi)外此類發(fā)明專利申請態(tài)勢分析，可以獲得確切的結(jié)論，這必然在同步技術(shù)領(lǐng)域帶來新的挑戰(zhàn)。

4.2 目前的指標看似較寬松，真正實現(xiàn)端到端達標也較難

如果將LTE+，5G端到端時延響應(yīng)限制在10 ms以下，對于同步網(wǎng)、承載網(wǎng)、業(yè)務(wù)網(wǎng)均提出更高的要求。實際的無線接入網(wǎng)同步鏈路及授時方式較為復雜，如衛(wèi)星授時、空口同步和地面鏈路授時同時存在，多種授時方式性能指標相差較大，分組網(wǎng)絡(luò)傳送時延較大，導致相鄰基站空口時間性能一致性難以控制在較小范圍之內(nèi)。

4.2.1 衛(wèi)星授時方式

LTE室外無線基站普遍采用衛(wèi)星授時同步方式，可以獲得相對較高的同步準確度（數(shù)十納秒級別）。但是該方式的問題是建設(shè)和維護成本較高，故障率也較高，且衛(wèi)星信號接收受限；衛(wèi)星天線一般都是露天設(shè)置，受自然環(huán)境和電磁干擾影響較大，嚴重時甚至由于可見星少或信噪比超標導致衛(wèi)星信號不可用；衛(wèi)星信號饋線長短不一，如果不注意時延補償會導致固定的時間偏差。

4.2.2 PTP授時方式

采用PTP方式為基站授時，優(yōu)點是運用穩(wěn)定性較好，但是地面鏈路的傳送路經(jīng)不同，時間同步網(wǎng)元數(shù)量不一，隨機誤差、線路不對稱性是客觀存在的。相對于衛(wèi)星授時方式，地面?zhèn)魉蜁r間的時間偏差值較大（數(shù)百納秒級別）。目前多數(shù)PTP授時主要是為基站衛(wèi)星授時做備份，或為室內(nèi)型基站提供授時。

4.2.3 信息分組數(shù)據(jù)網(wǎng)傳送延遲及其影響

在信息分組經(jīng)數(shù)據(jù)網(wǎng)傳送的情況下，數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上是按塊（信息分組、幀）傳遞，比特率有可能不是恒定值，數(shù)據(jù)流也不是連續(xù)的；信息分組可以統(tǒng)計復用并通過信息分組交換選擇路由，受到在中介交換的處理、緩存和再傳輸而引起延遲。在交換過程中多個信息分組流可能會擁塞在某個緩存器，緩存內(nèi)容會導致可變的延遲。甚至在某些情況下，信息分組會被丟棄。傳輸鏈路的時鐘很可能與交換使用的時鐘不同步，因為信息分組可能經(jīng)由不同的路由，從入口到出口的信息分組流可能出現(xiàn)很大的信息分組延遲變化。諸如此類的因素，必須采用時間鏈路偏差預(yù)算限值的方式，控制信息分組網(wǎng)絡(luò)的以下延遲變化。

（1）隨機延遲變化（例如，排隊延遲）；

（2）低頻延遲變化（例如，日/夜模式）；

（3）系統(tǒng)性延遲變化（例如，基礎(chǔ)傳送層的存儲和轉(zhuǎn)發(fā)機制）；

（4）路由改變；

（5）擁塞效應(yīng)。

4.3 頻率同步指標存在認識誤區(qū)

目前的時間同步網(wǎng)需要頻率同步提供守時，且移動基站必然要求提供頻率同步。對于移動通信基站的空口下行頻率準確性，有關(guān)標準規(guī)定（主流的各種技術(shù)制式）為±50 ppb，但是業(yè)內(nèi)對此或許對此存在一定誤解。

4.3.1 基站外時鐘輸入的頻率準確性指標

業(yè)內(nèi)通常認為基站外時鐘輸入的頻率準確度為±50 ppb即可，而 ITUT-G.8275.1明確規(guī)定：LTE基站頻率同步輸入端的技術(shù)要求為優(yōu)于±16 ppb。我國通信行業(yè)標準將BSS規(guī)定為三級時鐘，如此要求，雖然在一般情況下是可用的，但是不能保證滿足基站的同步定時要求。

按照現(xiàn)有頻率同步標準對于三級時鐘的規(guī)定，最大允許頻偏為±4 600 ppb。顯然，基站輸入時鐘參考準確度可能遠遠大于±50 ppb。因此，如果采用PTP Slave恢復的頻率信號通過外同步接口傳遞給基站，PTP Slave輸出的頻率信號準確度至少要優(yōu)于±16 ppb（參見ITU-T G.8261.1 和G.812 Type I時鐘的要求）；如果采用通過E1業(yè)務(wù)接口提取時鐘作為基站時鐘模塊的參考時鐘，時鐘頻率短期性能應(yīng)至少滿足ITU-T G.823 Traffic的要求。

4.3.2 同步性能指標完整性

如果認為現(xiàn)有標準中對于無線基站的同步性能要求僅規(guī)定頻率/時間準確度，這是不全面的。從同步跟蹤關(guān)系來確定時頻同步性能，是基本的、必要的，但不夠全面和充分。仍以頻率同步的指標來分析，除了頻率準確度之外，還應(yīng)考慮到其他技術(shù)性能對于同步的影響，注意考查基站時鐘性能其他指標的規(guī)范，如抖動、漂移、相位瞬變、牽引范圍等指標及限定。如果不在外時鐘的性能進行嚴格的規(guī)范，勢必增大基站時鐘單元的設(shè)計及處理難度，且難以保證系統(tǒng)的指標及運用質(zhì)量。如果不嚴格控制同步性能和質(zhì)量，必然對于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量帶來影響，如滑碼、誤碼、通信效率下降、切換失敗等。

4.3.3 各種無線制式對于同步性能要求不一

ETSI 技術(shù)規(guī)范TS 145 010 ，TS 125 104（FDD模式）和TS 125 105（TDD 模式）、TS 100 594 ，TS 125 402 和TS 125 431（WCDMA） 等對于不同的無線制式進行具體規(guī)范。對于輸入信號的同步要求用ITU-T G.823和G.824建議的漂動模板和對PRC （LPR）源的跟蹤性能評估。技術(shù)規(guī)范TS 125 402還增加了在WCDMA TDD模式附加的相位精度：節(jié)點之間的相對相位差要求不超過2.5μs；在4G時代，則對于頻率/時間/相位同步提出更高更具體的要求。目前常用的無線制式同步性能要求參見表1。

表1 無線接入系統(tǒng)同步性能要求列表

4.4 高精準時間傳送技術(shù)尚在探討實驗中

YD/T2375-2011規(guī)定了基于PTP技術(shù)實現(xiàn)高精準時間傳送，實現(xiàn)時間同步組網(wǎng)，目標是滿足應(yīng)用末端時間準確度±1 500 ns的要求。但是也同時說明，有關(guān)時間同步的噪聲等性能指標待研究，對于如何實現(xiàn)這一時間準確度的技術(shù)方法，有待于進一步研究。

國內(nèi)外標準的類似表述，說明時間同步技術(shù)本身還在發(fā)展變化中，不確定因素是客觀存在的。

5 目前中國行標與ITU-T有關(guān)性能標準的差異

對比我國通信行業(yè)標準《高精度時間同步技術(shù)要求》與ITU-T有關(guān)標準，在性能指標規(guī)定方面主要有6點差異需要注意。

一級時間設(shè)備頻率準確度±3E-12 的要求，高于ITUG.811規(guī)范（±1E-11）。

一級時間節(jié)點時間準確度相對于UTC偏差±150 ns的限值，不同于ITU-T規(guī)定的B點（PRTC+T-GM）±100 ns之要求。

對于同步網(wǎng)末端應(yīng)用段輸入的時間偏差限值我國規(guī)定為±1 000 ns，ITU-T規(guī)范該點（C點）限值是±1 100 ns。

對于應(yīng)用段（如基站）分配的時間偏差我國要求是±250 ns，ITU-T規(guī)定（C-D段）是±400 ns。

時間同步鏈上BC/TC數(shù)量的限制，我國規(guī)定為最大30個，而ITU-T區(qū)別了多種情況，最大是10～20個之間。

時間同步網(wǎng)元輸出端相對于輸入端的時間偏差我國要求±50 ns，ITU-T至少規(guī)定了兩類cTE（±20 ns、±50 ns）以及 MAX-TE（100 ns 、70 ns）。

上述對比的一個示例：我國規(guī)定時間鏈上偏差預(yù)算是±1 000 ns，允許BC/TC數(shù)量最大為30個；而ITUT對應(yīng)限值為也是±1 000 ns，數(shù)量最大9～20個。該例表明，在相同鏈路預(yù)算值條件下，我國允許時鐘網(wǎng)元數(shù)量卻更多，這就意味著具體實施并保證指標的難度會加大。

6 滿足端到端時間性能1 500 ns的具體示例

ITU/T G.8271.1和G.8275規(guī)定了兩種體系結(jié)構(gòu)的時間/相位指標及其分配。建議在目前情況下，可以采用該規(guī)范，或考慮修改國內(nèi)的有關(guān)標準。如考慮按照表2所示，安排時間偏差的預(yù)算。

表2 按照ITU/T G.8271.1要求的設(shè)計方案示例

7 “精度”術(shù)語不夠規(guī)范

現(xiàn)有行業(yè)標準中頻繁用到“精度”的名詞，如頻率精度、時間精度等。

所謂的“精度”，盡管人們對此耳熟能詳，但是在國家標準體系中是沒有明確定義的，即不是規(guī)范的術(shù)語。對應(yīng)現(xiàn)有通信標準中“精度”的術(shù)語，多數(shù)應(yīng)該是“準確度”或“不確定度”，希望引起標準編寫及審核人員的重視，避免類似情況發(fā)生。

8 結(jié)束語

本文針對高性能時間同步的關(guān)鍵技術(shù)性能，對比了國內(nèi)外相關(guān)標準的差別，根據(jù)滿足移動通信發(fā)展的要求，探討了時間同步網(wǎng)端到端同步指標分配模型、時間偏差值確定，以及對于相關(guān)標準的商榷意見等。

［1］ YD/T2375-2011，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.8271.1，分組網(wǎng)絡(luò)中時間同步網(wǎng)絡(luò)容限［S］.

［4］ ITU/T-G.8272，主參考定時時鐘要求［S］.

［5］ ITU/T-G.8273，分組網(wǎng)絡(luò)時間/相位同步設(shè)備要求［S］.

［6］ ITU/T-G.8275，分組網(wǎng)絡(luò)時間與相位分配要求［S］.

［7］ 于佳亮，程華，于天澤.無線接入網(wǎng)同步性能測試技術(shù)［M］.北京：人民郵電出版社，2012.

Discussion on communication time synchronization network technical performance standardization

YU Jia-liang
（National Time Service Center， Chinese Academy of Sciences， Xi'an 710600， China）

According to the key performance indicators of the communication time synchronization network，contrasting the differences between domestic and foreign technical standards， combined with the synchronization performance requirements for the communications technology and business development， we discuss the end to end synchronization performance index distribution model，time deviation Limited， synchronization performance monitoring technology and methods in time synchronization network.

synchronous network； time； frequency； test； satellites common view； PTP

TN915

A

1008-5599（2016）07-0031-05

2016-06-27