通信同步網(wǎng)的演進(jìn)以及BDS 改造策略

楊 朝 高凌翔

中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司

0 引言

在現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)中，同步技術(shù)是確保通信設(shè)備和系統(tǒng)之間正確協(xié)同工作的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸、低延遲通信以及聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間協(xié)同工作的基礎(chǔ)。同步網(wǎng)能夠提供高精度的時間同步和頻率同步，使得設(shè)備能夠相互協(xié)調(diào)并按時交付數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)高效的通信和協(xié)同工作。隨著5G 網(wǎng)絡(luò)的逐步完善，對更大帶寬、更低延遲、更廣連接、更高可靠性的需求也越來越強(qiáng)烈，原本基于GPS 作為主用時鐘源的同步網(wǎng)也要與時俱進(jìn)以適應(yīng)業(yè)務(wù)承載。當(dāng)前我國自行研制的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）已趨于成熟，為了提升業(yè)務(wù)安全性，同步網(wǎng)將升級改造為支持BDS 和GPS 的雙模授時同步網(wǎng)，需對現(xiàn)網(wǎng)的架構(gòu)及承載網(wǎng)進(jìn)行改造[1]。

1 同步網(wǎng)現(xiàn)狀

同步網(wǎng)是一種能夠提供精確時鐘同步和時間參考的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它的基本目標(biāo)是確保各個設(shè)備在同一時刻具有相同的時間參考，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效交換和協(xié)同工作[2]。同步網(wǎng)技術(shù)可以分為時間同步和頻率同步兩個方面。時間同步是指在網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點(diǎn)之間保持相同的時間標(biāo)準(zhǔn)，以確保事件發(fā)生順序的一致性。頻率同步則是確保節(jié)點(diǎn)之間的振蕩頻率一致，以保證數(shù)據(jù)傳輸速率的準(zhǔn)確性。這兩者緊密關(guān)聯(lián)，互為支撐，是現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)中的基礎(chǔ)。

從最早的電路交換網(wǎng)絡(luò)到如今的IP 網(wǎng)絡(luò)，同步技術(shù)一直在不斷演進(jìn)，以適應(yīng)不斷增長的通信需求。在早期的電路交換網(wǎng)絡(luò)中，同步問題相對較為簡單，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)資源在通話時預(yù)分配，時鐘同步要求相對較低。然而，隨著數(shù)據(jù)通信的興起，包交換網(wǎng)絡(luò)成為主流，要求有更高的時間和頻率同步精度，數(shù)據(jù)包的傳輸不再預(yù)先分配資源，而是根據(jù)需要進(jìn)行動態(tài)分配，這就要求節(jié)點(diǎn)之間的時鐘同步達(dá)到毫微秒級甚至更高的精度[3]。

1.1 同步網(wǎng)設(shè)備分類

同步網(wǎng)可以借助多種方法和技術(shù)來實(shí)現(xiàn)精確同步，包括物理實(shí)體時鐘、網(wǎng)絡(luò)同步協(xié)議和時鐘算法等。同步網(wǎng)絡(luò)通常由多個節(jié)點(diǎn)組成，包括主時鐘、輔助時鐘、同步接口和網(wǎng)絡(luò)連接。主時鐘是同步網(wǎng)的核心，負(fù)責(zé)提供精確的時間參考信號，并進(jìn)行時鐘同步處理。輔助時鐘作為補(bǔ)充，可以提供備用的時間參考和時鐘同步服務(wù)。同步接口則用于連接各個設(shè)備和時鐘，并傳遞同步信號。

我國數(shù)字同步網(wǎng)由四級結(jié)構(gòu)組成，采用組網(wǎng)靈活、穩(wěn)定性強(qiáng)的分區(qū)式主從同步結(jié)構(gòu)，并用一個基準(zhǔn)時鐘進(jìn)行控制。第一級為基準(zhǔn)鐘(PRC， Primary Reference Clock)，由銫原子鐘+BITS 組成，是我國數(shù)字網(wǎng)中精度最高的時鐘，銫鐘頻率精度一般優(yōu)于0.001ppb (10-12)，是其他所有時鐘的基準(zhǔn)[4]。銫原子鐘是一種精密的計時設(shè)備，它利用銫原子的共振頻率來產(chǎn)生時間標(biāo)準(zhǔn)。這種時鐘的精度非常高，可以用來產(chǎn)生精確的時間信號，從而確保數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。

第二級是高精度區(qū)域基準(zhǔn)時鐘LPR（Local Primary Reference)，由衛(wèi)星系統(tǒng)+內(nèi)置銣鐘的BITS 組成，可達(dá)到一級鐘的標(biāo)準(zhǔn)(10-11)，在衛(wèi)星系統(tǒng)故障時，它將降至2 級時鐘，銣鐘頻率精度一般優(yōu)于10 ppb(10-8)。LPR 一般優(yōu)先追蹤衛(wèi)星信號，但在衛(wèi)星信號丟失或信號弱時會自動切換成從PRC 獲取時鐘信號源。

第三級是有保持功能的高穩(wěn)定度晶體時鐘（BITS，Building Integrated Timing Supply），能夠提供納秒級別的時間精度，由二級時鐘或其他BITS 處獲取時鐘源，一般設(shè)置在匯接機(jī)房。BITS 可以兼具時間服務(wù)器功能，利用衛(wèi)星系統(tǒng)授時，同時提供時間和頻率輸出功能，可輸出2M、SyncE+PTP、1pps+TOD 等接口，并具有守時功能的設(shè)備(依賴內(nèi)置鐘或晶振，或外部鐘頻率輸入)，其頻率基準(zhǔn)源的精度越高，守時能力越強(qiáng)。

第四級是一般晶體時鐘，一般內(nèi)置于數(shù)字設(shè)備內(nèi)部，下掛于三級BITS 時鐘，在拓?fù)渲幸话悴惑w現(xiàn)。

同步網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 同步網(wǎng)架構(gòu)圖

1.2 現(xiàn)網(wǎng)存在的問題

現(xiàn)有時鐘同步網(wǎng)、4G 基站等均以GPS 作為主用時鐘源，僅能實(shí)現(xiàn)交換網(wǎng)頻率同步以及IT 支撐系統(tǒng)的NTP（（Network Time Protocol））時間同步，不支持北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也不能滿足亞微秒級別的PTP（Precision Time Protocol）時間同步需求[3]。此外，現(xiàn)有的時鐘同步網(wǎng)設(shè)備老舊，超過設(shè)備使用年限，新業(yè)務(wù)支持能力差，亟待進(jìn)行更新。

綜上，為保證通信網(wǎng)絡(luò)在GPS信號失效時仍能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時支持PTP 能力，需要將現(xiàn)有同步設(shè)備進(jìn)行更換，以支持GPS 和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)雙模授時，另外還需對承載同步信號的承載網(wǎng)鏈路進(jìn)行升級改造，為移動網(wǎng)、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)等提供同步信號源[3]。

2 改造方案

2.1 時鐘設(shè)備改造

傳統(tǒng)同步網(wǎng)架構(gòu)由PRC+LPR+本地BITS 組成，當(dāng)時主要考慮銫鐘為進(jìn)口設(shè)備，設(shè)備造價較高，因此減少了PRC 數(shù)量，以LPR 為省級一級鐘，LPR 在GPS 失效時會降級為二級鐘。但隨著銫鐘的國產(chǎn)化帶來的價格下降，銫鐘可下沉至省一級，因此本次時鐘改造將原本的三級架構(gòu)（區(qū)域、省、本地），簡化為兩級架構(gòu)（省、本地），再依托本地IPRAN/STN 網(wǎng)絡(luò)將本地鐘時間和頻率信號傳輸至末端的4G、5G 基站[5]。最終改造后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 改造后同步網(wǎng)架構(gòu)圖

本次以省為單位進(jìn)行改造，更新改造同步網(wǎng)設(shè)備，對承載同步信號的承載網(wǎng)鏈路進(jìn)行升級改造，統(tǒng)一為移動網(wǎng)、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)等提供時間和頻率同步信號源。

設(shè)備的具體布置如下：

（1）省級層面：部署PRC 銫鐘一套，一方面在衛(wèi)星同步信號失效時以此作為地面頻率基準(zhǔn)源，另一方面兼做省內(nèi)NTP 一級時間服務(wù)器，為各網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供同步信號[5][6]。

（2）本地層面：部署LPR 或MPR 且成對設(shè)置BITS，用于本地PTP 時間服務(wù)器，并且給本局站的TDM 網(wǎng)元、WDM/OTN 及SDH 等系統(tǒng)提供頻率同步[6][7]。

2.2 承載網(wǎng)同步鏈路改造

時鐘設(shè)備布置好后，需要由承載網(wǎng)將時間信號和頻率信號傳輸至末端的4G、5G 基站。當(dāng)前承載網(wǎng)中STN/IPRAN 網(wǎng)絡(luò)中的ER、B、A 設(shè)備均支持業(yè)務(wù)流傳遞SyncE+PTP(1588v2)信息，WDM/OTN 系統(tǒng)中，僅有個別廠家支持頻率信號，時間信號均不支持。

基于此種狀況，需要分場景針對性改造鏈路。5G 基站、5G 覆蓋區(qū)域內(nèi)的4G 基站以及需支持時間同步的基站對時間同步精度要求較高，需達(dá)到±1.5μs，此類型業(yè)務(wù)現(xiàn)有波分系統(tǒng)不能透傳STN/IPRAN 鏈路，應(yīng)在綜合考慮升級WDM/OTN系統(tǒng)或布放光纜的時效性和經(jīng)濟(jì)性，擇優(yōu)選擇改造方案，最小程度干擾先行業(yè)務(wù)。

改造后承載網(wǎng)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 承載網(wǎng)同步鏈路改造組網(wǎng)

BITS 時鐘設(shè)備采用GE 接口對接城域ER，將時間和頻率同步信息接入承載網(wǎng)中，SyncE 和PTP 消息可在同一個GE 接口中隨業(yè)務(wù)流帶內(nèi)傳遞，B 和A 設(shè)備通過BMC 算法優(yōu)選時間同步主master，通過SyncE 逐跳鎖定頻率同步信息，該方案須保證每條鏈路上下行光纖嚴(yán)格對稱，部署時必須同纜[8]。

在此架構(gòu)下，省到市的業(yè)務(wù)鏈中，省干波分僅需傳遞省鐘-本地鐘的頻率同步用于衛(wèi)星系統(tǒng)失效時，本地鐘跟蹤省級鐘，獲取銫鐘自振頻率，并以此進(jìn)行授時；市到縣的業(yè)務(wù)鏈中，ER-B 的時鐘源為IPRAN/STN 業(yè)務(wù)流，市縣波分需具備時間+頻率能力；縣到鄉(xiāng)的業(yè)務(wù)鏈中，B-A 及A-A，時鐘源為IPRAN/STN 業(yè)務(wù)流，如IPRAN/STN 承載于縣鄉(xiāng)波分，則縣鄉(xiāng)OTN 需具備時間+頻率能力；IPRAN/STN 基于光纜的業(yè)務(wù)流方案改造成本遠(yuǎn)低于縣鄉(xiāng)波分改造，市區(qū)和縣鄉(xiāng)以改造IPRAN/STN 為主，波分最多不超過20%站點(diǎn)考慮；對于WDM/OTN 承載的STN/IPRAN 鏈路，則改造為支持SyncE+PTP 業(yè)務(wù)流能力的鏈路。

3 改造成效

截至目前，北方某省已按照上述改造方案對省內(nèi)所有地市進(jìn)行了同步網(wǎng)改造。絕大部分基站已支持BD 授時，但是由于PTP 協(xié)議要求收發(fā)信號嚴(yán)格對稱，從核心層到接入層基站的收、發(fā)的光纖物理長度不一致就會導(dǎo)致同步信號誤差，因此少量基站所在的鏈路仍在改造調(diào)測中，采用單纖雙向模塊替換原有模塊。

在改造完成區(qū)域進(jìn)行抽測，在BD 授時的模式下，WDM/OTN 和IPRAN/STN 的時鐘輸出接口信號偏差相較于世界標(biāo)準(zhǔn)時間偏差小于±1.5μs，且頻率同步信號偏差在50 ppb 以內(nèi)，滿足業(yè)務(wù)要求。同時，基站及IPRAN/STN 側(cè)雙模授時主備倒換已納入基站開通標(biāo)準(zhǔn)配置，后續(xù)新開基站也將自動支持GPS/BD 雙模授時[8]。

4 結(jié)束語

同步網(wǎng)是通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，BDS 的加入可以使同步網(wǎng)更加可靠，更加自主可控，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號冗余備份保護(hù)，對于我國網(wǎng)絡(luò)安全是一個極大的增強(qiáng)。盡管改造過程中會遇到如承載網(wǎng)設(shè)備協(xié)議不支持、收發(fā)鏈路物理長度不一致等諸多問題，但實(shí)踐證明目前的改造措施是行之有效的，問題的攻克僅是時間問題。相信支持BDS 的同步網(wǎng)定能在精度、安全性、可靠性、可服務(wù)性等方面有質(zhì)的提升，更好地服務(wù)未來廣闊的市場。