TD-SCDMA系統基站回傳中的同步

韋宇鵬，周桂虔，高宇晨

新郵通信設備有限公司

1 引言

根據TD-SCDMA空中接口要求，各基站間時間精度相差不超過3 μs。在傳統的應用中，所有時間同步都采用基站直接外掛GPS接收器的方式。此方式成本較高，安裝、施工、維護困難，也存在資源使用安全隱患。為了解決這個問題，基于以太網的IEEE 1588（簡稱1588）精確時間協議（precision time protocol，PTP）得到了極大的重視和迅速的發展。

IEEE 1588同步系統是一種主從同步系統。在系統的同步過程中，主時鐘（Master）通過PTP報文周期性發布時間信息，從時鐘（Slave）接收主時鐘發來的時間信息，據此計算出主從線路時間延時及主從時間差，并利用該時間差調整本地時間，使從設備時間與主設備時間保持頻率與相位的一致。1588協議協商流程如圖1所示。

目前現網基站回傳多采用MSTP的承載方式，即基于SDH構建多業務剛性管道。MSTP的內核是傳統的電路交換，適合于承載語音等TDM業務，但是隨著數據業務的不斷增多，業務的全IP化已經成為事實。MSTP在承載大顆粒IP業務方面，不支持統計復用，效率低下，不適應IP數據業務帶寬突發性高的特點，不利于未來的業務擴展和網絡升級。在這種情況下，更適應IP業務的分組化傳輸網（PTN）逐步成為基站回傳網絡的主流。

PTN傳承了以太網的經濟和簡潔，吸收了ATM的分組化思想，基于MPLS標簽的靈活性，繼承了SDH強大的OAM能力，正表現出越來越旺盛的生命力。由于PTN的傳輸介質為以太網，因此可以天然支持1588精確時間協議。

2 網絡模型與時間偏差

采用PTN網絡承載基站回傳業務的同時，將1588技術移植到PTN網絡中，則可以充分利用1588微秒級的傳遞精度實現RNC到各基站的同步時間分發，把GPS接收器集中上移到RNC側，這樣不僅能降低系統組網成本，而且也降低了安裝維護的困難。典型的PTN、1588和TD-SCDMA組網拓撲結構如圖2所示。

RNC側和基站側的實現比較簡單，一般RNC側配置時間同步設備，工作于OC Master模式；基站側工作于OC Slave模式，通過接收PTN設備傳遞的PTP報文獲取時間信息。

PTN支持設備1588協議，可以有以下三種方案。

第一種是給PTN配置外置時間設備，由PTN給相連接的基站授時，此時PTN設備工作在OC Master模式。此模式實現簡單，結構清晰，但是需要為每臺PTN設備配置額外的時間設備，同時并未真正實現全網時間同步，所以僅作為網絡改造的過渡性方案。

第二種方案是PTN接收PTP報文，按照正常協議報文轉發，即PTN設備工作在非PTP節點模式。此模式下PTN設備不需要承擔額外的工作，實現簡單，但一旦網絡負載加重，其時間質量將無法保證。對此模式的改進措施是：PTN設備區分PTP報文，考慮本設備處理延時，將此延時補償到PTP報文的時間戳內，這種工作方式就是1588協議內的TC模式。

第三種方案是PTN接收來自上級設備的PTP報文，解析報文并得到上級的時間信息，相對于上級設備，PTN設備工作在OC Slave。同時，PTN設備生成自己的PTP報文，并通過1588協議將此報文送往下級設備，相對于下級設備，PTN設備工作在OC Slave。這種工作方式就是BC模式。

要分析PTN應用于基站回傳時1588精確時間協議的性能，就要先分析時間偏差是如何產生的，以一個最簡單的網絡模型為例說明，如圖3所示。

網絡設備A，工作于OC Master模式；網絡設備B，工作于OC Slave模式。兩者通過PTP報文的交互，將A的時間信息同步到B。1588協議的時間計算公式內部包含一個重要的假設：（即A至B、B至A其傳輸時間是一致的）

實際網絡中，兩端的硬件處理時間并不相同，PTP報文在物理鏈路中的傳輸延時也不相同，與總是存在一定偏差。設定，則就是由于傳輸路徑不對稱而引入的偏差。包含兩部分分量，靜態偏差和抖動偏差。為理想狀態下，A、B間因物理介質和ASIC處理速度不同造成的靜態不對稱偏差。為由于網絡變化或硬件隊列變化引起的動態不對稱偏差。造成網絡設備B的同步時間與理論值之間存在一個固定差值，表現為一個離散量，造成同步時間在兩側反復抖動。

理想狀態下，PTP報文發送的周期是恒定的，同類PTP報文之間相隔固定的時間差。但是實際情況下，網絡設備A的頻率并非恒定，頻率的抖動就造成PTP報文的間隔時間存在一定的離散性。網絡設備B同步一個PTP報文間隔時間不斷變化的時間源，結果就是其得到的時間信息隨著PTP報文的間隔時間不斷變化，也呈現出一定的離散性。通過算法，可以降低此離散性的影響，但無法完全消除，因為理論上不存在一個標準的間隔時間差作為參考。這個偏差記為 Δty。

我們發現Δtx在實際網絡中的影響也可以等效為PTP報文的時間間隔差，因此合并 Δtx和 Δty，記為 Δt，得到了1588的偏差時間t=t0+Δt，其表現如圖4所示，最終的時間偏差會在陰影范圍內浮動。

3 1588硬件實現

要進一步分析和，需要探討1588模塊的具體實現。

在一個同步設備實現1588協議棧的軟硬件架構中，主要考慮發送、接收PTP事件消息的時間點產生的時間戳，這個時間戳的精度將對系統同步精度產生較大影響，理想的時間戳值應該是PTP事件消息剛好穿過PTP節點和網絡的邊界處的時間。所以在PTP的實現中，時間戳的產生越靠近物理層，相對的時間精度越高，在分析1588同步系統的時延精度時，硬件如何支持時間戳的產生是影響時延精度的重要因素之一。目前主流的硬件實現方案有三種，如圖5所示。

方案一是通過物理層的PHY芯片完成PTP報文的獲取以及時間的標記，將標記好的PTP報文信息通過專用接口送到算法處理模塊，其余報文送往業務處理模塊。此時，引入的同步時間偏差包含：傳輸路徑造成的靜態偏差t0，本端PHY芯片與遠端PHY芯片的頻率偏差Δt1，即：t=t0+Δt1。

方案二是通過專用MAC芯片 （FPGA或ASIC）完成PTP報文的獲取以及時間的標記，與第一種方案相比，同步時間偏差增加了因專用MAC芯片造成的頻率偏差Δt2，即：t=t0+Δt1+Δt2。

方案三依靠報文的MAC地址區分PTP報文，使用Switch將PTP報文送往1588專用處理模塊，而專用處理模塊集成時間戳模塊和算法處理模塊，完成1588協議的相關處理。與前兩種方案相比，除了靜態偏差t0、PHY引入的頻率偏差Δt1、Switch引入的頻率偏差Δt2、專用處理模塊引入的頻率偏差Δt3，還包括由于Switch流量不均衡造成的轉發時間偏差。轉發時間偏差影響PTP報文的時間間隔，因此也可以等效為頻率偏差，記為 Δt4，即：t=t0+Δt1+Δt2+Δt3+Δt4。

對比三種實現方案，第一種方案的精度最高，但要求物理層芯片能夠滿足PTP協議的相關要求，一般由PHY芯片供應商提供專用PHY芯片，配合CPU或FPGA作為算法實現模塊；第二種方案精度與第一種相差不大，一般由轉發芯片供應商提供專用MAC芯片；第三種方案引入的Δt4是一種基于網狀網絡的延時，受流量影響大，在流量負載較小的情況下，Δt4會趨近于0；在流量負載較大的情況下，Δt4會迅速增加，甚至成為影響1588協議時鐘精度的主要原因，但此方案的優勢在于不改變原硬件、軟件架構，可實現平滑升級。

4 頻偏時延分析

首先分析頻率偏差的影響，工作在主從模式下的兩臺設備各使用本地晶振來獲取時間，影響時延精度的一個重要因素就是晶振頻率誤差。對高穩晶振的時頻誤差分析可以使用阿倫方差的分析方法，阿倫方差的定義是：

其中yn表示在第n個 采樣周期上的平均頻率偏差，尖括號表示在一段有限時間內的平均：

xn為采樣點n處測得的時間（相位）誤差，對某時鐘穩定度的度量可以用前后兩個 時間間隔上的平均頻率偏差的差值來反映，將式（2）代入式（1），可以得到：

阿倫方差的值越小，意味著相應的時鐘穩定度越好。

在一個主從時間同步系統中，如果已知主、從設備晶振的阿倫方差σy()以及兩設備間時間同步消息的收發周期Tsync，則有可能算出由于晶振誤差造成的系統時間誤差：對阿倫方差在Tsync上積分一次，加上一個固定的頻率偏差值，可以得到經過 Tsync后的頻率偏差 y（t），對 y（t）積分，加上固定的時間偏差值，則可知經過Tsync后的時間誤差值，假設時間偏差值可以通過PTP算法得到補償，且主從設備的晶振統計獨立，則經過Tsync后的時間誤差值：

其中yM和yS分別表示主從設備的頻率偏差。從式（4）可以看出，影響一個主從時間同步系統時間誤差的因素除了主從設備的晶振阿倫方差外，設備間時間同步消息的收發周期Tsync也是一個重要的影響因素。

圖6為分別采用兩種不同精度的晶振作為主從時鐘，對應不同Tsync測得的時間誤差值。從圖中可以看到精度越高的晶振在相同的同步周期Tsync下誤差越小。對于同一晶振來說，為了物理實現上的簡化，希望同步周期Tsync越大越好，在圖中曲線開始上升的拐點則意味著無法再通過提高時間信息的收發頻率來提高系統性能，隨著同步周期Tsync的增加，誤差開始增加，因此這個拐點對于設計PTP同步周期具有指導意義。

5 網絡時延分析

以圖 7為例分析網絡的時延，A為 OC Master，C為OC Slave，B為線路節點，實際網絡中B節點可視為一個網狀網絡系統。B節點轉發時的流量負載不均衡，會影響PTP報文的時間間隔，等效于引入了新的偏差量Δt5。同時，由于網狀網絡中，A與C之間的轉發路徑變化，等效于產生了新的靜態偏差和抖動偏差Δt6。相比于單節點的靜態偏差t0，t1遠大于t0，合并兩個變量并將新的變量仍然標記為。最后得出實際網絡中的1588時間精度偏差：

其中，t0為收發不對稱造成的靜態延時，Δt1為PHY的頻偏引入的抖動延時，Δt2為MAC芯片頻偏引入的抖動延時，Δt3為專用1588處理模塊頻偏引入的抖動延時，Δt4為Switch芯片轉發引入的延時，Δt5為網狀網絡轉發延時，Δt6為轉發路徑變化造成的延時。

隨著網絡的增大和PTP報文跳數的增加，1588精確時間協議的累積偏差呈上升趨勢。從主時鐘源到基站之間有兩種時鐘組網方案：邊界時鐘和透明時鐘，其區別主要在傳遞時間信息的網絡設備是工作在BC模式還是在TC模式。

工作在邊界模式的時鐘網絡，可以視為多個主從設備的級連。在這個網絡中，時間誤差產生的原因是每級主從設備時鐘晶振頻率誤差造成的時間抖動誤差。所以，邊界時鐘網絡在網絡最遠端的時間誤差TD可以表示為：TD=∑N-1TXO，其中N為網絡中的設備數，TXO為主從設備間由于時鐘晶振頻率誤差造成的時間抖動誤差。如果B節點工作于BC模式，則B節點同步A節點時間到本地后，根據本地時間再生成PTP報文與C節點交互，實際的PTP報文并未經過B節點轉發，因此Δt5近似為 0。

工作在透明模式的時間網絡系統，時鐘設備如何獲取本地時延將是影響系統時延誤差的重要因素，在PTP協議中介紹了兩種方法：①通過估計主時鐘頻率來計算本地時延；②使用自由運行的本地時鐘頻率來計算本地時延。如果B節點工作于TC模式，則理論上可以將B節點視為透明的偽線，不會引入額外的頻率抖動Δt5。但是實際情況中，TC模式嚴重依賴于硬件實現，引入了內部處理的誤差，特別是專用芯片對PTP報文的過濾和處理速度，并且TC模式下PTP報文仍然會通過B節點內部的網狀網絡進行轉發，因此TC模式難以完全消除的Δt5影響。

6 時延的消除與建議

15 88協議時延的消除，依賴于硬件設計和網絡規劃兩個方面。

硬件架構設計中，盡量采用圖5中的方案一，通過PHY直接處理 PTP報文時間戳信息，可以屏蔽 Δt2、Δt3、Δt4帶來的影響，如果采用其他方案，盡量選擇較高精度的晶振，并提高PTP報文發送頻率。通過引入同步以太網技術，可以減小由于PHY頻偏造成的偏差Δt1。一般提供給PHY芯片時鐘精度為幾十ppm，而同步以太網可以達到的時鐘精度為0.05 ppm，Δt1的影響可以大幅減小。

在PTN網絡中，由于面向連接，采用固定LSP轉發，轉發路徑不會發生變化，因此Δt6恒為0。網絡規劃時只需要考慮網狀網絡延時Δt5和靜態延時t0的影響即可。

對于Δt5，按照圖7的網絡拓撲，當中間節點B工作在BC模式時，Δt5恒為0。網絡簡單、負載較小的情況下，中間節點工作于BC、TC性能差異不大，但隨著網絡的復雜化，由于TC模式嚴重依賴于硬件實現，Δt5的影響將被逐漸放大。如果節點B為非PTP節點，可以考慮A節點的PTP報文使用專用VLAN，封入專用偽線，B節點采用高優先級方式轉發此偽線的信息，以盡量減小Δt5的影響。

t0受網絡環境制約，在單點情況下影響很小，但是當網絡擴大、跳數不斷增加、環境不斷復雜后，t0的離散度將逐漸放大。1588時間域越大，網絡環境越復雜，t0離散度越大，對1588時間精度產生的偏差影響也越大。解決辦法是各網元盡量采用專用PTP節點，特別是避免PTP報文經過無法保證優先級和帶寬的網元。同時網絡內安排BC節點，將一個較大的1588時間域分割為數個較小的1588時間域。t0偏差是可補償的，可以在建站時測試實際網絡中的偏差給予補償，也可以根據某些動態算法適時調整。

對于基站設備，應用場景簡單，多工作于OC Slave模式。相對目前的轉發交換ASIC，網絡負載流量較小，產生的偏差Δt5影響也較小。同時基站作為1588時間協議的最終端，容許的偏差范圍也較大。因此可以根據情況，靈活選擇解決方案，但盡量不要將交換系統前置，同時盡量采用同步以太網技術。

對于PTN設備，由于網絡層次較高，網絡負載流量大，因此建議配置為PTP節點，并采用圖5所示的硬件方案一，同時必須使用同步以太網。PTN設備應盡量屏蔽內部交換系統帶來的影響，由于此偏差隨負載的增大而增大，因此對于匯聚層和接入層設備，要求不同——匯聚層設備由于負載流量較大，現階段應采用BC模式；接入層設備可以根據流量實際情況靈活選擇。特別需要說明的是，有條件的接入層PTN設備可以選擇采用TC+OC的模式，以避免1588時間域過多，合理劃分時間域，此模式的另一個好處是，現網中接入層多采用雙歸屬的方法，通過兩個核心節點接入匯聚層，因此此模式下每個接入層PTN設備都可以接收到兩個匯聚層核心節點的時間信息，可以實現多主情況下時鐘源的選擇和保護。

1 龔倩，徐榮，李允博等.分組傳送網.北京：人民郵電出版社，2008

2 Allan D W,Ashby N,Hodge C C.The Science of Timekeeping Application Note 1289,1997

3 Jeremy Bennington.The role of grandmaster,boundary and ordinary clocks in IEEE 1588 precision time protocol(PTP)for frequency synchronization over packet networks,www.analogzone.com/nett0212.pdf,February 2007