PTP精準時間同步技術(shù)及應(yīng)用前景的探討

鄧燁飛（北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司，北京 100073）

1 概述

時間同步網(wǎng)是鐵路通信支撐網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，是確保網(wǎng)絡(luò)定時性能質(zhì)量的關(guān)鍵。選擇先進適用的時間同步技術(shù)，使得時間同步網(wǎng)更好的為鐵路各業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供統(tǒng)一標準的時間同步信號源，具有重要意義。

時間同步技術(shù)在不斷地推陳出新。早期的時間同步技術(shù)需要組建專用網(wǎng)絡(luò)為各系統(tǒng)提供服務(wù)，成本較高。為了能夠在應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)時間同步，NTP （Netw ork Time Protoco1）在1988年提出v1版本，至今發(fā)展近20年，2001年提出的NTPv4可以達到200 ms。

為了滿足日益增長的高精度時間同步需求，2002年由安捷倫實驗室的成員開發(fā)形成IEEE 1588 v1版本。IEEE 1588標準的全稱為網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)精確時鐘同步協(xié)議，其中定義了精準時間同步協(xié)議（PTP）。隨著高精度時間同步的廣泛應(yīng)用，IEEE 1588在2008年推出了v2版本，增加了PTP在通信、計算機網(wǎng)絡(luò)以及電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。PTP的出現(xiàn)解決了對高等級時間精度的要求，可以利用以太網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)傳輸，具有高精度、高效率、低成本的特點。

鄧燁飛，女，碩士畢業(yè)于北京交通大學，高級工程師。主要研究方向包括鐵路時間同步系統(tǒng)、鐵路通信電源系統(tǒng)，曾參與京滬高速鐵路工程設(shè)計項目、鐵路時間同步網(wǎng)技術(shù)條件的編制等。

2 PTP精確時鐘同步協(xié)議

PTP（Precision Time Protocol），是一種基于數(shù)據(jù)包傳送的精確同步技術(shù)標準，PTP主要采用分層的主從時鐘模式以及時間戳機制，對時間進行編碼傳送。時間同步精度可以達到亞μs級。

PTP同步的基本原理如下：主時鐘（M aster clock）與從時鐘（Slave clock）之間交互同步報文并記錄報文的收發(fā)時間，從而得到報文往返的時間差來計算主、從時鐘之間的往返總延時。如果網(wǎng)絡(luò)對稱，即兩個方向的傳輸延時相同。主、從時鐘之間的時鐘偏差便是單向延時（往返總延時的一半）。從時鐘按照該偏差來調(diào)整本地時間，就可以實現(xiàn)其與主時鐘的同步。其同步過程如圖1所示。

1）主時鐘在t1時刻向從時鐘發(fā)送Sy n c報文，從時鐘在t2時刻收到該報文。

2）主時鐘發(fā)送Sy n c報文之后，再發(fā)送一個攜帶有t1的跟隨信息Follow_Up報文。

3）從時鐘在t3時刻向主時鐘發(fā)送Delay_Req報文，用于發(fā)起反向傳輸延時的計算，主時鐘在t4時刻收到該報文。

4）主時鐘收到Delay_Req報文之后，回復(fù)一個Delay_Resp時延相應(yīng)報文，打上時間戳t4傳給從時鐘。

從時鐘擁有了t1～t4四個時間戳，由此可計算主、從時鐘間的往返總延時：（t2-t1）+（t4-t3）。當網(wǎng)絡(luò)對稱，主、從時鐘間的單向延時為：

3 鐵路時間同步網(wǎng)

1）鐵路時間同步網(wǎng)現(xiàn)狀

既有鐵路通信時間同步網(wǎng)由客運專線工程建設(shè)的二級時間節(jié)點組成，二級時間節(jié)點包括“GPS +高晶體鐘+時間分配單元”。已建成和在建的二級時間節(jié)點有北京局、南昌局、上海局、廣鐵集團等鐵路局，可為鐵路業(yè)務(wù)系統(tǒng)及車站三級時間節(jié)點設(shè)備提供時間同步源。時間同步網(wǎng)鐵道部一級時間節(jié)點尚未建設(shè)。除通信業(yè)務(wù)系統(tǒng)以外，其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)尚未接引路局的二級時間節(jié)點同步源。

鐵路已規(guī)劃了同步網(wǎng)的建設(shè)方式，隨著規(guī)劃的逐步實施，鐵路時間同步網(wǎng)將能夠為鐵路各業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供統(tǒng)一標準時間信號，實現(xiàn)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的時鐘與本系統(tǒng)同步。

各業(yè)務(wù)系統(tǒng)對時間同步的需求可分為以下幾個等級。

表1 不同等級的用戶傳送方式和實現(xiàn)技術(shù)

針對不同精度的時間同步需求，在鐵路通信網(wǎng)中目前主要應(yīng)用了以下時間同步技術(shù)。

* NTP（Netw ork Tim e Protocol），NTP 技術(shù)可以在局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)中應(yīng)用，精度通常只能達到毫秒級或秒級。

* IR IG-B（In ter Range Instrum en tation Group）和 DCLS（DC Level Sh ift），IRIG-B 的幀內(nèi)包括的內(nèi)容有天、時、分、秒及控制信息等，可以用普通的雙絞線在樓內(nèi)傳輸，也可在模擬電話網(wǎng)上進行遠距離傳輸。IR IG的精度通常只能達到10微秒量級。DCLS是IRIG碼的另一種傳輸碼形，用直流電位來攜帶碼元信息。

* 1PPS (1 Pu lse per Second) 秒脈沖信號，不包含時刻信息，但其上升沿標記了準確的每秒的開始，通常用于本地測試，也可用于局內(nèi)時間分配，精度達到 100 ns 量級。

2）PTP技術(shù)在鐵路時間同步網(wǎng)的應(yīng)用可行性

鐵路時間同步網(wǎng)依照規(guī)劃建設(shè)完善后，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。采用主從同步方式，由三級結(jié)構(gòu)組成，包含一級、二級、三級時間同步節(jié)點設(shè)備。

一級時間同步設(shè)備由銣鐘和衛(wèi)星授時接收機等組成，可通過專用的比對手段，對接收到的時間基準信號進行比對和過濾校正，然后輸出時間同步信號；二級時間同步設(shè)備由高穩(wěn)晶體鐘和衛(wèi)星授時接收機組成，支持通過地面手段將時間溯源至一級時間同步設(shè)備，支持地面頻率信號守時功能；三級時間同步設(shè)備配置晶體鐘，支持通過地面手段將時間溯源至一級或二級時間同步設(shè)備。

隨著中國鐵路跨線跨區(qū)行駛及速度不斷提高，鐵路時間同步網(wǎng)提供統(tǒng)一基準時間信息的需求也越來越迫切。鐵路時間同步網(wǎng)組網(wǎng)的分級結(jié)構(gòu)符合高精度時間同步組網(wǎng)要求，可以基于目前較為成熟的PTP技術(shù)，為相關(guān)系統(tǒng)提供高精度等級時間信號。時間同步設(shè)備與需要高精度等級時間信號的被同步設(shè)備之間的地面時間傳送采用PTP技術(shù)，時間同步設(shè)備之間的地面時間傳送可采用PTP技術(shù)或其他技術(shù)。

鐵路時間同步網(wǎng)基于PTP協(xié)議為鐵路各系統(tǒng)提供高精度時間信號時，需注意以下影響精度的關(guān)鍵因素。

* 鏈路方面——雙向固定時延不對稱

光纖雙向固定傳輸時延不對稱是由于收發(fā)雙向光纖物理長度的不對稱造成。光纖雙向固定傳輸時延不對稱是靜態(tài)誤差，影響1588 v2時間同步的絕對精度，無法通過時間恢復(fù)算法來濾出。

* 網(wǎng)絡(luò)方面——規(guī)模及保護方式

基于PTP技術(shù)的時間同步網(wǎng)的規(guī)模，是影響時間同步的一個重要因素。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模過大會導(dǎo)致光纖的物理鏈路過長，引起的收發(fā)雙向延時不對稱變大；另外同步鏈路的中間節(jié)點數(shù)過多。時間同步精度由此劣化。

時間同步需要完善的保護，避免單點故障引起的整網(wǎng)癱瘓。通常有路徑保護和設(shè)備內(nèi)部的重要時鐘單元主備保護等。每種保護方式，在發(fā)生保護倒換時，都可能引起時間同步性能的短期劣化。

4 結(jié)論

PTP精確時間同步協(xié)議為高精度時間同步網(wǎng)提供了可能。傳輸設(shè)備（包括PTN，OTN等）逐步支持PTP協(xié)議，也使得PTP時間同步網(wǎng)得到了推廣。目前電力行業(yè)、中國移動都在對PTP技術(shù)進行可行性研究，深圳、南京移動等已在布置多個實驗局，浙江移動部署了PTN IEEE 1588 v2方案，并成功將TD-SCDMA業(yè)務(wù)遷移至該網(wǎng)絡(luò)。PTP相關(guān)技術(shù)可以作為鐵路時間同步網(wǎng)建設(shè)的參考依據(jù)，對其進行深入研究具有重要的實用價值和理論意義。

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[5]華三通信技術(shù)有限公司．PTP技術(shù)介紹[EB/OL] ．[2013-01-02].

http://www.h3c.com.cn/Products___Technology/Technology/System_Management/Other_technology/Technology_recommend/201008/686476_30003_0.htm.