IP RAN中IEEE 1588v2時鐘同步技術的研究與探討

尹遠陽，楊廣銘，孫嘉琪/Yin Yuanyang，Yang Guangming，Sun Jiaqi

（中國電信股份有限公司廣州研究院 廣州510630）

1 引言

隨著移動承載網絡IP化發展和4G 無線通信的商用，各大運營商都在打造屬于自己的IP 承載網絡。4G 頻段的使用，意味著需要更多的基站來完成移動業務的開放，而無線通信業務對時間的精準同步要求較高，因此，各大運營商針對業務需求，明確提出要解決全網時鐘同步的問題。在無線IP 承載網絡中，為保證通信系統的質量，必須達到精確的網絡時鐘同步[1]。

LTE-TDD 系統是全網同步系統，要求各基站節點嚴格保持無線接口同步精度為±3 μs；在以共同參考源為基準的前提下，要求時鐘同步精度小于±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的eMBMS 要求同步精度小于等于±1 μs，這就要求各基站節點從精準時鐘源提取時鐘信號來保證無線接口的時鐘同步[2,3]。在現有的網絡建設中，復雜環境在不增加建設成本的情況下如何實現時鐘精準同步，確保網絡運營維護簡單化，對保證移動通信業務的可靠性顯得尤為重要。本文針對地鐵、復雜樓宇等不能通過GPS 獲取時鐘的場景，在IP RAN（Radio Access Network，無線接入網絡）中研究和探討采用IEEE 1588v2 來實現基站時鐘同步。

2 IP RAN的架構現狀及IEEE 1588時鐘協議原理

2.1 IP RAN的架構及GPS時鐘問題

IP RAN 基于靈活的IP 通信設計理念，主要運用IP/MPLS 協議完成業務承載，用于滿足當前2G/3G/4G 基站業務及政企大客戶等綜合承載需求，實現無線回傳網絡IP化、高速化、多點化。IP RAN 物理組網主要分為接入層、匯聚層、核心層及業務層，IP RAN網絡架構如圖1所示。

目前，各運營商所建的IP RAN 承載網絡中，大多是通過在基站附近專門建立一套GPS 設備直接獲取GPS時鐘來滿足網絡同步要求。但是隨著4G 海量基站的建設，在特定場景下（如地下商場、地鐵站、高樓大廈等），采用GPS時鐘同步方案存在以下問題。

圖1 IP RAN 架構

①GPS 要求天線有良好的對空視界，保證接收機能收到有效的信號，這樣增加了GPS 選址的難度；天線和基站之間需要架設饋線，對于復雜的樓宇、地鐵站和場館的架設，施工難度比較大，同時也增加了架設成本[4]。

②基站失步會干擾整個網絡的正常運營，并且基站分布范圍比較廣，因此給網絡運營與維護帶來了很多問題。

③由于基站沒有其他備份的時鐘，系統可靠性降低，如防空等軍事區域要求實施GPS 干擾，將導致該區域內站點失步，業務無法正常使用[5]。另外，GPS 系統受其他國家限制，一旦發生特殊情況將GPS 關閉，就會造成整個網絡癱瘓，導致很大的戰略隱患。

研究發現，IEEE 1588v2時鐘協議能很好地解決上述各種問題。

2.2 IEEE 1588 標準時鐘同步協議原理

2002年，網絡精密時鐘同步委員會在IEEE 儀器和測量委員會美國標準技術研究所以及IEEE 標準委員會的支持下，起草并通過了IEEE 1588v2時鐘同步標準協議，它的主要工作原理是通過一個同步信號周期性地對網絡中所有節點的時鐘進行校正同步，進而使基于以太網的分布式系統達到精確同步[5]。

2.2.1 時鐘分類

IEEE 1588v2 將整個網絡內的時鐘分為普通時鐘（Ordinary Clock，OC）和邊界時鐘（Boundary Clock，BC），普通時鐘只有一個PTP 通信端口，邊界時鐘則有一個以上PTP 通信端口，每個PTP 端口提供獨立的PTP 通信。其中，邊界時鐘通常用在確定性較差的網絡設備（如交換機和路由器）上。

此外，從通信關系上又可把時鐘分為主時鐘和從時鐘，理論上任何時鐘都能實現主時鐘和從時鐘的功能，但一個PTP 通信子網內只能有一個主時鐘。整個區域系統中的最優時鐘為最高級時鐘（Grandmaster Clock，GMC），具有最好的穩定性、精確性、確定性等。根據各節點上時鐘的精度和級別以及UTC（通用協調時間）的可追溯性等特性，由最佳主時鐘（Best Master Clock）算法來自動選擇各子網內的主時鐘；在只有一個子網的系統中，主時鐘就是GMC。每個系統只有一個GMC 主時鐘，從時鐘與主時鐘保持同步。

典型的主時鐘、從時鐘關系如圖2所示，高級時鐘是一個通過GPS 天線獲取與GPS 同步的時鐘，它是子域的時鐘源，通過主從時鐘接口構成時鐘傳遞系統。在時鐘傳遞系統中，可以通過本地時鐘震蕩器的機械因素及相關原理來校正時鐘頻率，降低漂移，保證整個子域的網絡時鐘同步。

圖2 主時鐘、從時鐘關系示意

2.2.2 時鐘同步協議原理

在主從時鐘同步協議中，主從設備間通過收發PTP 報文實現鏈路時間的記錄和分析，從而計算出鏈路傳輸時延，再根據計算出的時間差和鏈路時延補償方式調整從設備的時鐘時間，最終使從時鐘能夠實現時鐘同步。主從時鐘同步協議原理如圖3所示。

圖3 時鐘同步協議原理

從圖3的同步原理可知，時鐘同步主要分為以下4 步。

①主時鐘間隔一定時間向從時鐘發送Sync 同步報文，在報文發出的同時記錄發出的時間t1；當從時鐘收到Sync 同步報文時，記錄收到報文的時間t2，此時，從時鐘知道t2的時間值。

②主時鐘發送完Sync 同步報文后，在Follow_Up 報文中會攜帶發送時間t1的值發往從時鐘，于是從時鐘可以得到t1和t2的時間值。

③從時鐘收到Sync 報文后，向主時鐘發送Delay_Req 請求報文，并記錄發出報文的時間戳t3，用于計算主從時鐘的鏈路時延。

④主時鐘收到Delay_Req 時延請求報文后，將收到報文的時間t4封裝到Delay_Resp 報文中轉發給從時鐘，于是從時鐘取出時間t4的值，最終可以知道一個完整交付過程的時間關系。

假設系統的時間鏈路傳輸時延為Delay，主從時鐘偏差為Offset，則可得

通過式（1）、式（2）可以得到鏈路傳輸時延和時鐘偏差為

IEEE 1588v2 與GPS、NTP 等其他時鐘同步方案對比見表1。

通過方案對比可知，IEEE 1588v2 無論是在鎖定時間、綜合成本、安全性，還是在可靠性方面都有明顯優勢，精度更是達到了100 ns，這是其他實現方案無法替代的。IEEE 1588v2 協議是主從時鐘通過收發PTP 報文來實現時鐘同步的，不僅可以實現亞微秒級的精度，還能把測量與控制系統中獨立和分散運行的時鐘同步起來，其精度和GPS實現方案類似。由于IEEE 1588v2 具有低成本、易維護、高安全等優勢，同時還提供一套精確的時鐘頻率和絕對時間的同步機制，能很好地替代高成本的GPS 時間同步機制。因此，IEEE 1588v2時鐘同步機制在IPRAN中的應用研究，滿足全網時鐘同步要求，具有重要的現實意義。

表1 IEEE 1588v2 與其他時鐘同步方案對比

3 IP RAN 測試中IEEE 1588v2時鐘的部署實現

目前，隨著IP RAN 技術的成熟和商用，各大運營商都在新建屬于自己的IP RAN。在IP RAN中部署IEEE 1588v2時鐘的方案能有效解決現網中無GPS 覆蓋區域的時鐘同步問題，并且不需要通過新建GPS 站址來滿足網絡時鐘同步。

在IP RAN時鐘同步測試部署方案中，主要考慮了主備兩臺BITS（通信樓綜合定時供給系統）設備分別掛在兩臺城域網CE（業務路由器）設備上，CE 設備同步于BITS 設備，然后通過逐跳的方式，將同步時間和時鐘信息傳遞給基站。IEEE 1588v2時鐘同步測試總體方案部署如圖4所示。

在圖4所示的IP RAN時鐘系統測試部署中，參考點為CE、匯聚B（即RAN ER 設備）、B 設備和A 設備4 處，分別在此4 處進行時鐘信號精度測試，A 設備為末端接入環，下掛基站設備。

4 IP RAN中IEEE 1588v2時鐘同步問題及測試結果

4.1 故障點及保護方案

在系統時鐘同步測試時會遇到可能存在的各種問題，因此對網絡及設備故障問題進行了方案保護措施研究，在部署的網絡中主要考慮以下幾種故障點情況。

圖4 IP RAN 系統測試IEEE 1588v2時鐘部署方案

（1）故障點1：主用BITS 故障

當主用BITS 設備出現故障時，主用CE 上的BITS 優先級為0的外部時間源失效，觸發BMC（最佳主時鐘）算法，此時全網的Grandmaster（系統最終的時間源）變為備用CE 上BITS的外部時間源，全網均跟蹤此外部BITS 源。

（2）故障點2：主用CE 設備故障

當主用CE 故障時，系統會觸發BMC算法，全網Grandmaster 就會選擇優先級次高的備用CE 上的外部時間源，網絡時間均跟蹤此外部BITS 源。

（3）故障點3：備用CE 設備故障

當備用SR 出現故障時，此時全網優先級最高的主用CE 上的外部時間源對整個系統的時鐘沒有影響，因此不會觸發Grandmaster 變化。

（4）故障點4：中間節點故障

當中間節點B、A 設備出現故障時，系統會自動觸發BMC算法，但由于Grandmaster 節點未出現故障，所以全網的時鐘仍同步于原主用CE 外部時鐘源。

4.2 測試結果

（1）相位、頻率及時鐘鎖定狀態測試

通過圖4所示的組網圖連接設備，由參考點BITS 設備輸出時鐘測試信號給基站，同時在該點由BITS 設備輸入頻率故障信號進入網絡，通過測試儀表跟蹤獲取測試信號。從測試儀表的接收信號可追蹤基站的相位、頻率，時鐘同步狀態鎖定，能滿足網絡精準時鐘同步要求。測試過程中鏈路分組丟失率為0，能滿足基站業務承載性能指標。

（2）時鐘保護測試

基于4.1 節中可能出現的故障問題，對IEEE 1588v2 時間保護功能進行了相應測試。在測試過程中，當主用時鐘異常后，主時鐘可以被從時鐘端口正常鎖定；當主用時鐘頻率恢復后，頻率可以正常切換，主時鐘完成鎖定。

（3）測試IPRAN 設備通過IEEE 1588v2 傳遞GPS時間

該項測試主要驗證IP RAN 設備通過IEEE 1588v2 傳遞GPS 時間后，查看時間是否與基站時間同步，確保通信業務的正常使用。在業務規定范圍內，要求傳遞時鐘與基站GPS時鐘應小于1 500 ns。

根據測試結果可知，時鐘源等各項狀態都正常，各基站間時鐘精準同步正常，所測的IEEE 1588v2時鐘與GPS時鐘的相位偏差僅為15 ns，符合業務時鐘同步要求。

5 結束語

綜上所述并結合網絡試點測試，IEEE 1588v2的應用可以滿足IP RAN 系統時間同步的需求，減少GPS 天線安裝和維護的成本，增強通信系統的可靠性及安全性。在IP RAN中部署IEEE 1588v2時鐘還能有效地解決移動回傳網絡時間同步問題和LTE 基站天線建設時GPS的選擇難題，降低移動網絡建設成本，并減少網絡部署時間，適應LTE 階段移動網絡的高效部署需求。在后續的研究中，運營商將進一步關注設備的支持能力和在不對稱傳輸過程中網絡時鐘同步方案的部署模式，以保證網絡的可靠運營和進一步優化演進。

[1]中國移動高精度時間同步設備測試規范[EB/OL].http://www.docin.com/p-230617924.html，2011.

[2]黃云水，馮玉光.IEEE l588 精密時鐘同步分析[J].國外電子測量技術，2005，24(9).

[3]章翠枝.基于Wi-Fi的時鐘同步技術研究[D].浙江大學，2012.

[4]華春陽，尹剛.IEEE 1588V2的發展與應用[J].電信技術，2013，27(5).

[5]葉衛東，張潤東.IEEE 1588 精密時鐘同步協議2.0 版本淺析[J].測控技術，2010，29(2).

[6]KIRS C D，TRSEK H.Reproducible IEEE 1588-performance tests with emulated environmental influences[A].FraunhoferIOSB-INA[C].2010.