張 軍 國(guó)電南瑞科技股份有限公司高級(jí)工程師

李 信 國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司信息通信分公司高級(jí)工程師

黃源源 國(guó)電南瑞科技股份有限公司工程師

呂 博 中國(guó)信息通信研究院通信標(biāo)準(zhǔn)研究所工程師

1 引言

目前，1588v2（PTP：Precise Time Protocol）技術(shù)作為GPS的一種替代方案用以解決3G/4G基站的時(shí)間同步問(wèn)題，已經(jīng)在電信運(yùn)營(yíng)商（如中國(guó)移動(dòng)）的城域網(wǎng)中得到了試點(diǎn)應(yīng)用；在電力系統(tǒng)中部分地市（如浙江電力公司）也組建了PTP時(shí)間同步試驗(yàn)網(wǎng)，為變電站內(nèi)的被授時(shí)設(shè)備提供高精度的時(shí)間同步信號(hào)。雖然利用PTP技術(shù)已經(jīng)可以組建時(shí)間同步網(wǎng)進(jìn)行時(shí)間傳送，可以為網(wǎng)絡(luò)末端的被授時(shí)設(shè)備提供亞微秒量級(jí)的時(shí)間同步信號(hào)，然而隨著時(shí)間同步需求的不斷增大以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)健壯性、安全性要求的日益提高，利用PTP技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)必然要面臨大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的挑戰(zhàn)。最為突出的問(wèn)題是：隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大、時(shí)間同步設(shè)備數(shù)量的增多，目前PTP自身的技術(shù)缺陷如選源算法中優(yōu)先級(jí)數(shù)量的瓶頸問(wèn)題將會(huì)凸顯，從而影響到PTP技術(shù)的推廣和組網(wǎng)應(yīng)用；此外，端到端的距離以及節(jié)點(diǎn)數(shù)都會(huì)使噪聲累積增加，影響到時(shí)間同步的性能。在此技術(shù)背景下本文探討了在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下1588的新型應(yīng)用方式。

2 1588典型的應(yīng)用方式

目前，1588典型的應(yīng)用方式主要有兩種：邊界時(shí)鐘（BC）組網(wǎng)和靜態(tài)單播組網(wǎng)。

2.1 全BC組網(wǎng)場(chǎng)景

圖1所示為中國(guó)移動(dòng)城域網(wǎng)中1588用以解決3G/4G基站的時(shí)間同步問(wèn)題的典型應(yīng)用場(chǎng)景。該應(yīng)用場(chǎng)景中在核心層部署了一主一備兩臺(tái)時(shí)間服務(wù)器作為同一時(shí)間域的時(shí)間基準(zhǔn)源頭，并配置了GPS/北斗衛(wèi)星授時(shí)接收機(jī)和高精度原子鐘來(lái)提高全網(wǎng)的同步可靠性；在PTN+OTN的傳送網(wǎng)中全網(wǎng)啟用了BC功能，可以有效地抑制分組網(wǎng)絡(luò)PDV噪聲的影響，保證了從源端到基站側(cè)端到端的時(shí)間性能；在這種組網(wǎng)場(chǎng)景下啟用BMC算法后可自動(dòng)進(jìn)行選源與PTP同步鏈路安排，減少了運(yùn)維成本。目前，該場(chǎng)景已經(jīng)在中國(guó)移動(dòng)的城域網(wǎng)中得到試點(diǎn)應(yīng)用。

2.2 三層單播方式

圖2所示為電力時(shí)間同步試點(diǎn)中典型的組網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景。在該場(chǎng)景中采用了兩級(jí)結(jié)構(gòu)，分為一級(jí)PTP主時(shí)鐘和二級(jí)PTP從時(shí)鐘，通過(guò)人工預(yù)置PTP時(shí)鐘的優(yōu)先級(jí)（Priority1/2）來(lái)規(guī)劃全網(wǎng)PTP時(shí)鐘的等級(jí)，通過(guò)三層單播的方式規(guī)劃PTP同步鏈路組織。該應(yīng)用場(chǎng)景引入了同步網(wǎng)分級(jí)分層的概念，所以并不局限于局域和城域組網(wǎng)，但在大規(guī)模廣域組網(wǎng)中會(huì)遇到優(yōu)先級(jí)數(shù)量的瓶頸以及IP地址的劃分等技術(shù)問(wèn)題，需進(jìn)行更深入的研究后才可進(jìn)行推廣應(yīng)用。

圖1 BC組網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景

3 1588大規(guī)模組網(wǎng)需考慮的重要因素

盡管1588在城域組網(wǎng)中已經(jīng)有典型的應(yīng)用實(shí)例，但隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，一方面?zhèn)鬏斁嚯x的增加和網(wǎng)元數(shù)量的增多會(huì)增大同步網(wǎng)絡(luò)噪聲的累積，影響到端到端的時(shí)間同步性能；另一方面網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜化又對(duì)同步區(qū)的劃分、同步網(wǎng)的分層分級(jí)和PTP同步鏈路的組織提出新的挑戰(zhàn)，因此在1588大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中需重點(diǎn)考慮以下3點(diǎn)因素：

（1）端到端時(shí)間同步性能：為保證端到端的時(shí)間同步性能，需對(duì)時(shí)間誤差（TE：Time Error）進(jìn)行嚴(yán)格控制，主要包括對(duì)固定時(shí)間誤差的非對(duì)稱(chēng)時(shí)延補(bǔ)償以及動(dòng)態(tài)時(shí)間誤差的噪聲過(guò)濾兩大類(lèi)技術(shù)手段。

（2）選源問(wèn)題：大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中需對(duì)同步區(qū)進(jìn)行劃分，對(duì)同步網(wǎng)進(jìn)行分層分級(jí)，從而涉及到時(shí)間同步選源和溯源問(wèn)題。選源和溯源需對(duì)BMC算法的數(shù)據(jù)集中關(guān)鍵參數(shù)（如域名、優(yōu)先級(jí)、clkID等）進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃。

（3）PTP同步鏈路組織：PTP同步鏈路組織中需同時(shí)考慮極長(zhǎng)定時(shí)參考鏈接帶來(lái)的誤差影響、時(shí)間同步組網(wǎng)保護(hù)方式以及PTP的通道組織方式等技術(shù)問(wèn)題。

4 1588大規(guī)模組網(wǎng)應(yīng)用方式論證與比較

針對(duì)以上3點(diǎn)考慮因素，本文提出了3種新型的1588大規(guī)模組網(wǎng)應(yīng)用方式。

4.1 網(wǎng)格化BC組網(wǎng)

圖3為本文提出的網(wǎng)格化BC組網(wǎng)應(yīng)用方式。這里“網(wǎng)格化”是將大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)劃分為不同的時(shí)間網(wǎng)格，其中縱向?yàn)闀r(shí)間域的劃分，橫向?yàn)橥骄W(wǎng)層的劃分，在網(wǎng)格交叉處部署不同等級(jí)的PTP時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。在該方式中根據(jù)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)首先需規(guī)劃多個(gè)時(shí)間域，不同域間在傳輸網(wǎng)絡(luò)邊緣處即可采用物理隔離的方式也可通過(guò)BMC算法中不同時(shí)間域編號(hào)進(jìn)行劃分。在同一時(shí)間域內(nèi)將同步網(wǎng)分為3層，在不同網(wǎng)層交匯點(diǎn)處部署主備一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)PTP時(shí)間同步設(shè)備。全網(wǎng)啟用BMC算法后在同一時(shí)間域內(nèi)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)選源與主備PTP同步鏈路的自動(dòng)配置，降低了規(guī)劃的復(fù)雜度，同時(shí)為保證端到端時(shí)間同步性能可在域內(nèi)增設(shè)PTP從時(shí)鐘設(shè)備實(shí)現(xiàn)PDV噪聲過(guò)濾。對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行“網(wǎng)格化”處理的方式即可保證不同時(shí)間域的相對(duì)獨(dú)立，又可對(duì)BMC算法的選源參數(shù)如優(yōu)先級(jí)1和2進(jìn)行復(fù)用，從而降低了規(guī)劃難度。該方式的缺點(diǎn)為在Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洵h(huán)境下網(wǎng)格的劃分與剝離存在一定的難度，因此該方式主要適用于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為清晰的環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

圖2 靜態(tài)單播組網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景

4.2 智能時(shí)鐘輔助型TC組網(wǎng)

1588 v2中引入透?jìng)鲿r(shí)鐘（TC）的初衷是為了彌補(bǔ)了BC在時(shí)間精度方面的不足，采用TC方式的中間節(jié)點(diǎn)可靈活方便地對(duì)駐留時(shí)間進(jìn)行修正及補(bǔ)償，確保在更遠(yuǎn)的傳輸距離和更廣泛的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)保持更高的時(shí)間精度。TC方式支持多時(shí)鐘域的處理，同時(shí)可以避免網(wǎng)絡(luò)成環(huán)。但是，在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中仍然面臨兩方面挑戰(zhàn)：一是TC為扁平化結(jié)構(gòu)，所有從時(shí)鐘都跟蹤到同一時(shí)間域的祖時(shí)鐘（GM：Grandmaster），當(dāng)從時(shí)鐘數(shù)量較多時(shí)祖時(shí)鐘的負(fù)擔(dān)加大，同時(shí)從網(wǎng)絡(luò)安全性角度講需要限制單個(gè)時(shí)間服務(wù)器下攜帶的從時(shí)鐘數(shù)量；二是在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，由于1588v2并未引入TC設(shè)計(jì)專(zhuān)屬的BMC算法，使得TC方式下時(shí)鐘溯源和PTP定時(shí)同步鏈路的組織和保護(hù)配置需人工實(shí)現(xiàn)，大大提高了規(guī)劃與配置難度。為解決以上兩大難題本文提出可利用智能時(shí)鐘輔助全網(wǎng)進(jìn)行TC時(shí)鐘的規(guī)劃與配置，這里“智能時(shí)鐘”是指采用計(jì)算機(jī)輔助方式實(shí)現(xiàn)時(shí)間域、時(shí)間源頭、PTP主備同步鏈路的自動(dòng)規(guī)劃與配置，目前廠家正致力于各自網(wǎng)管系統(tǒng)智能時(shí)鐘功能模塊的開(kāi)發(fā)工作，待其功能完善后可輔助進(jìn)行大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的TC組網(wǎng)應(yīng)用。

圖3 網(wǎng)絡(luò)化BC組網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景

4.3 分布式GM組網(wǎng)

圖4所示分布式GM組網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景在韓國(guó)和日本的4G網(wǎng)絡(luò)中得到了一定應(yīng)用。該組網(wǎng)方式為了控制端到端的時(shí)間同步誤差，將大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)子網(wǎng)使時(shí)間同步信號(hào)做適度收斂。不同子網(wǎng)可通過(guò)劃分時(shí)間域進(jìn)行區(qū)分，每個(gè)子網(wǎng)內(nèi)部署一主一備兩臺(tái)祖時(shí)鐘設(shè)備GM1和GM2，正常情況下均跟蹤衛(wèi)星接收機(jī)，衛(wèi)星接收機(jī)失效后可利用GM自身的晶振進(jìn)行守時(shí)。該方式簡(jiǎn)化了時(shí)間源頭與PTP同步鏈路的配置，部署方式較為靈活，缺點(diǎn)為由于網(wǎng)絡(luò)中配備了大量的GM設(shè)備，出于成本考慮，目前的GM多采用恒溫晶體振蕩器（OCXO：Oven Controlled Crystal Oscillator），因此守時(shí)性能受限，現(xiàn)網(wǎng)中可適當(dāng)增配內(nèi)置銣鐘的增強(qiáng)型GM設(shè)備以提高守時(shí)精度。

圖4 分布式GM組應(yīng)用場(chǎng)景

4.4 3種方式的比較

表1為3種應(yīng)用方式相比較的結(jié)果。綜合比較方式1較為適中，主要實(shí)現(xiàn)難度為時(shí)間網(wǎng)格的劃分與設(shè)備優(yōu)先級(jí)的規(guī)劃；方式2可提供較高的端到端時(shí)間同步精度及守時(shí)精度，但時(shí)間源及PTP同步鏈路組織的復(fù)雜度較高，建議網(wǎng)管智能時(shí)鐘功能開(kāi)發(fā)完善后再加以應(yīng)用；方式3采用了分布式GM組網(wǎng)方式，部署方式最為簡(jiǎn)單靈活并且在正常跟蹤衛(wèi)星時(shí)具有較高的時(shí)間精度，缺點(diǎn)為GM以數(shù)量降低了建設(shè)成本但犧牲了守時(shí)性能，從而降低了同步網(wǎng)的可靠性?？梢哉f(shuō)這3種方式是各有利弊，實(shí)際規(guī)劃中應(yīng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和應(yīng)用需求綜合比較進(jìn)行選擇。

表1 3種應(yīng)用方式比較

5 結(jié)束語(yǔ)

1588 在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下面臨端到端時(shí)間同步性能的保證、同步選源以及PTP同步鏈路組織問(wèn)題，本文提出3種應(yīng)用方式，建議在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中根據(jù)被授時(shí)設(shè)備的時(shí)間精度需求、網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及建設(shè)成本等因素對(duì)本文提出的3種方式進(jìn)行論證及選擇。

1 孟海強(qiáng),田君.1588v2 BC和TC時(shí)鐘模式部署建議.電信技術(shù).2010,6

2 IEEE 1588-2008.IEEE Standard for a Precision Clock Sync hronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems

3 YD/T 2375-2011.高精度時(shí)間同步技術(shù)要求