滕 蕾

1 同步意義

時間同步是通信系統(tǒng)維護管理的需要，實現(xiàn)了通信系統(tǒng)、業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)、電子信息系統(tǒng)、終端設(shè)備、時間顯示設(shè)備等時間的一致，對于故障溯源定位、網(wǎng)絡(luò)性能分析、標(biāo)準時間顯示等非常重要。

時間同步也是通信系統(tǒng)組網(wǎng)要求。采取時分雙工（TDD）的通信系統(tǒng)（例如TDD 模式的4G、5G移動通信系統(tǒng)），要通過時間分隔來分離接收和發(fā)送信道，因此需要收、發(fā)端時間同步；采取頻分雙工（FDD）的4G、5G 移動通信系統(tǒng)，使用多入多出（MIMO）、多點協(xié)同（CoMP）、載波聚合（CA）等協(xié)同技術(shù)時，需要相關(guān)節(jié)點按照精準一致的時刻協(xié)同工作，也需要高精度的時間同步。

鐵路運輸也與時間有密切關(guān)聯(lián)，鐵路運輸?shù)陌踩a(chǎn)、調(diào)度指揮、運營管理等均需要高度統(tǒng)一的時間，時間的不同步、不統(tǒng)一，將給鐵路運輸生產(chǎn)和安全帶來隱患。

例如，CTCS-3級列車運行控制系統(tǒng)目前在構(gòu)成上以傳輸網(wǎng)、專用移動通信系統(tǒng)（GSM-R）作為信號傳送的主要載體，完成列車與地面之間的實時通信。客運專線每隔2～3 km 設(shè)有一個基站，信號無縫覆蓋全線，軌道兩旁的傳輸網(wǎng)與接入網(wǎng)為專用移動通信系統(tǒng)提供電路傳送。列車在行駛過程中由車載無線通信模塊與基站進行通信，實現(xiàn)無線閉塞控制和調(diào)度集中控制等功能。

某鐵路局集團有限公司三級時間同步設(shè)備，由該鐵路局二級時間同步設(shè)備提供基準時間信號，同時提供時間同步輸出信號，為該鐵路局專用移動通信系統(tǒng)核心網(wǎng)移動交換中心和多條線路的無線網(wǎng)管服務(wù)器提供NTP 時間同步服務(wù)，CTC（調(diào)度集中）、RBC（無線閉塞中心）等應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)的時間同步信號則由無線網(wǎng)管服務(wù)器提供。

當(dāng)三級時間同步設(shè)備發(fā)生異常時間跳變時，專用移動通信系統(tǒng)時間隨之發(fā)生異常跳變，導(dǎo)致CTCS-3級多趟列車與地面設(shè)備無線連接超時，無法傳遞列車運行和控制信息，影響正常行車。這個案例充分體現(xiàn)了業(yè)務(wù)網(wǎng)對時間同步網(wǎng)的高度依賴，要求時間同步網(wǎng)輸出的基準時間信號必須準確、可靠。

2 網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀

鐵路自行建設(shè)同步網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、專用移動通信系統(tǒng)GSM-R。其中同步網(wǎng)的外部標(biāo)準同步源取自衛(wèi)星（北斗＋GPS）和銫原子鐘，并為傳輸網(wǎng)和GSM-R 系統(tǒng)提供時鐘（頻率）和時間同步；專用移動通信系統(tǒng)的時鐘由傳輸網(wǎng)傳遞，時間由傳輸網(wǎng)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)承載或纜線直連來傳遞，3 個子系統(tǒng)以同步信號流為主線組成了相互關(guān)聯(lián)統(tǒng)一的同步體。

鐵路同步網(wǎng)包括時鐘同步網(wǎng)和時間同步網(wǎng)。時鐘同步網(wǎng)，包括6個PRC（全國基準時鐘，一級時鐘，衛(wèi)星＋銫鐘＋釹鐘），31 個LPR（區(qū)域基準時鐘，二級時鐘，衛(wèi)星＋釹鐘），覆蓋各省會城市，由傳輸鏈路連接，客專另設(shè)LPR。時間同步網(wǎng)設(shè)置三級時間節(jié)點和移動列車時間節(jié)點，一級時間節(jié)點通過衛(wèi)星授時系統(tǒng)獲取標(biāo)準時間，再通過骨干傳輸鏈路傳遞至18 個二級時間節(jié)點，三級時間節(jié)點正常跟蹤二級時間節(jié)點，移動列車時間節(jié)點通過衛(wèi)星授時系統(tǒng)獲取標(biāo)準時間，并利用內(nèi)置鐘進行守時［1］。

GSM-R 系統(tǒng)包括MSC （移動交換中心）、HLR（歸屬位置寄存器）、SCP（業(yè)務(wù)控制點）等核心網(wǎng)設(shè)備、BSC（基站控制器）及BTS（基站），基站沿客專線路部署。

傳輸網(wǎng)匯聚層、接入層（沿客專線路部署基站接入、匯聚），連接MSC、BSC 及BTS 間業(yè)務(wù)，并為三者之間的業(yè)務(wù)傳輸提供時鐘同步的碼流時鐘。

3 同步要求

當(dāng)前，鐵路GSM-R 系統(tǒng)作為車載子系統(tǒng)與地面無線閉塞中心雙向信息傳輸?shù)能嚨赝ㄐ畔到y(tǒng)，對時鐘同步的要求十分嚴格。MSC從就近的BITS設(shè)備或SDH 設(shè)備獲取時鐘同步信號；BSC 通過業(yè)務(wù)碼流提取線路時鐘再定時信號跟蹤MSC，也可從就近的BITS 設(shè)備或SDH 設(shè)備獲取時鐘同步信號；BTS通過基站環(huán)跟蹤BSC。

鐵路GSM-R 系統(tǒng)對時間同步也有相應(yīng)的要求，GSM-R 系統(tǒng)的網(wǎng)管服務(wù)器，從就近的時間節(jié)點獲取時間同步信號，系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)元和網(wǎng)管服務(wù)器時間服務(wù)單元間采用NTP（時間同步協(xié)議）實現(xiàn)時間同步，精度要求較低。

隨著GSM 在運營商的逐步退出，鐵路專用移動通信系統(tǒng)在演進方面，出于對安全的考慮，一直未選擇3G 或4G 技術(shù)，希望在運營商多年實踐的基礎(chǔ)上，期待技術(shù)成熟后試用［2］。2016 年，朔黃鐵路選擇LTE 方案建成了中國第一條、也是全球第一條4G 鐵路網(wǎng)絡(luò)，支撐鐵路重載貨運。但是，隨著5G 技術(shù)的快速發(fā)展，朔黃鐵路4G 無線網(wǎng)對未來架構(gòu)部署的參考價值已不大，鐵路必須考慮如何從G 網(wǎng)向5G 直接演進。

運營商從3G 開始向IP 化轉(zhuǎn)型，以支持日益豐富暴漲的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，到4G 和5G 電路域帶寬承載的語音業(yè)務(wù)占比已經(jīng)非常小。在2G 網(wǎng)絡(luò)向3G和4G 的演進過程中，對同步的要求發(fā)生了變化，空口速率和低時延對接，要求更高精準度的同步體系來支撐，由時鐘（頻率）同步要求升級為時間同步要求。時間同步是在時鐘（頻率）同步基礎(chǔ)之上強調(diào)了相位同步［3］，要求的精準度比時鐘（頻率）同步更高。5G 網(wǎng)絡(luò)對頻率同步的要求與以往其實沒有區(qū)別，技術(shù)也相對成熟。最關(guān)鍵的是時間同步架構(gòu)，尤其是5G 的協(xié)同業(yè)務(wù)及新業(yè)務(wù)對時間同步的要求也比4G 時更加嚴苛。

鐵路作為國家綜合運輸體系的骨干，也在積極研究探索基于5G 的專用移動通信系統(tǒng)（以下簡稱“5G-R”）的應(yīng)用需求，總體上可分為行車指揮控制、運營維護、客貨運客戶服務(wù)和工程建造等。其中行車指揮控制、運營維護等應(yīng)用主要由鐵路5G專網(wǎng)承載，其他應(yīng)用可考慮5G公網(wǎng)承載。5G專網(wǎng)和終端設(shè)備必須滿足350 km/h 或更高速度條件下的移動終端的正常通信，網(wǎng)絡(luò)時延要求和同步需求甚至?xí)哂谶\營商的標(biāo)準。

5G 基本業(yè)務(wù)時間同步需求，對于鐵路即將采用的FDD 制式5G系統(tǒng)并不涉及，然而為了提升在交疊覆蓋區(qū)域的業(yè)務(wù)帶寬，必然引入不同類型的協(xié)同增強技術(shù)，例如多天線（MIMO）、載波聚合（CA）、協(xié)作多點傳輸（CoMP）等技術(shù)［4］，這些技術(shù)都必須時間同步才能良好應(yīng)用，并且同步需求低至幾百納秒（ns）甚至幾十納秒（ns）的嚴苛要求。另外，高精度定位、高速移動業(yè)務(wù)覆蓋、時延精準測量以及物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)垂直應(yīng)用，對5G 網(wǎng)絡(luò)的同步精度也提出更高要求。例如基站定位要求達到米（m）級精度，基站間的空口信號時間偏差優(yōu)于10 ns［5］。

針對鐵路5G 的高精度同步需求，設(shè)備也必須滿足相應(yīng)的同步性能指標(biāo)要求：5G 基站gNB 時鐘（頻率）同步準確度優(yōu)于±0.05 ppm，時間準確度優(yōu)于±1.5 μs；核心網(wǎng)設(shè)備、運營與支撐系統(tǒng)等要求支持時間同步，通過NTPv3 或NTPv4 等協(xié)議實現(xiàn)同步，時間精度優(yōu)于±50 ms；SIP core 要求支持時鐘同步，頻率誤差優(yōu)于±4.6 ppm。

4 同步方案

運營商普遍采用的基站單站衛(wèi)星授時方式存在覆蓋盲點、建設(shè)和維護成本高、系統(tǒng)復(fù)雜、故障率高等諸多問題，同時存在信號受干擾或攻擊等安全隱患，無法滿足鐵路5G 網(wǎng)絡(luò)的高精度時間同步要求，采取地面時間同步鏈路傳送高精度時間信號的替代方案已成為必然趨勢。

結(jié)合鐵路時間同步網(wǎng)的建設(shè)進展，以及骨干傳輸技術(shù)對1588v2 的高效支持（單纖雙向免調(diào)測），鐵路5G 網(wǎng)絡(luò)的時間同步架構(gòu)模型如圖1 所示，包含北斗衛(wèi)星（源）、傳送網(wǎng)（載體）、1588v2（PTP協(xié)議）三部分。

圖1 鐵路5G時間同步架構(gòu)模型

4.1 選源

獲取標(biāo)準時間信號的技術(shù)主要是衛(wèi)星授時，全球有北斗、GPS、Glonass、伽利略4個系統(tǒng)，GPS一直為業(yè)界主流授時技術(shù)方案，但是伴隨著2020年6 月最后一顆北斗二代衛(wèi)星的發(fā)射成功，我國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)已經(jīng)從十年前的第一代2 顆星發(fā)展成當(dāng)前的55 顆星，可以全天候、全覆蓋地支撐全球應(yīng)用，在國內(nèi)已經(jīng)取代GPS，成為定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)的主用系統(tǒng)。

在上述架構(gòu)中，同步網(wǎng)BITS 以雙模方式同時支持北斗和GPS，獲取高精度時鐘（頻率）和標(biāo)準時間源，通過濾噪分頻等處理，交由釹鐘單元守時，再由PTP 時間同步單元對外輸出高精度時間源。

鑒于目前的單頻接收機單向授時精度只有100 ns級別，雖然技術(shù)成熟，但無法解決性能監(jiān)測問題，精度也無法滿足5G 網(wǎng)絡(luò)的高精度源頭設(shè)備要求，因此也可考慮采用雙頻衛(wèi)星技術(shù)提高衛(wèi)星授時精度，采用衛(wèi)星共視技術(shù)進行性能監(jiān)測和同步測量［6］。

4.2 傳送

國鐵集團一級時間同步設(shè)備向鐵路骨干傳輸網(wǎng)OTN 設(shè)備輸出1588v2 標(biāo)準時間信號，并通過骨干傳輸網(wǎng)OTN 系統(tǒng)傳遞至各局集團有限公司所在地。各局集團有限公司二級時間同步設(shè)備根據(jù)具體的接口需求和應(yīng)用實際，采取1PPS＋ToD 或 PTP （1588v2） 接 口 獲 取 標(biāo) 準 時 間信號［7］。

其中，OTN 接收了標(biāo)準時間源輸入后，有ESC（電監(jiān)控信道）和OSC（光監(jiān)控信道）2 種傳送方式，即ESC 或OSC 傳輸時鐘/時間。其中，OSC 方案以其單纖雙向、免調(diào)測、不隨電路切換導(dǎo)致時間鏈路距離發(fā)生變化等優(yōu)點成為主流。

承載網(wǎng)骨干層與匯聚層之間、匯聚層與接入層之間建議采用帶內(nèi)接口，采取PTP（1588v2）時間同步接口實現(xiàn)互聯(lián)［8］。

圖1 所示的備用時間源可以是從承載網(wǎng)骨干層的其他環(huán)網(wǎng)通過PTP 帶內(nèi)方式獲取，或者在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時，從二級時間節(jié)點設(shè)備直接獲取標(biāo)準時間。和傳統(tǒng)的時鐘同步網(wǎng)絡(luò)相同，時間同步網(wǎng)在同一組網(wǎng)范圍內(nèi)時間源應(yīng)有主備，設(shè)備還應(yīng)支持主備同步鏈路。

4.3 無線基站接收1588v2時間授時

承載網(wǎng)和5G 基站gNB 之間建議采用帶內(nèi)接口，采取PTP （1588v2） 時間同步接口實現(xiàn)互聯(lián)，若采用帶外接口，則需要gNB 提供1PPS接口［9］。

鐵路時間同步架構(gòu)的完善不可能是一蹴而就的，可結(jié)合設(shè)備現(xiàn)狀和實際應(yīng)用場景，選用不同的時間協(xié)議和傳送方式。對于時間傳輸協(xié)議，伴隨技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了不同階段的演進，各種時間傳輸方式見表1。

表1 時間傳輸方式對比

其中，NTP 是目前為ICT 物理設(shè)備提供時間源（ToD 時間，即年月日時分秒）的方式，NTP在經(jīng)過復(fù)雜的IP 網(wǎng)傳輸后，精度會大幅度下降，但通過雙向時間協(xié)議校正，可以保證在ms 級別，為設(shè)備提供普通時間服務(wù)，完全滿足時間校準的需求，支撐告警、日志時間、時間顯示等準確一致。

1588v2 又稱為PTP（精密時間協(xié)議），其架構(gòu)最早于2002 年推出［10］。由于基站要求時間同步，衛(wèi)星授時存在一定的風(fēng)險，因此引入1588v2 為4G、5G 提供地面時間同步鏈路，偏差精度可達到亞微秒級。與NTP 使用目標(biāo)完全不同，它為設(shè)備提供高精度時間服務(wù)，用以支撐業(yè)務(wù)的高精度時間同步需求以及性能監(jiān)測和同步測量等需求，所以5G 設(shè)備可能會同時使用NTP 和1588v2 兩種授時機制。

5 總結(jié)

本文以鐵路時鐘同步、時間同步網(wǎng)、專用移動通信系統(tǒng)等多個基礎(chǔ)設(shè)施項目建設(shè)為背景，結(jié)合對鐵路5G-R 業(yè)務(wù)的同步需求分析，闡述了鐵路5G時間同步以1588v2 和北斗同步性能為基礎(chǔ)的架構(gòu)規(guī)劃，實現(xiàn)鐵路時間同步架構(gòu)對5G-R 規(guī)劃、建設(shè)及運行管理的有力支撐。