PTN 时间同步方案在移动网络中的应用

PTN 时间同步方案在移动网络中的应用

移动技术从 2G 向3G、到LTE 发展推动着移动传送网络从传统的TDM 技术向着更高带宽、更低成本、更加灵活的分组技术演进。PTN（Packettransportnetwork）作为一种面向连接的传送技术，基于分组架构，借鉴了SDH 完善的保护倒换、丰富的OAM、良好的同步性能，同时融合了MPLS/Ethernet 技术分组交换、QoS管理以及统计复用等思想，为运营商建设可管理、可运维的统一融合的传送网提供了一个良好解决思路。
PTN 满足移动网络同步要求的战略意义
移动网络对高精度同步有严格的要求，基站工作的切换、漫游等都需要精确的时间控制，避免用户在基站之间切换过程中出现掉线、影响其它用户的现象，目前各种无线技术对同步的要求如表所示。

目前已经部署的 TD-SCDMA(以下简称TD)网络，均采用GPS 方案来解决移动网络同步问题。但GPS 天线安装需要满足120°的净空要求，工程安装有难度，且GPS 成本较高，维护困难。中国移动一直积极寻求替代GPS 的新技术，一方面通过有线传输网络传送精确时间同步信号；另一方面利用我国自主发射的北斗卫星作为时间信号源，使用北斗卫星与GPS 卫星双模授时，并互为主备用。最终从时间信号的来源和传输两个方面相结合，彻底摆脱对GPS 的依赖。
目前业界纷纷把目光投向 PTN，通过PTN 分组网络上提供高精度同步的解决方案，从而实现GPS 替代。
PTN 网络实现时间同步的相关技术
在基于 PTN 分组网络中，同步技术可以通过同步以太网G.8261 和精确时间同步协议IEEE1588V2 来实现。G.8261 通过以太网物理层PHY 芯片从串行数据码流中恢复出发送端的时钟，这种方式与SDH 时钟恢复方式是相同的，并且可以获得类似SDH 的时钟精度，实现网络时钟同步。时钟同步质量接近SDH，不会受到数据网络拥塞、丢包、时延等影响。但目前同步以太网只能支持频率信号的传送，不支持时间信号的传送，所以单纯的同步以太网方案只适用于不需要时间同步要求的场景。IEEE1588的核心思想是采用主从时钟方式，对时间信息进行编码，利用网络的对称性和延时测量技术，实现主从时间的同步，其关键在于延时测量，如图1。IEEE1588V2进行频率同步时虽然可以独立于同步以太网实现频率同步，但相对于同步以太网，PTP有较长的收敛时间，频率精确度依赖于时戳的颗粒度。

PTN时间同步方案网络应用的几个关键问题
时间同步是3G移动制式提示的新需求，目前中国移动尚没有一张精确的时间同步网，时间同步解决方案的部署应该采用逐步建设的方式。
时间源首先部署在本地网核心机房RNC侧，对RNC进行授时，RNC通过带外的方式将PPS（频率）和TOD（时间）信息传递给PTN设备，PTN设备运行1588V2协议，将同步信息传递到各个基站侧。因为目前现网部署的基站绝大部分都不支持1588V2协议，如果要进行现网改造，其成本和工作量巨大，此时接入端PTN设备采用带外的方式将同步信息传递给基站。如果基站已经支持1588V2协议，则接入端PTN设备通过带内FE/GE接口同时将业务和时间信息传递给基站（如图2所示）。

PTN网络运行SSM和BMC的协议方式，实现时间链路的自动保护倒换，保证时间的可靠传送。
PTN时间同步方案在网络中应用，有几个关键问题值得探讨。
精度问题
TD-SCDMA空口同步要求非常精确，频率精度为0.05ppm，时间同步精度为1.5us，这是空口端到端的指标要求，而分配到承载网一般为900ns左右。如果网络较大，穿通的节点数多，其精度是否满足要求？一般来讲，基于物理层同步的G.8261可以提供较高质量的参考时钟，但不能实现时间的同步；而IEEE1588V2同步方式既可以实现频率同步，也可以实现时间同步，但1588报文经过复杂的数据网路，抖动和非对称性的不可控，导致从1588报文中恢复时钟和时间精度难以保证。因此在实际应用中可以考虑两种同步方式相结合的办法，通过G.8261完成精确的频率同步，在G.8261基础上实现1588V2时间同步，硬件实现1588协议中精确时戳的插入和提取，减少1588报文发包频率，加快收敛速度，有效提高时间同步精度。
补偿问题
这里谈到的补偿，涉及到两个方面：1PPS+TOD线缆延时补偿和光纤线路不对称补偿。
前面讲到1588的关键在于延时测量。同步时间源一般是通过带外线缆将1PPS和TOD信息传递给PTN设备，另外目前现网中大部分基站都不具备1588能力，PTN设备也需要通过带外的方式，将1PPS和TOD传递基站。如果时间源和基站不具备延时补偿能力，需要PTN设备完成这部分线缆引入的延时补偿，将补偿结果加到TOD信息。
可靠性问题
为保证PTN网络对时间信息的可靠传输，必须对输入时间源和传输链路实行可靠保护设计。
首先对PTN设备通过1PPS＋TOD接口采用高精度时间源进行授时，保证系统在一定的时间内可靠稳定地运行，条件许可情况下，采用主备两个高精度时间源，增加时间原的冗余备份能力。
PTN传送网物理链路一般采用环型组网，汇聚层和接入层采用相交环或相切环实现互联，每个外时间源通过环形链路中不同两点接入主用链路和备用链路。在PTN网络中启用BMC算法，BMC算法可基于时钟质量和最短节点路径选择最优的时间源，有效减少时钟质量的累加误差，增加时钟源的冗余备份能力。