1588在WCDMA回传网络中的定位思考

郑滟雷，张 贺（中讯邮电咨询设计院有限公司，北京100048）

0 前言

虽然无线接入网 （RAN）的IP接口承载模式被3GPP组织在R5阶段正式提出，但由于移动业务分组数据对带宽需求的膨胀，导致IP化进程迅速发展、3G R4 RAN的IP化提前进行、商用开始出现，移动回传网络（MBH）所承载的业务类型正由以TDM为主向以IP/Eth分组为主转变，业务接口由E1向FE变化。鉴于IP化业务具有带宽突发性及峰均值比突出等特点，传统的基于电路交换的MSTP网络采用的是刚性带宽，因此IP化主要体现在业务接口上，内核还是电路交换,这就使得MSTP网络在承载IP分组业务时效率较低，很难适应以大量数据业务为主的3G时代和全业务时代的需要。

分组传送网（PTN）技术能很好地满足2G/3G基站回传业务的统一接入和传送，是适应于由TDM业务向IP业务过渡的一种传送技术。PTN技术之所以能成为3G时代目前的主流传送技术，一个重要原因就是来自于MBH网络的同步需求。首先是在这种分组网络上仍然存在着承载语音等TDM业务需求，网络中的网元设备同步状态对于TDM传送质量具有重要的意义，同时在分组网络与PSTN互通时，分组域的出入节点也要求提供同步功能；其次是实现对时间和频率同步信号的准确传送，以满足承载基站业务对高精度时间（时钟）同步的需求。ITU-T G.826x和G.827x分别对PTN上的频率和时间同步进行了需求描述，并对功能框架及实现要求进行了定义。由于IEEE 1588技术很好地符合了网络发展趋势，且能达到良好的同步信号恢复要求，因此已被业界广泛认可。

本文首先对中国联通3G MBH中的同步需求进行了细致解析，提出了IEEE 1588技术在未来地面同步授时方式中所占的主导地位；其次对1588报文可能的承载方式进行了综合分析比较，指出了各种情况下需要重点认识及解决的问题，并提出了相关工程技术人员需注意的若干事宜；最后给出了一个测试模型，用于中国联通应用1588技术的同步环境验证，并就其中的重要环节进行了解释。

1 联通网络应用1588的若干考虑

同步网是电信网的三大支撑网之一。在SDH环境下，同步网的定时信号由SDH网络传送，而SDH网络的同步又需同步网来支撑，实际上SDH网和同步网的网络设计是合二为一的。SDH网络所能解决的是频率同步问题，而对于TD-SCDMA和CDMA2000系统的基站间需保持一个严格的相差关系要求，SDH系统是无能为力的。目前，多采用在基站上架设GPS接收机的方式来解决时间同步的问题。但由于GPS提供的时间同步存在着施工难度大、维护任务重，建设成本高及不安全等诸多弊端，因此寻找、研究和实施替代GPS的地面授时方案就显得尤为重要。有不少的解决时间传递方法，如NTP及SNTP等。这种算法仅能提供ms级精度，虽然也广泛应用于电信计费等网管功能上，但在支撑移动业务的能力上就显得力不从心了。2005年IEEE组织对早先的1588协议进行了修订和补充，使得主时钟和从时钟间的时间精度达到了亚μs级，很好地解决了3G移动业务对同步的要求。1588的应用领域为分组化网络环境，在以PTN为主流的MBH中，1588就成了同步方案中的首选。

中国联通WCDMA网络基站间的业务同步仅需做到频率同步，其无线回传网络中的MSTP传输设备已能实现传输与基站间的频率给定问题。但在进入LTE阶段后，基站上行业务带宽需求增大，传输汇聚层面收敛能力要求增强，带宽动态调整能力要求提升，尤其在目前中国联通本地网接入环带宽多为622 Mbit/s的情况下，这些要求都是日后营造LTE网络时MSTP传输设备所不能回避的问题。因此，在中国联通的MBH乃至本地网的IP化改造中，PTN设备将可能有所应用，是否能真正应用还要由基站开通业务的带宽及类型等实际情况来决定。在PTN上实现1588 v2有很好的基础。由于1588是一种算法协议，端口支持度远比类似同步以太实现来得容易；从算法自身角度来看，用1588恢复频率也较节省带宽；另外LTE阶段的某些特殊业务如客户的位置跟踪服务等，就是在时间同步的基础上实现的，因此站在中国联通WCDMA网络发展的高度，及时研究1588将具有前瞻和现实双重意义。

1.1 思考与认识

基于我们对1588的测试分析，提出以下共识。

a）1588协议通过主时钟与从时钟间的交互来完成时间的精确传递（这里免述交互过程）。1588用作时间授时时需使用2类报文，一是报文中需明确标识出当前时间的报文即事件报文如Sync及Delay-request等，二是在1588维护中使用的通用管理报文即普通报文如Announce报文及Signaling报文等。一般来讲，PTP链路应能进行抓包分析1588报文。但目前设备厂家并没有实现协议的某些功能如报文速率协商机制，而缺少该机制时就可能不存在Signaling报文。速率等级的设置对时间或时钟恢复的质量都起着十分关键的作用；用作时钟授时时，仅需要使用事件报文及同步消息，依靠主时钟间断发送信息来实现从时钟频率的校正。WCDMA网络内要求解决频率同步，相对于时间同步来说，同步报文的周期需要更高。因此，仅限于频率恢复方式和取时间恢复方式，它们所占用的带宽基本上是一致的。

b）IEEE 1588对时钟模式定义了 OC、BC及 TC等3种基本类型，在此基础上又增加了OC+TC等新的复合时钟类型。从OC的定义来看，设备上配置OC时钟模式只能作为时间链上的master和slave。在实际工程中，BC和TC都有所应用。BC模式是目前常见的PTP应用模式，它采用逐段进行PTP协议的终结及再生，实现起来较简单，但正因为它需要逐跳点地进行时间恢复，就在全程造成了源宿节点间的低频漂移误差累积。在核心网络为网状网（MESH）拓扑结构时建议采用BC模式。一方面可减少初始化网络的配置负担，另一方面可充分发挥BMC算法的长处。在1588应用网络开局时，通常在节点上采用BC模式，逐段对光纤双向链路进行补偿；TC是一种把BC交互无限拉大的透传时间方式，在中间PTP节点上不进行PTP终结，因此从协议算法角度来看，能保证全程PTP链的高精度时间传递，适用于规模更大的网络。在网络边缘或接入部分，网络大多为环形或线形拓扑结构，TC模式在xDSL和PON系统中有更强的适用性。但是，TC模式本身也有无法克服的缺陷，如需其底层协议解决时钟环路与链路保护。TC模式有E2E及P2P 2种类型（这里免述其区别）。1588交互模型同样适用于E2E模式，但不适用于P2P模式。E2E模式实现起来虽较为简单，但一旦PTP链出现故障，其保护倒换时间会远大于P2P模式。

c）单播和组播。所谓的单播和组播问题，是从另一角度看待PTP时间链应用的。从目前时间源和设备商的实现能力来看，不论是二层寻址还是IP寻址，都有单播和组播2类不同的时间源传送方式。鉴于单播的主/从时钟构成的是1组固定的逻辑关系，主/从时钟都需要在各自的PTP端口上配置对方的网络或物理地址，因此理解其应用是很容易的。虽然单播方式原理简单，但需要准确知道从时钟的地址信息，并在下行链路上产生多重的PTP带宽；组播方式基于时间链上至少有1个节点同时使能3个以上的PTP端口，其主时钟PTP端口不需要配置从时钟地址。在组播方式下，便于应用BMC算法实施保护。当1个PTP节点通过PTP端口接收到不同的时间质量信号时，可自动判断出信号的好坏，并选择本节点跟踪来自哪个端口的时钟。当然也可进行手工静态配置。静态配置时需结合节点状态来完成这项工作，但1个PTP节点只能在1个PTP端口上使能slave状态。

d）采用IEEE 1588协议可解决频率同步和时间同步问题。频率同步时相位未必同步；反过来一样，相位同步时时钟关系也未必就一定能满足频率要求。因此，时间传递和时钟传递是可以独立考虑的。在全IP时代，移动信号回传网络中的频率还能从CES业务或以Sync-E方式获得。尽管以Sync-E方式得到的频率恢复质量优于其他方式，但它面临的挑战是，在PRC和终端设备间的整个路径上，所有分组设备都要通过升级使其具备同步以太网功能。在全网无频率同步的情况下，根据测试情况来看，仅依靠PTP同时解决频率和时间同步问题是可行的。但是当PTP链出现故障发生倒换时，PTP上的客户端需较长的时间跟踪才能锁定同步信息。

1.2 承载网络的类型分析

在地面同步链路授时替代GPS的方案中，根据MBH现状及不同承载网络，目前阶段主要有以下2种解决方案。

1.2.1 PTN承载方式

PTN为在电信领域应用1588技术做出了很大的献。众多传输厂商也为PTN设备上的Ethernet接口升级了PTP功能，绝大多数端口可支持完整的1588解决方案。

PTN虽采用网管静态配置的指定通道来传送业务，但由于网元节点内部为分组交叉，在端口的出队列上采用的是存储转发机制，这就造成了1588报文在网元内部的时延呈现出随机状态，而从时钟以端到端的1588报文为基础，用于自身时钟（时间）的恢复。这样一来，经过网络后的分组包延迟变化（PDV）会给从时钟信号恢复质量带来明显影响。

a）采用BC模式时，由于在每个节点终结PTP报文，因此上一级节点的PDV影响不会累积到本节点。由于节点间的相差是随机性出现的，因此从端到端的角度测试源宿间相差的整体结果来看，其时间精度的差别是不大的；鉴于TC模式端到端的PDV对从时钟的时间恢复质量存在很大的影响，且跳数越多，这种不确定性的影响就越明显，因此不适合于在大网中应用。

b）PTN设备可在节点时钟自由运行的状态下，以TC模式启动时间链的同步任务。若为了对中间节点设备的时钟质量进行测试及评定，则需要将中间PTP节点的时钟模式修改为OC+TC，而由于OC+TC模式配置较繁赘，因此在该种情况下通常配置成BC模式。在从时钟锁定PTP时钟时变更中间节点的时钟模式，将加长从时钟再次跟踪到同步的时间，且跳数增加的越多，跟踪同步的时间将变得越不可预期。建议在标准明确规范前不要采用这种操作，以免给从时钟的同步质量带来更大的影响。

c）当PTN节点使能1588功能时，按目前ITU-T组织的思路，毋需把1588报文封装到业务中，PTP报文将仅依靠时间传递协议在网元间的PTP端口上流动，以实现时间恢复效果；当PTN节点上不开启1588功能时，尽量在独立端口上配置1条E-Line或ELAN来实现PTP报文的传递。任何分享PTP端口的业务报文，都会给从时钟同步恢复造成不良影响。

1.2.2 MSTP承载方式

中国联通目前的3G信号回传网络主要由MSTP构成，虽然日后LTE阶段为了某些特殊业务的应用存在基站间的相位同步需要，在不考虑LTE初期业务激增的情况下，采用MSTP传1588报文的方案来解决同步问题也并不是不可能的，但其意义不能过分的予以强调。

a）MSTP网络属刚性带宽管道传输系统。当MSTP把PTP报文作为业务报文完全透传时，将采用PTP给基站授时。从基站上恢复出的1PPS信号测试结果来看，源宿节点上的时间精度差很难满足无线业务需求。在对从基站输出的2 MHz信号进行测试时，虽然实验室环境下的测试结果能满足长期同步需求，但仍应考虑被测信号在抗噪容限下的时钟恢复能力的问题。

b）若采用1588方式只是为了解决频率同步问题时，通常的做法是在Signaling报文源宿互发协调后，仅需要Client端单方向接收Sync报文。通过接收缓存器进深长度的变化，来实现Client端与源端频差的校正。采用单向1588报文时，网络中的PDV对Client端恢复频率的影响会很大。PTP报文通过IWF转换进入SDH孤岛，以净荷方式穿过TDM网络，中间节点应不存在太大的PDV，只要解决好IWF内的协议封装过程，这种方式还是可用于单纯性的频率恢复的。但由于目前绝大多数基站缺乏时钟的外输出接口，因此很难客观评定这种方式的测试定论。

c）使用MSTP的净荷部分传送PTP报文时，难以达到时间精度要求。目前，有的厂家提出在MSTP网络客户侧把PTP报文分包打散后放在开销中未定义的字节里。该方式虽需升级线路板接口及协议、增加1588协议时间处理单元，但能保留住传统SDH时钟同步信号的处理单元。从有关方对多种拓扑环境下MSTP网络承载PTP报文进行的同步性能测试验证结果来看，是能满足无线业务需求的。但笔者认为，进一步推广该项目仍存在一些需要考虑的问题，如大规模网络物理拓扑和时钟模式间的关系及MSTP开启PTP后如何处理现有SDH网络中的时钟同步模式等。

由于目前MBH网络需求的多样性，使得用于承载移动回传信号的网络设备种类日益增多，致使到底是采用路由器还是采用PTN作为MBH网络的业务承载载体的争执至今尚未平息。但就解决时间同步需求来看，主流路由器厂家都能够实现1588功能。由于路由器和PTN设备内部的分组包转发机制基本上是一致的，因此经测试验证，1588报文在路由器组网环境下产生的PDV与PTN环境下的结果颇为一致。

2 测试环境

中国联通对于IP环境下的时间同步和时钟同步研究不应仅局限于对PTP技术的研究与分析上，而应结合现有网络资源和未来业务发展需要，对其进行综合性的评定和利用，不仅需要对现有网络是否可开通1588进行摸底 （即应用1588技术进行深入的调研与分析），而且要明确利用该项技术所要达到的同步目的，以及如何和现有同步技术相结合，并以此规范入网设备应具备的有关功能。

基于上述几点认识，笔者推荐一个1588网络测试环境模型（见图1），以供中国联通对1588技术的研究型测试网络环境参考。

图1 1588测试环境模型

中国联通使用1588来满足同步需要时，可基本定位在新建网络中，因此无现网改造升级压力。根据基站空口侧业务对同步的需求，需测试和评定如下内容。

a）1588报文承载网络特性。无论是采用基于电路交叉的SDH等传输设备，还是采用以PTN技术为代表的分组交换设备，由于该承载网所带来的同步精度差将分担同步授时端到端容限的绝大部分，因此用测试网络内的PDV值来研究1588技术应用可采用图1方式。这种情况下的网络环境尤为重要，如：网络节点是否时钟同步，以及在时钟同步链发生断裂、时间链发生倒换等极端状态下，网络性能是否仍能满足要求等。

b）基站。基站从1588报文中恢复时间的能力，决定了回传网络中端到端使用PTP的程度。目前支持1588的基站厂商大体分为两类，一是支持整套1588协议，接收PTP报文后通过Client和时间源交互实现时间同步，二是仅采用1588部分报文实现基站与RNC的频率同步。由于基站本身就是一个很好的设备，因此可通过网管进行同步锁定验证，同时有条件时可进一步利用基站的同步外时钟输出接口，把内部时钟信息输出到仪表上进行1PPS和2 Mbit/s信号测试。

c）分组环境下应用1588是该项技术的主流应用趋势。ITU-T G.8261明确定义了分组环境中网络所能容忍的最大抖动和漂移性能及处于网络边缘的网元设备所应满足的频率同步需求。该标准同样适用于采用1588进行频率同步的网络场景。附录里的2大类Test Case可用于测试、评定分组网元设备是否满足分组网络中的同步需求。对于这种测试场景，多以应用网络仿真分析仪对边缘网络设备的同步信号进行分析而定。

3 结束语

就目前中国联通的无线网络来说，在MBH位置上对1588技术的应用需求远不及TD-SCDMA和CDMA2000网络那样迫切。1588技术确实为基站间的相位同步需求提供了严格保障，同时也不失为一个很好的，能替代GPS转为以地面链路授时为主的解决思路，且从传输长远发展角度来看，1588也必将成为一种解决传输网络时间同步和时钟同步的主流技术。

中国联通可从技术研究的角度出发，关注、跟踪1588的技术研发、标准动态、工程应用乃至在现网中开展小范围的技术试点测试，以便为今后适时应用该项技术储备技术人才及提供智力保障。

［1］ITU-T G.8261/Y.1361.Timing and synchronization aspects in packet networks.04/2008［S/OL］.［2011－02－10］.http://www.3dportal.cn/discuz/viewthread.php?tid=688169.

［2］ITU-T G.8260.Definitions and terminology for synchronization in packet networks.08/2010［S/OL］.［2011－02－10］.http://www.ptsn.net.cn/standard/std_query/show-itut-9020-1.htm.

［3］IEEE std 1588-2008.IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control System.07/2008 ［S/OL］. ［2011－02－10］.http://blog.c114.net/html/82/106782-30968.html.