关于铁路通信同步网发展的探讨

陆红群

关于铁路通信同步网发展的探讨

陆红群

摘 要：铁路通信同步网分为时钟同步网和时间同步网。针对铁路同步网现状和存在的网络结构、覆盖、设备老化等问题进行分析，提出近期铁路同步网发展规划。出于未来通信对同步网的更高要求，从技术更新角度提出对远期同步网发展的考虑。

关键词：一级基准时钟;二级时钟;时间同步节点;分组传送

铁路通信同步网分为时钟同步网和时间同步网。时钟同步网为传输、电话交换、GSM-R、调度等通信设备提供标准的频率同步信号，是支撑通信网络运营必不可少的手段;而时间同步网为铁路网运营和机电设备控制等提供统一的UTC标准时间。随着计算机信息技术的迅猛发展，铁路通信同步网是否满足要求，今后又将如何发展，本文将针对这些问题进行探讨。

1 铁路通信同步网现状

时钟同步网和时间同步网都属于支撑网络，是同步网的2个子网。时钟同步网伴随着铁路数字通信设备的应用较早产生，历经了混合建网和独立建网2个阶段。而时间同步网在铁路通信网中建设较晚，主要是由于近年来对时间精确度要求提高，才出现时间同步网的建设要求。它们在网络中所起的作用不同，采用的标准不同，设备制式也不完全相同。

1.1 时钟同步网

在数字通信网中，传输和交换的信号是对信息进行编码后的比特流，且具有特定的比特率，这就需要网内的各种数字通信设备 (或网元)的时钟具有相同的频率，以相同的时标来处理比特流。若2个数字交换设备之间的时钟频率不一致，或者由于数字比特流在传输中受损伤，叠加了相位漂移和抖动，就会在数字交换系统的缓冲存储器中产生码元的丢失和重复，导致滑动损伤，影响通信网络性能。铁路时钟同步网建网的主要目的就是为铁路通信网中的通信设备提供标准的频率同步信号。

铁路通信时钟同步网1999年开始建设，完成了一级基准时钟 (包括PRC和LPR)在铁道部、铁路局、铁路分局所在地的部署，建设了少量的二级时钟，利用PDH的2 Mb/s业务通道向网内设备传送定时信号。

2004年，随着PDH设备退网和SDH设备对时钟同步的更高要求，铁通公司对同步网进行了扩容改造，采用混合同步方式。同步网节点分3级：分别采用一级基准时钟PRC和LPR(符合G.811)、二级时钟SSU-T(符合G.812)和三级时钟SSU-L(符合G.812)。原则上一级时钟设置在省际与省内传送网的交汇点、各省一级交换中心;二级时钟设置在省内传送网与本地传送网的交汇点、二级交换中心;三级时钟设置在本地传送网节点、汇接局、端局。同步定时链路由省际、省内和本地SDH同步网组成，SDH以STM-N线路方式传送定时，构成了由高等级时钟向同等级或低等级时钟稳定传送信号的定时平台。

按照具体规划设计，铁通同步网按照省、自治区、直辖市划分为30个同步区，每个同步区设置1～2个一级基准时钟，PRC或LPR。到目前为止，全网设置铁道部、沈阳、西安、武汉、广州5个PRC，配置铯钟+铷钟SSU+GPS;调整和设置LPR共几十套，配置铷钟SSU+GPS，LPR以卫星定位系统 (GPS)为主用，但必须接受PRC的同步;为传输重要交叉节点和重要业务节点共设置二级时钟一百多套，配置铷钟/晶体钟SSU。同时还建设了二级同步网网管系统，利用DCN传送数据，监控各时钟节点设备及同步链路故障。基本形成了覆盖全国的、比较完善的时钟同步网络，满足全网对同步时钟的要求。

2009年铁通公司划归中国移动，根据相关协议，同步网的资产和管理划转铁道部，资源能力双方共享，要同时为铁路通信系统和铁通公网设备提供同步业务。现有铁路同步网除了以上铁通划转网络，还包括大约十几套近年来随着铁路客运专线建设的二级时钟。

1.2 时间同步网

时间同步原理是按照接收到的时间来调控设备内部的时钟和时刻，与频率同步对时钟调控原理相似，不同的是既调控时钟的频率又调控时钟的相位，同时将时钟的相位以数值表示，即时间的时刻。

近年来相关部门制定了铁路时间同步网的技术条件，时间同步网的建设提供统一标准时间信号，保证铁路各系统运行计时准确，为铁路工作人员、车站乘客提供统一基准时间信息。铁路时间同步网由地面时间同步网和移动列车时间同步网组成。其中，地面时间同步网包含3级：一级节点设置在铁道部调度中心，二级节点设置在铁路局/客专调度所，三级节点设置在车站、段、所，移动列车节点设置在列车内。一级和二级时间节点通过IRIG-B、NTP、1PPS，或者GPS方式获得外部时间信息，向下级提供NTP或DCLS时间校准信号，并向各业务系统提供时间源;三级节点向本址客户端和时间显示设备提供时间信号。列车时间同步设备相对独立，通过GPS获取时间信息并向车内客户端提供时间信号。

到目前铁路一级时间节点正在建设，已建成和在建的二级时间节点有北京局、南昌局、上海局等10个铁路局，三级节点由各业务系统根据需要自行设置，时间同步网初具规模。

1.3 现状分析

从铁路时钟和时间同步网现状分析，目前网络基本能够满足要求，但是仍有以下一些问题和隐患存在。

铁通时钟同步网按省划分同步区的网络结构已不适应铁路通信网络布局和维护管理体制。随着铁路SDH传送网的规划改造，原有传定时SDH系统逐步退网，定时节点和定时链路调整势在必行。一级基准时钟PRC使用了6年多，大部分LPR也已经使用了10年，均已接近甚至超过了时钟本身的寿命期，设备老化，故障概率在不断增大;二级节点时钟覆盖不足，有些SDH网元密集地区或者SDH链路较长地区会出现同步性能降低。

铁路时间同步网由于没有建设一级节点，没有接入地面自主时钟源，过度依赖GPS系统维持同步，存在安全隐患;时间同步网络建设滞后，覆盖不足，在无覆盖地区有时间同步需求的各业务系统自建时间网络，网络利用率低;由于设备性能和网络管理差异较大，测量手段有限，时间同步性能参差不齐;不同厂家同步设备的互通性较差，有些同步时钟甚至不能互联。

近期要尽快完善现有铁路同步网，适时调整时钟同步网布局，更新老旧设备，扩大网络覆盖，调整和完善地面同步链路，避免不可接受的同步性能，减少潜在的、难于发现的问题，从而降低运行维护成本;时间同步网应尽快完成一、二级时间节点建设和互联工作，加大网络覆盖，统一时间接口标准，使时间同步网充分发挥作用。

中远期随着通信技术的发展，3G、WiMax/LTE等无线接入技术，以及未来通信新业务均对通信网时间同步的指标提出了更高要求，同时承载同步信号的网络也不断在向分组数据方向演进，新的同步技术已经出现，部分运营商网正在进行运用验证。可以预见，铁路同步网必将跟随技术进步的脚步不断向前发展。

2 近期发展规划

铁路通信网十二五的规划目标是根据铁路生产调度指挥和经营管理的需要，整合既有网络，扩容改造传送网，完善IP数据网，继续推进GSM-R网络建设，实现调度通信、视频监控、会议电视、固定电话等业务的全路覆盖。所以，近期内铁路通信网主要延续采用SDH为主的传输技术、IP路由技术、TDM调度通信交换技术和移动GSM技术，这些网络仍然要求时钟同步网作为支撑，时间同步依然必不可少。同步网近期适合沿用既有时钟同步网和时间同步网的技术制式，结合同步网存在的问题，适时进行更新改造。

图1 分配滑动性能指标的HRX

2.1 时钟同步网

2.1.1 铁路同步网主要技术要求

1．滑动指标。ITU-T G.822建议对国际数字连接的受控滑动率指标作出了规定，这个规定考虑到国际数字连接的滑动率指标应满足在ISDN中一个64 kb/s数字连接上的电话及非电话业务的要求。国际端到端连接的滑动率指标是按照图1的27500 km长的标准数字假设参考连接 (HRX)规定的，滑动性能要求见表1。

表1 64kb/s国际连接或承载通路的受控滑动性能

国际交换中心之间采用准同步，4条国际链路标称滑动性能是17.5天发生1次滑动。考虑到铁路同步网采用多个一级基准时钟控制的混合同步，所以一级基准时钟的长期频率准确度应按照优于±3×10－12来规划。由传输系统产生的滑动是24 h内1次滑动。在一个同步区内，在节点时钟的理论设计情况下和在规定的正常传输特性内，可以认为不出现滑动。分配滑动性能指标的HRX如图1所示。

2．漂移指标。在SDH环境下，影响性能指标的因素：一级基准源的飘动，SSU时钟的飘动，同步链路中串入其他通信设备的时钟飘动，传输线路随温度变化引起的飘动，SDH网元时钟的飘动噪声积累。G.823规定了同步链路模型符合G.803时，网络抖动和漂移限值，最重要的是18μs漂移限值。18μs漂移值指标分配如图2所示。

图2 18μs漂移值指标分配

图3 数字同步网的网络模型图

数字同步网的网络模型见图3。其中链路中串接的G.812时钟的个数K≤7，2个G.812时钟之间串接的SDH网页时钟 (G.813)的个数≤20，全程串接的G.813时钟总数不大于60个。在数字网的18 μs飘动允许值中，同步链路最多允许飘动5 μs。同步链路串联的G.812时钟主要是SSU时钟，但SSU分布有限，同步链路末端有可能串入1个或多个通信设备时钟，例如交换机时钟。这些通信设备时钟性能不如SSU好，尽管通信设备时钟在整条同步链路中所占的个数不多，但所产生的量不能忽视。为此在考虑以SSU为主的同步网指标时，不能将5 μs全部用完，应留出少量值给同步链路末端的通信设备时钟和作为网络余量。按照铁路通信“骨干、汇聚、接入”的三层传输模式，极长同步链路中串联的SSU时钟不多于7个。

则同步链路飘动总量为：

其中a～e分别为PRC、7个SSU、4500km光缆、60个SDH网元及SDH保护倒换分别产生的漂移量。计算结果表明，4500 km极长链路的总漂移量大约为 3.3 μs，优于 5 μs的限值。

2.1.2 同步方式和等级结构

仍采用混合同步方式，组成由多个基准时钟控制的分区同步网络，各基准钟之间以准同步运行，区内采用等级主从同步方式。同步网节点分3级不变：一级基准时钟PRC和LPR(符合G.811)，二级时钟 SSU-T(符合 G.812)，三级时钟 SSU-L(符合G.812)。采用骨干、汇聚和接入SDH构成同步链路。

2.1.3 规划建设方案

考虑极长链路飘动计算和主备倒换，以及传输设置骨干环网的方案，全国铁路同步网适合分布5～7个PRC，近期宜在北京、沈阳、武汉、广州、西安、成都6个节点设置PRC，保证每个骨干环均有主备2个基准时钟，将来可根据西藏和新疆地区的传输业务考虑增加兰州节点。各路局内应设置1～2套LPR，第一套LPR可以是PRC兼作，设置在路局所在地;第二套LPR一般设置于局内其他重要城市，最好选择骨干传输网开口的地方，并兼顾传输网发达，便于向路局内其他同步节点提供定时的地点，全路LPR宜设置40套左右。

考虑路局汇聚层传输系统网络设计，选择每个路局的重要城市和通信枢纽节点根据需要设置二级时钟;同时根据极长定时链路计算，网元数超过60个的需要设置二级时钟。通过测算全网大约需设置260个左右二级时钟。

根据时钟同步网规划，近期内要对到寿命期的PRC和部分LPR及二级时钟进行调整改造，并随传输工程进行同步链路调整和网管整合。

2.2 时间同步网

2.2.1 等级结构

铁路时间同步网由地面时间同步网和移动列车内时间同步网2部分组成。其中，地面时间同步网按3级结构设计：一级时间同步节点，绝对时间跟踪准确度优于1 s，1天之内的相对守时精度优于5 s，设置在铁道部;二级时间同步节点设置在各铁路局，绝对时间跟踪准确度优于500 s，1天之内的相对守时精度优于1 ms;三级时间同步节点，绝对时间跟踪准确度优于1 ms，1天之内的相对守时精度优于10 ms，设置在车站、段、所。移动列车时间同步节点设置在列车内。铁路时间同步网主要由卫星接收设备、母钟设备、时间显示设备、设备网管和传输通道组成。

2.2.2 同步方式

铁路时间同步网各级之间的时间同步信号传送方式采用主从树状结构，时间基准信号从一级时间同步设备传送到二级时间同步设备，再传送到三级时间同步设备;时间同步设备只允许从较高等级的节点接受时间同步，不允许同级时间同步设备之间进行串接或者多级时间分配单元级连。铁路时间同步网各级之间传送时间信号，采用DCLS时，传输手段为64 kb/s或E1专线;采用NTP协议时，传输手段为点对点专线 (FE接口)方式传送。

2.2.3 各业务系统及时间显示设备信号接引

铁路运输各业务系统时间源的接引可采用集中和分散接引方式：集中方式即时间同步网为运输各业务系统中心时间服务器提供时间同步信号接引;若业务系统通过集中接引方式不能达到各业务网元设备的时间同步准确度要求，则采用分散接引方式，各业务系统设备可分别就近从时间同步节点接引时间信号。时间显示设备的时间信号接引采用就近接引的原则，即时间显示设备就近接入各级时间同步设备。

2.2.4 规划建设方案

近期内要完成其余8个路局二级节点和铁道部一级节点的建设，随工程建设部署相应的三级时间节点时钟。

3 远期发展考虑

从远期通信发展角度，随着通信技术的不断发展，铁路通信网络正在不断融合语音、数据和视频业务应用，向构筑有线无线一体化、宽带、安全的基础网方向发展。铁路正在牵头国家LTE移动通信在高速铁路运用的技术研究项目，分组交换和传送技术由于高效的优势越来越多地应用到铁路通信网络中。作为通信支撑网的同步网面临新的问题：LTE需要保证在基站空口之间维持严格的时间同步关系，电力系统在运行和维护上需要更精准的时间同步，这些应用往往要求时间误差不超过几微秒，目前时间同步网靠NTP方式只能达到毫秒级时间偏差，不能满足要求。只有在基站、电力电牵控制站等处通过安装GPS和北斗卫星接收机获取世界协调时间 (UTC)来进行同步，但卫星天线的安装环境和维护成本要求较高，安全性受限，不是理想的解决方法。另外，将来网络大量使用分组传送，而传统时钟 (频率)同步体系中的标准仅适用电路交换技术的网络，分组网中传定时也是需要解决的问题。这些问题近期内不是十分突出，但是远期铁路大规模部署LTE网络、高精度时间要求的应用不断增加时，同步网必须要有解决方案。所以铁路通信同步网的规划建设应立足当前考虑长远，持续跟踪业界最新技术标准，关注国内外电信运营商和企业网建网经验，根据需要适时对铁路同步网进行必要的技术改造。

3.1 同步技术标准发展

3.1.1 IEEE同步技术标准

IEEE制定了局域网同步协议标准——精确时间同步协议 (PTP)，即1588协议，2008年发布了1588v2版本标准。

IEEE l588v2是基于数据包传送的同步技术标准，基本原理是采用主从时钟同步方式，对主时钟和从时钟发出和接收时间信息进行记录，并“加盖”时间戳。利用网络的对称性，根据时间戳，计算得到主从时钟间的时间偏差Offset和时延Delay，再应用PTP软件就能实现从时钟与主时钟的频率和时间同步。应用1588协议时，时间同步的精度能达到纳秒级。

3.1.2 ITU-T同步技术规范

ITU-T原有同步网规范主要是针对电信应用的频率同步规范，包括G.810/G.811/G.812/G.813等。目前正在制定适用于分组网络同步的相关标准规范，总体标准框架已包括频率同步系列和时间同步系列。已经基本成熟的规范主要针对频率同步应用，包括G.826x的同步以太网系列规范、基于分组的频率同步网络及1588v2频率同步电信应用系列规范。而包括1588v2时间同步电信应用在内的、G.827x时间同步系列规范仍在初步制定阶段。

3.2 国内其他同步网发展

从国际标准制定方面可以看到，面向未来的同步网技术已经发生了很大变化。

中国移动、中国电信由于 TD-SCDMA、CDMA2000基站间时间误差要求小于几微秒，在1588协议出现之前是采用GPS方式解决，限于GPS的安全性和安装环境复杂性，已考虑使用1588通过城域网PTN实现时间同步信号的地面传送，并与各厂家联合对1588v2在3G回传网络的时间同步方面做了大量验证测试、试验网部署。现阶段中国移动已经形成了“TD无线系统高精度时间同步技术规范”的企业标准，包括总体要求和1588v2协议规范、TOD规范。

3.3 铁路同步网技术选择

IEEE 1588v2作为一种有效的实现频率和时间传送的技术，使时钟 (频率)同步网和时间同步网逐步融合成为可能，受到了广泛的关注。铁路通信同步网和国内其他同步网的应用和规模相近，远期规划可以考虑参照运营商建网经验。先期可以局部采用1588用于实现高精度的时间同步，频率同步主要采用既有方式，将来逐渐向融合的标准方向发展。

伴随着技术发展，未来铁路通信网应用新技术提升网络能力是可以预见的，那么作为支撑网的同步网也应顺应新技术发展趋势，不断跟踪行业最新进展，根据需要进行试点，并制定相应的技术体制，采用成熟、先进的技术和安全可靠的产品，适时进行同步网络的更新改造。

［1］YDN_117－1999.数字同步网的规划方法与组织原则［S］.北京：人民邮电出版社，1999.

［2］YDN_123－1999.SDH网传送同步网定时的方法［S］.北京：人民邮电出版社，1999.

［3］运基通信［2008］559号，铁路时间同步网技术条件(V1.0)［S］. 北京：中国铁道出版社，2008.

［4］郑滟雷，张林，张贺.分组网络中同步标准的进展及分析［J］.中兴通讯技术，2011(6).

Abstract:Railway communication synchronization network can be divided into network frequency synchronization network and temporal synchronization network．Based on the present situation of synchronization networks and problem analysis of existing network structure，equipment ageing，and coverage，put forward development planning of synchronization network in the near future．Due to higher requirements of synchronization network in future communication，the development of synchronization network in the far future is taken into consideration in the viewpoint of technology updating．

Key words:Primary reference clock;Secondary clock;Time synchronization node;Packet transmission

陆红群：北京全路通信信号研究设计院有限公司 高级工程师100073 北京

2012-05-15

(责任编辑：诸 红)