PTP精准时间同步技术及应用前景的探讨

邓烨飞（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

1 概述

时间同步网是铁路通信支撑网络的重要组成部分，是确保网络定时性能质量的关键。选择先进适用的时间同步技术，使得时间同步网更好的为铁路各业务系统提供统一标准的时间同步信号源，具有重要意义。

时间同步技术在不断地推陈出新。早期的时间同步技术需要组建专用网络为各系统提供服务，成本较高。为了能够在应用网络中实现时间同步，NTP （Netw ork Time Protoco1）在1988年提出v1版本，至今发展近20年，2001年提出的NTPv4可以达到200 ms。

为了满足日益增长的高精度时间同步需求，2002年由安捷伦实验室的成员开发形成IEEE 1588 v1版本。IEEE 1588标准的全称为网络测量和控制系统精确时钟同步协议，其中定义了精准时间同步协议（PTP）。随着高精度时间同步的广泛应用，IEEE 1588在2008年推出了v2版本，增加了PTP在通信、计算机网络以及电力系统中的应用。PTP的出现解决了对高等级时间精度的要求，可以利用以太网络实现传输，具有高精度、高效率、低成本的特点。

邓烨飞，女，硕士毕业于北京交通大学，高级工程师。主要研究方向包括铁路时间同步系统、铁路通信电源系统，曾参与京沪高速铁路工程设计项目、铁路时间同步网技术条件的编制等。

2 PTP精确时钟同步协议

PTP（Precision Time Protocol），是一种基于数据包传送的精确同步技术标准，PTP主要采用分层的主从时钟模式以及时间戳机制，对时间进行编码传送。时间同步精度可以达到亚μs级。

PTP同步的基本原理如下：主时钟（M aster clock）与从时钟（Slave clock）之间交互同步报文并记录报文的收发时间，从而得到报文往返的时间差来计算主、从时钟之间的往返总延时。如果网络对称，即两个方向的传输延时相同。主、从时钟之间的时钟偏差便是单向延时（往返总延时的一半）。从时钟按照该偏差来调整本地时间，就可以实现其与主时钟的同步。其同步过程如图1所示。

1）主时钟在t1时刻向从时钟发送Sy n c报文，从时钟在t2时刻收到该报文。

2）主时钟发送Sy n c报文之后，再发送一个携带有t1的跟随信息Follow_Up报文。

3）从时钟在t3时刻向主时钟发送Delay_Req报文，用于发起反向传输延时的计算，主时钟在t4时刻收到该报文。

4）主时钟收到Delay_Req报文之后，回复一个Delay_Resp时延相应报文，打上时间戳t4传给从时钟。

从时钟拥有了t1～t4四个时间戳，由此可计算主、从时钟间的往返总延时：（t2-t1）+（t4-t3）。当网络对称，主、从时钟间的单向延时为：

3 铁路时间同步网

1）铁路时间同步网现状

既有铁路通信时间同步网由客运专线工程建设的二级时间节点组成，二级时间节点包括“GPS +高晶体钟+时间分配单元”。已建成和在建的二级时间节点有北京局、南昌局、上海局、广铁集团等铁路局，可为铁路业务系统及车站三级时间节点设备提供时间同步源。时间同步网铁道部一级时间节点尚未建设。除通信业务系统以外，其他业务系统尚未接引路局的二级时间节点同步源。

铁路已规划了同步网的建设方式，随着规划的逐步实施，铁路时间同步网将能够为铁路各业务系统提供统一标准时间信号，实现各业务系统的时钟与本系统同步。

各业务系统对时间同步的需求可分为以下几个等级。

表1 不同等级的用户传送方式和实现技术

针对不同精度的时间同步需求，在铁路通信网中目前主要应用了以下时间同步技术。

* NTP（Netw ork Tim e Protocol），NTP 技术可以在局域网和广域网中应用，精度通常只能达到毫秒级或秒级。

* IR IG-B（In ter Range Instrum en tation Group）和 DCLS（DC Level Sh ift），IRIG-B 的帧内包括的内容有天、时、分、秒及控制信息等，可以用普通的双绞线在楼内传输，也可在模拟电话网上进行远距离传输。IR IG的精度通常只能达到10微秒量级。DCLS是IRIG码的另一种传输码形，用直流电位来携带码元信息。

* 1PPS (1 Pu lse per Second) 秒脉冲信号，不包含时刻信息，但其上升沿标记了准确的每秒的开始，通常用于本地测试，也可用于局内时间分配，精度达到 100 ns 量级。

2）PTP技术在铁路时间同步网的应用可行性

铁路时间同步网依照规划建设完善后，网络结构如图 2 所示。采用主从同步方式，由三级结构组成，包含一级、二级、三级时间同步节点设备。

一级时间同步设备由铷钟和卫星授时接收机等组成，可通过专用的比对手段，对接收到的时间基准信号进行比对和过滤校正，然后输出时间同步信号；二级时间同步设备由高稳晶体钟和卫星授时接收机组成，支持通过地面手段将时间溯源至一级时间同步设备，支持地面频率信号守时功能；三级时间同步设备配置晶体钟，支持通过地面手段将时间溯源至一级或二级时间同步设备。

随着中国铁路跨线跨区行驶及速度不断提高，铁路时间同步网提供统一基准时间信息的需求也越来越迫切。铁路时间同步网组网的分级结构符合高精度时间同步组网要求，可以基于目前较为成熟的PTP技术，为相关系统提供高精度等级时间信号。时间同步设备与需要高精度等级时间信号的被同步设备之间的地面时间传送采用PTP技术，时间同步设备之间的地面时间传送可采用PTP技术或其他技术。

铁路时间同步网基于PTP协议为铁路各系统提供高精度时间信号时，需注意以下影响精度的关键因素。

* 链路方面——双向固定时延不对称

光纤双向固定传输时延不对称是由于收发双向光纤物理长度的不对称造成。光纤双向固定传输时延不对称是静态误差，影响1588 v2时间同步的绝对精度，无法通过时间恢复算法来滤出。

* 网络方面——规模及保护方式

基于PTP技术的时间同步网的规模，是影响时间同步的一个重要因素。网络规模过大会导致光纤的物理链路过长，引起的收发双向延时不对称变大；另外同步链路的中间节点数过多。时间同步精度由此劣化。

时间同步需要完善的保护，避免单点故障引起的整网瘫痪。通常有路径保护和设备内部的重要时钟单元主备保护等。每种保护方式，在发生保护倒换时，都可能引起时间同步性能的短期劣化。

4 结论

PTP精确时间同步协议为高精度时间同步网提供了可能。传输设备（包括PTN，OTN等）逐步支持PTP协议，也使得PTP时间同步网得到了推广。目前电力行业、中国移动都在对PTP技术进行可行性研究，深圳、南京移动等已在布置多个实验局，浙江移动部署了PTN IEEE 1588 v2方案，并成功将TD-SCDMA业务迁移至该网络。PTP相关技术可以作为铁路时间同步网建设的参考依据，对其进行深入研究具有重要的实用价值和理论意义。

[1] YDT 2375-2011 高精度时间同步技术要求[S].

[2]铁路时间同步网技术条件V1.0[S].

[3]方强．PTP技术分析 [J]．无线电工程，2010，40（2）：61-64.

[4]孙海蓬，王海洋，于!．山东电力PTP时间同步网的建设与展望[J]．电力系统通信，2010（8）：21-25.

[5]华三通信技术有限公司．PTP技术介绍[EB/OL] ．[2013-01-02].

http://www.h3c.com.cn/Products___Technology/Technology/System_Management/Other_technology/Technology_recommend/201008/686476_30003_0.htm.