家庭基站时间同步需求导航卫星授时和PTP1588

涂 涛，杨德朝，顾 胜，范 伟

（1.上海奇微通讯技术有限公司，上海 201206； 2.北京航天飞行控制中心，北京 100094；3.北京震旦天际科技发展有限公司，北京 100094）

1 引言

随着3G与4G移动网络快速壮大，拉开了3G与4G移动互联网时代序幕，向世人展示了高速率、应用丰富的多元数据世界。在广大用户享受3G业务时，越来越多的人更倾向于能在室内使用3G与4G网络。为追求更精确的有效覆盖和更高的高速率，运营商往往通过增加基站密度、缩小蜂窝半径、减少基站发射功率等方式来实现。这又导致在高层建筑、公共场所等封闭区域和市郊边缘区域会产生相当多的微小的覆盖盲点或热点，制约用户正常使用移动业务。在这些区域，为了在不增建新基站、不增加电子辐射（功率）的情况下，进一步提高有限频率资源的使用效率，扩充网络容量和吸纳新业务用量，移动通信产业界提出了一项行之有效的解决方案——Femtocell，即家庭基站。家庭基站方案是通过整合移动无线和固定有线两种技术优势进行嫁接，即借助固定有线网络宽带，延伸无线宽带信号，高效解决上述微小区域的覆盖和业务应用等难题。家庭基站自问世以来引起了产业界特别是运营商的关注，该技术的出现弥补了现存3G与4G移动网络中存在的不足，充分满足了用户个性化、差异化的业务应用需求，使3G与4G网络布局更趋向于精细化，促进了网络的整体布局发展。

2 家庭基站

Femtocell被称为“毫微微小区”（也称飞-蜂窝），是一种小型的、低功率蜂窝基站，主要应用于家庭及办公室等室内场所，因此也被称为家庭基站（home base station）。它的作用是作为移动通信蜂窝网在室内覆盖的补充，为用户提供话音及数据服务。它的外形通常和Wi-Fi的AP类似，既可以单独使用，也可以集成在家庭网关中作为家庭网络的一部分。

Femtocell概念最早是由英国Ubiquisys公司提出来的，起源于应对3G初期覆盖的不足以及后来的Wi-Fi技术的挑战。在3G发展初期，网络建设的重点主要是室外覆盖，用户在室内的通信需求往往难以很好的满足，用有线技术连接室内和室外，解决室内通信需求。尤其是近年来Wi-Fi技术的迅速发展以及Wi-Fi/蜂窝网双模手机的不断增多，使3G网络的话音及数据业务都有被分流的危险。在这种情况下，Femtocell概念一经推出，就受到移动运营商的青睐。利用这种新技术及终端，移动运营商可以进入原来被固定网络和Wi-Fi网络所控制的家庭及办公场所市场。

Femtocell具有以下特点和优势：

⊙ 低成本。Femtocell结构简单，与传统基站相比，价格低廉，用户可以自己购买。

⊙ 用户自行安装（DIY）。支持即插即用，用户可以自行安装Femtocell终端，只需要运营商进行激活。

⊙ 宽带接入。Femtocell是基于IP协议的，采用扁平化的基站架构，可以通过现有的DSL，cable或光纤等宽带手段接入移动运营商的网络。

⊙ 低功率。Femtocell的发射功率为10mW～100mW，与Wi-Fi接入点类似。

⊙ 基于蜂窝移动网络标准。Femtocell可以基于任何移动蜂窝通信技术，包括现有的3G标准及即将成熟的UMB，LTE技术。

⊙ 使用单模终端。与UMA技术不同，Femtocell不需要双模终端支持，单模终端即可。

⊙ 支持多种标准化协议。Femtocell独立于网络连接方式，可以支持连接运营商核心网的多种接口（如UMA和SIP/IMS协议等），连接工作方式示意见图1。

图1 家庭基站工作方式

由于Femtocell使用IP协议，所以通过用户已有的ADSL，LAN等宽带电路连接，远端由专用网关实现从IP网到移动网的连接。它的体积大小与ADSL调制解调器相似，具有安装方便、自动配置、自动开关、即插即用等特点。Femtocell能适用于CDMA，GSM，UMTS等各种标准和支持2G，2.5G和3G的产品，与运营商的其他移动基站的制式、频段兼容。因此，用户的手机等移动终端可以通用。它有1个载波，发射功率为10mW～100mW（与Wi-Fi的AP差不多），覆盖半径为50m～200m，支持4～6个活动用户，允许的最大用户运动速度为10km/h。

2012年中国移动在苏州等3个省市进行家庭基站布网试点；2013年试点的省市扩大到10多个。中国电信、中国联通也在国内有关省市进行家庭基站的布网试点工作，家庭基站在国内正进入一个快速的发展通道。

3 家庭基站的时钟同步

TD-SCDMA，cdma 2000，TD-LTE等通信系统，为了避免相邻小区间的相互干扰以及提高小区边缘用户的链路容量和通信质量，要求相邻基站间的相位同步，误差要求在3μs以内。因此，任何基站两两之间需要在时间上严格同步。家庭基站系统作为TD-SCDMA，CDMA，TD-LTE系统的有效补充，家庭基站之间也需要在时间上严格同步。

家庭基站系统可以采用以下几种方式实现高精度时钟同步。

3.1 侦听宏基站的时钟信号实现时钟同步

基于宏基站侦听的时钟同步解决方案已在WCDMA制式的家庭基站中被广泛应用，即通过在家庭基站中嵌入“自动搜索信号频点的功能模块”，实现对周边宏基站的下行广播信号的侦听，从中分析并提取出相应的时钟同步信号，进而实现家庭基站与宏基站网络之间的时间同步。但是，若家庭基站周围没有宏基站或侦听到的宏基站信号较弱，则各个家庭基站间就难以实现时钟同步。

3.2 接收导航卫星的授时信号实现时钟同步

家庭基站可以通过接收北斗、GPS卫星发播的授时信号来实现家庭基站间的时间同步。利用北斗/GPS卫星信号可以使两两用户之间的时间同步误差为200纳秒，完全可以满足家庭基站对时间同步的精度需求，并且覆盖范围广，采用广播方式同时实现单向定时的用户不受数量限制。随着我国导航卫星用户终端（包括芯片、模块、天线）的标准化、产业化发展，性价比不断提升，可以大大推进家庭基站布站连网。但是，由于家庭基站处于室内，不易直接获得北斗、GPS卫星授时信号，因此，各个家庭基站间采用卫星时间同步的技术实现难度较大，且部分用户点上的设备安装成本比较高。

3.3 通过PTP-1588V2协议实现时钟同步

作为导航卫星（无线方式）进行高精度时间同步的有效补充手段，就是采用有线方式的PTP-1588精密时间协议（Precision Time Protocol）网络同步技术。PTP-1588也称之为IEEE 1588（网络测控系统精确时钟同步协议）。

随着工业现场控制的规模越来越大，自动化程度越来越高，对监控和控制的同步性和实时性提出了越来越高的要求。美国的一些研究机构和商业组织开始研究设备之间，尤其是测量和控制设备之间的时钟同步技术，并发起成立了一个特别委员会，2001年6月18日，这个委员会正式向美国电气与电子工程师协会（IEEE）提交一份研究方案，并通过该组织一年多时间的核准和论证，于2002年12月得到批复，并正式形成IEEE 1588标准。PTP-1588为消除或削弱分布式网络测控系统各个测控设备的时钟误差和测控数据在网络中的传输延迟提供了有效途径，它允许通信网络中的多个节点通过时钟报文的传播，从而达到与连在同一个网络中的主时钟参考达到同步。按照规范去策划和设计的网络测控系统，其同步精度可以达到微秒级、亚微秒级的范围，从而可以有效地解决分布式网络系统的实时性问题。主要用于测量和控制系统的IEEE 1588，后来受到自动化领域尤其是分布式运动控制领域的关注，而且其军事应用的初始计划也已经起步，远程通信和电力系统等相关组织也对其表现出浓厚的兴趣。

PTP-1588协议具有以下特点：

⊙ 它是一个与介质无关的协议，可实现有线、无线、以太网、IP网、光网络的节点时钟同步。

⊙ 它是基于以太网和TCP/IP协议的网络技术，不需要大的改动就可以运行在高精度的网络控制系统中。目前已开展的大量工作是将IEEE 1588整合到一些基于以太网的自动化协议中。

⊙ 它能达到亚微秒的时钟同步精度，比NTP协议同步精确1 000倍，与用北斗、GPS导航卫星实现的同步精度相当；使得在分配控制工作时无需再进行专门的同步通信，从而达到了通信时间模式与应用程序执行时间模式分开的效果。

⊙ 它是基于简单的时钟交换协议，运算量小，占用最少的网络/链路带宽资源，成本相对较低，适于在低端设备中完成。

⊙ 它支持点对点、点对多点、多点对多点等授时拓扑，既适合传统的集中式网络也可运用于分布式网络。

⊙ 它提供更多功能（如P2P模式的支持）新协议版本，IEEE-1588v2于2008年正式成为国际标准。

⊙ 它具有良好的开放性和互操作性。

⊙ 它与针对分布广泛且各自独立的时间同步协议（如NTP，GPS）不同，PTP-1588是针对相对本地化、网络化的系统而设计的。它要求子网较好、内部组件相对稳定，故其特别适合于工业自动化和测量环境。对于实现广域范围内的测量和控制同步，不能单纯依赖PTP-1588，还需借助北斗、GPS卫星时间同步手段，走有线与无线互补、天地一体化的时间同步之路。

4 PTP-1588时间同步原理

PTP-1588系统包括多个节点，每个节点代表一个PTP-1588时钟，时钟之间通过网络相连，并由网络中最精确的时钟以基于报文（Messagebased）传输的方式同步所有其他时钟，这是PTP-1588的核心思想。按照工作原理可将PTP-1588的时钟分为两类：普通时钟（Ordinary Clock）和边界时钟（Boundary Clock）。普通时钟只有一个PTP端口，边界时钟包含一个或者多个PTP端口。每个PTP端口主要有三种工作状态：主状态（PTP_MASTER）、从状态（PTP_SLAVE）和被动状态（PTP_PASSIVE）。PTP端口处于主状态或从状态的时钟，分别称为主时钟（MASTER CLOCK）和从时钟（SLAVE CLOCK）。一个简单的PTP系统包括一个主时钟和多个从时钟，主时钟负责同步系统中所有从时钟。如果PTP端口处于被动状态，则意味着对应的时钟不参与PTP时间同步。

PTP-1588采用分层的主从式（Master-Slave）模式进行时间同步，主要定义了四种多点传送的时钟报文类型：同步报文Sync、跟随报文Follow_Up、延迟请求报文Delay_Req和延迟请求响应报文Delay_Resp。典型的PTP主从时钟之间的时间同步模型，见图2。图2中展示了一个从时钟基于PTP-1588v2通过网络锁定高精度主时钟的原理。这个时钟同步网络包括一个支持PTP-1588v2协议的高精度主时钟，一个或多个精度较低的从时钟，以及连接这两个时钟以太网或IP网络。主时钟与从时钟按PTP-1588v2规定的流程进行频繁的消息交换。为了让从时钟测量出相对主时钟的时间漂移，主从时钟之间信息交互的流程如下：

图2 基于IEEE1588v2标准的精确时钟同步原理图

⊙ 主时钟发送一个Sync消息到从时钟，并通过一个高精度的时间戳记录下了这个消息的发送时刻t1。

⊙ 从时钟收到Sync消息之后，纪录下接收时间戳t2。

⊙ 主时钟接着将时间戳t1放在一个“Follow_Up消息”中，并传送给从时钟。

⊙ 从时钟接收“Follow_Up消息”。

⊙ 从时钟发送一个“Delay_Req消息”到主时钟，并利用一个高精度时间戳记录下发送时间t3。

⊙ 主时钟接收“Delay_Req消息”并记下接收时间t4。

⊙ 主时钟将时间戳t4放在一个“Delay_Resp消息”中再传送给从时钟。

主时钟为每一个从时钟的消息交互分配一个会话。以上消息交互过程，在主从时钟之间进行周期性的重复，帮助从时钟维护对主时钟的时间同步，并不断地更新，试图提高同步精度。

在上述消息交互之后，从时钟将得到t1，t2，t3，t4四个相关的时间戳。这些时间戳将被用来计算主从时钟间的“平均消息传输时间”以及从时钟相对于主时钟的“时间偏离”。从时间戳t1，t2，t3，t4计算出主从时钟间的“平均消息传输时间”以及“时间偏离”的过程如下：

式中，Clock_Offset代表从时钟相对于主时钟的时间偏离；T_MS代表主时钟往从时钟的传输路径时延；T_SM代表从时钟往主时钟的传输路径时延。

如果主从时钟间上下行传输路径时延对称，即T_MS=T_SM，那么，主从时钟间的“时间偏离”可估算为：

上行或下行“传输路径时延”按下式估算：

如果主从时钟间上下行传输路径时延是非对称的，按上述方法估算的主从时钟的时间偏离以及传输路径时延将会存在误差。可以假设，在原本对称、相等的上下行传输路径时延，还分别存在“时延修正变量”，标记为e_ms，e_sm（通常为正数）。式（1）和式（2）可改写为：

主从时钟的“时间偏离”可估算为：

上或下行传输路径时延按下式进行估算：

由（7）式可以看出，影响PTP-1588v2时钟同步精度的主要因素并不是上行或下行传输时延的误差（或修正变量）的绝对值，而是上下行传输时延误差间的相对值。或者说，在一个传输时延变化很大的环境里，只要保持消息传输在一定时段内，上下行传输时延的变化对称，仍然可以使PTP-1588v2时钟同步达到一个很高的精度。

从时钟可以根据估算得到的本地时钟相对于主时钟的时间偏离，对本地时钟进行校正，从而达到与主时钟时间同步。为了使从时钟的时间同步达到很高的精度，从时钟的PTP-1588v2同步算法必须对上下行的传输时延差别、变化、抖动以及其他因素可能引入的误差，进行动态的可调算法进行补偿。

5 家庭基站中PTP-1588时间同步的商用效果

为配合国内通信设备供应商、生产厂家开发了基于PTP-1588V2时间同步方式的家庭基站，我们为其研制提供的PTP-1588主从时钟，能在经过8跳（8个交换机——普通的、千兆工业级以太网交换机）链接交换、背景通信流量负载达70%传输的环境下，主从时钟之间的时钟同步（授时）精度仍能保持优于500ns。下面给出相应的测试数据分析。

图3给出了主从时钟经过8个千兆交换机的测试过程中的记录，显示PTP-1588v2的端到端传播时延随时间变化的情况。从图3可看出，报文传播时延整体保持稳定，没有发生时延积累的现象。

图3 授时报文传播时延及抖动纪录

从图4、图5可以看出，经过8个千兆交换机后，有90%的概率保持主从时钟之间的同步精度在500ns以内。

图4 授时报文传播时延柱状图

图5 授时报文传播时延累积概率分布图

图6给出主从时钟经过8个千兆交换机（传输）的测试记录，显示PTP-1588v2的端到端传播时延随时间变化的情况，从图6可看出，报文传播时延整体保持稳定，没有时延积累的现象发生。

图6 400M背景流量的授时报文传播时延柱状图

图7 700M背景流量的授时报文传播时延累积概率分布图

从图7可以看出，在经过8个交换机和700M背景流量情况下，90%概率保持同步精度在500ns以内。

上述主要测试结果表明，在过8跳交换机的传播路径下（典型的中小型企业以太网），PTP-1588系统可以达到500ns以内的时间同步精度；在过8跳交换机并添加700M背景流量的传播路径下，PTP-1588V2解决方案仍然可以达到优于500ns的时间同步精度。

在广州联通和广州电信的网络中，PTP-1588V2主时钟被接入广州电信的网络，家庭基站终端接入广州联通的网络中，经过1个月的跨网测试，家庭基站对时精度为0.02μs～0.2μs，完全满足商用要求。

6 结束语

基于宏基站侦听和PTP-1588V2的家庭基站时钟同步解决方案，都可以规避在家庭场景中布设天线、馈线等卫星授时-同步系统带来的施工和建设成本上的挑战。但是，基于宏基站侦听的时钟同步方案，因为存在侦听盲区等问题，对家庭基站的具体布放位置有一定的要求，因此，比较适合需要重用已有传输系统的部署场合。基于PTP-1588V2的时钟同步解决方案，可以有效地规避了上述问题。本文中给出的典型网络结构中关于家庭基站时间同步的大量测试数据，表明PTP-1588V2时钟同步技术在家庭基站的时间同步中，已经达到了商用水平。作为PTP-1588V2同步的主时钟，它们之间的同步，尤其是远距离的，离不开北斗/GPS卫星授时同步。PTP-1588有线网络方式同步，与北斗、GNSS导航卫星授时的无线方式同步相结合，二者互补，珠联璧合，可以大大增强天地一体化时间同步的高精度和同步网结构的鲁棒性。■

[1] 周兴围．TD-SCDMA Femto家庭基站技术．电信技术，2010(5)

[2] 严学强．家庭基站关键技术及标准化进展

[3] 蒋鑫，芮鹤龄，杜艳艳．TD-SCDMA家庭基站时钟同步解决方案的研究．电信科学，2009 25(4)

[4] IEEE IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems.IEEE Std 1588TM-2008.

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