IP RAN中IEEE 1588v2时钟同步技术的研究与探讨

尹远阳，杨广铭，孙嘉琪/Yin Yuanyang，Yang Guangming，Sun Jiaqi

（中国电信股份有限公司广州研究院 广州510630）

1 引言

随着移动承载网络IP化发展和4G 无线通信的商用，各大运营商都在打造属于自己的IP 承载网络。4G 频段的使用，意味着需要更多的基站来完成移动业务的开放，而无线通信业务对时间的精准同步要求较高，因此，各大运营商针对业务需求，明确提出要解决全网时钟同步的问题。在无线IP 承载网络中，为保证通信系统的质量，必须达到精确的网络时钟同步[1]。

LTE-TDD 系统是全网同步系统，要求各基站节点严格保持无线接口同步精度为±3 μs；在以共同参考源为基准的前提下，要求时钟同步精度小于±1.5 μs，频率同步精度偏差小于0.05 ppm。LTE中以共同参考源为基准的eMBMS 要求同步精度小于等于±1 μs，这就要求各基站节点从精准时钟源提取时钟信号来保证无线接口的时钟同步[2,3]。在现有的网络建设中，复杂环境在不增加建设成本的情况下如何实现时钟精准同步，确保网络运营维护简单化，对保证移动通信业务的可靠性显得尤为重要。本文针对地铁、复杂楼宇等不能通过GPS 获取时钟的场景，在IP RAN（Radio Access Network，无线接入网络）中研究和探讨采用IEEE 1588v2 来实现基站时钟同步。

2 IP RAN的架构现状及IEEE 1588时钟协议原理

2.1 IP RAN的架构及GPS时钟问题

IP RAN 基于灵活的IP 通信设计理念，主要运用IP/MPLS 协议完成业务承载，用于满足当前2G/3G/4G 基站业务及政企大客户等综合承载需求，实现无线回传网络IP化、高速化、多点化。IP RAN 物理组网主要分为接入层、汇聚层、核心层及业务层，IP RAN网络架构如图1所示。

目前，各运营商所建的IP RAN 承载网络中，大多是通过在基站附近专门建立一套GPS 设备直接获取GPS时钟来满足网络同步要求。但是随着4G 海量基站的建设，在特定场景下（如地下商场、地铁站、高楼大厦等），采用GPS时钟同步方案存在以下问题。

图1 IP RAN 架构

①GPS 要求天线有良好的对空视界，保证接收机能收到有效的信号，这样增加了GPS 选址的难度；天线和基站之间需要架设馈线，对于复杂的楼宇、地铁站和场馆的架设，施工难度比较大，同时也增加了架设成本[4]。

②基站失步会干扰整个网络的正常运营，并且基站分布范围比较广，因此给网络运营与维护带来了很多问题。

③由于基站没有其他备份的时钟，系统可靠性降低，如防空等军事区域要求实施GPS 干扰，将导致该区域内站点失步，业务无法正常使用[5]。另外，GPS 系统受其他国家限制，一旦发生特殊情况将GPS 关闭，就会造成整个网络瘫痪，导致很大的战略隐患。

研究发现，IEEE 1588v2时钟协议能很好地解决上述各种问题。

2.2 IEEE 1588 标准时钟同步协议原理

2002年，网络精密时钟同步委员会在IEEE 仪器和测量委员会美国标准技术研究所以及IEEE 标准委员会的支持下，起草并通过了IEEE 1588v2时钟同步标准协议，它的主要工作原理是通过一个同步信号周期性地对网络中所有节点的时钟进行校正同步，进而使基于以太网的分布式系统达到精确同步[5]。

2.2.1 时钟分类

IEEE 1588v2 将整个网络内的时钟分为普通时钟（Ordinary Clock，OC）和边界时钟（Boundary Clock，BC），普通时钟只有一个PTP 通信端口，边界时钟则有一个以上PTP 通信端口，每个PTP 端口提供独立的PTP 通信。其中，边界时钟通常用在确定性较差的网络设备（如交换机和路由器）上。

此外，从通信关系上又可把时钟分为主时钟和从时钟，理论上任何时钟都能实现主时钟和从时钟的功能，但一个PTP 通信子网内只能有一个主时钟。整个区域系统中的最优时钟为最高级时钟（Grandmaster Clock，GMC），具有最好的稳定性、精确性、确定性等。根据各节点上时钟的精度和级别以及UTC（通用协调时间）的可追溯性等特性，由最佳主时钟（Best Master Clock）算法来自动选择各子网内的主时钟；在只有一个子网的系统中，主时钟就是GMC。每个系统只有一个GMC 主时钟，从时钟与主时钟保持同步。

典型的主时钟、从时钟关系如图2所示，高级时钟是一个通过GPS 天线获取与GPS 同步的时钟，它是子域的时钟源，通过主从时钟接口构成时钟传递系统。在时钟传递系统中，可以通过本地时钟震荡器的机械因素及相关原理来校正时钟频率，降低漂移，保证整个子域的网络时钟同步。

图2 主时钟、从时钟关系示意

2.2.2 时钟同步协议原理

在主从时钟同步协议中，主从设备间通过收发PTP 报文实现链路时间的记录和分析，从而计算出链路传输时延，再根据计算出的时间差和链路时延补偿方式调整从设备的时钟时间，最终使从时钟能够实现时钟同步。主从时钟同步协议原理如图3所示。

图3 时钟同步协议原理

从图3的同步原理可知，时钟同步主要分为以下4 步。

①主时钟间隔一定时间向从时钟发送Sync 同步报文，在报文发出的同时记录发出的时间t1；当从时钟收到Sync 同步报文时，记录收到报文的时间t2，此时，从时钟知道t2的时间值。

②主时钟发送完Sync 同步报文后，在Follow_Up 报文中会携带发送时间t1的值发往从时钟，于是从时钟可以得到t1和t2的时间值。

③从时钟收到Sync 报文后，向主时钟发送Delay_Req 请求报文，并记录发出报文的时间戳t3，用于计算主从时钟的链路时延。

④主时钟收到Delay_Req 时延请求报文后，将收到报文的时间t4封装到Delay_Resp 报文中转发给从时钟，于是从时钟取出时间t4的值，最终可以知道一个完整交付过程的时间关系。

假设系统的时间链路传输时延为Delay，主从时钟偏差为Offset，则可得

通过式（1）、式（2）可以得到链路传输时延和时钟偏差为

IEEE 1588v2 与GPS、NTP 等其他时钟同步方案对比见表1。

通过方案对比可知，IEEE 1588v2 无论是在锁定时间、综合成本、安全性，还是在可靠性方面都有明显优势，精度更是达到了100 ns，这是其他实现方案无法替代的。IEEE 1588v2 协议是主从时钟通过收发PTP 报文来实现时钟同步的，不仅可以实现亚微秒级的精度，还能把测量与控制系统中独立和分散运行的时钟同步起来，其精度和GPS实现方案类似。由于IEEE 1588v2 具有低成本、易维护、高安全等优势，同时还提供一套精确的时钟频率和绝对时间的同步机制，能很好地替代高成本的GPS 时间同步机制。因此，IEEE 1588v2时钟同步机制在IPRAN中的应用研究，满足全网时钟同步要求，具有重要的现实意义。

表1 IEEE 1588v2 与其他时钟同步方案对比

3 IP RAN 测试中IEEE 1588v2时钟的部署实现

目前，随着IP RAN 技术的成熟和商用，各大运营商都在新建属于自己的IP RAN。在IP RAN中部署IEEE 1588v2时钟的方案能有效解决现网中无GPS 覆盖区域的时钟同步问题，并且不需要通过新建GPS 站址来满足网络时钟同步。

在IP RAN时钟同步测试部署方案中，主要考虑了主备两台BITS（通信楼综合定时供给系统）设备分别挂在两台城域网CE（业务路由器）设备上，CE 设备同步于BITS 设备，然后通过逐跳的方式，将同步时间和时钟信息传递给基站。IEEE 1588v2时钟同步测试总体方案部署如图4所示。

在图4所示的IP RAN时钟系统测试部署中，参考点为CE、汇聚B（即RAN ER 设备）、B 设备和A 设备4 处，分别在此4 处进行时钟信号精度测试，A 设备为末端接入环，下挂基站设备。

4 IP RAN中IEEE 1588v2时钟同步问题及测试结果

4.1 故障点及保护方案

在系统时钟同步测试时会遇到可能存在的各种问题，因此对网络及设备故障问题进行了方案保护措施研究，在部署的网络中主要考虑以下几种故障点情况。

图4 IP RAN 系统测试IEEE 1588v2时钟部署方案

（1）故障点1：主用BITS 故障

当主用BITS 设备出现故障时，主用CE 上的BITS 优先级为0的外部时间源失效，触发BMC（最佳主时钟）算法，此时全网的Grandmaster（系统最终的时间源）变为备用CE 上BITS的外部时间源，全网均跟踪此外部BITS 源。

（2）故障点2：主用CE 设备故障

当主用CE 故障时，系统会触发BMC算法，全网Grandmaster 就会选择优先级次高的备用CE 上的外部时间源，网络时间均跟踪此外部BITS 源。

（3）故障点3：备用CE 设备故障

当备用SR 出现故障时，此时全网优先级最高的主用CE 上的外部时间源对整个系统的时钟没有影响，因此不会触发Grandmaster 变化。

（4）故障点4：中间节点故障

当中间节点B、A 设备出现故障时，系统会自动触发BMC算法，但由于Grandmaster 节点未出现故障，所以全网的时钟仍同步于原主用CE 外部时钟源。

4.2 测试结果

（1）相位、频率及时钟锁定状态测试

通过图4所示的组网图连接设备，由参考点BITS 设备输出时钟测试信号给基站，同时在该点由BITS 设备输入频率故障信号进入网络，通过测试仪表跟踪获取测试信号。从测试仪表的接收信号可追踪基站的相位、频率，时钟同步状态锁定，能满足网络精准时钟同步要求。测试过程中链路分组丢失率为0，能满足基站业务承载性能指标。

（2）时钟保护测试

基于4.1 节中可能出现的故障问题，对IEEE 1588v2 时间保护功能进行了相应测试。在测试过程中，当主用时钟异常后，主时钟可以被从时钟端口正常锁定；当主用时钟频率恢复后，频率可以正常切换，主时钟完成锁定。

（3）测试IPRAN 设备通过IEEE 1588v2 传递GPS时间

该项测试主要验证IP RAN 设备通过IEEE 1588v2 传递GPS 时间后，查看时间是否与基站时间同步，确保通信业务的正常使用。在业务规定范围内，要求传递时钟与基站GPS时钟应小于1 500 ns。

根据测试结果可知，时钟源等各项状态都正常，各基站间时钟精准同步正常，所测的IEEE 1588v2时钟与GPS时钟的相位偏差仅为15 ns，符合业务时钟同步要求。

5 结束语

综上所述并结合网络试点测试，IEEE 1588v2的应用可以满足IP RAN 系统时间同步的需求，减少GPS 天线安装和维护的成本，增强通信系统的可靠性及安全性。在IP RAN中部署IEEE 1588v2时钟还能有效地解决移动回传网络时间同步问题和LTE 基站天线建设时GPS的选择难题，降低移动网络建设成本，并减少网络部署时间，适应LTE 阶段移动网络的高效部署需求。在后续的研究中，运营商将进一步关注设备的支持能力和在不对称传输过程中网络时钟同步方案的部署模式，以保证网络的可靠运营和进一步优化演进。

[1]中国移动高精度时间同步设备测试规范[EB/OL].http://www.docin.com/p-230617924.html，2011.

[2]黄云水，冯玉光.IEEE l588 精密时钟同步分析[J].国外电子测量技术，2005，24(9).

[3]章翠枝.基于Wi-Fi的时钟同步技术研究[D].浙江大学，2012.

[4]华春阳，尹刚.IEEE 1588V2的发展与应用[J].电信技术，2013，27(5).

[5]叶卫东，张润东.IEEE 1588 精密时钟同步协议2.0 版本浅析[J].测控技术，2010，29(2).

[6]KIRS C D，TRSEK H.Reproducible IEEE 1588-performance tests with emulated environmental influences[A].FraunhoferIOSB-INA[C].2010.