铁路时间同步架构对5G-R的支撑

2021-10-19滕蕾

铁道通信信号 2021年9期

滕蕾

1 同步意义

时间同步是通信系统维护管理的需要，实现了通信系统、业务应用系统、电子信息系统、终端设备、时间显示设备等时间的一致，对于故障溯源定位、网络性能分析、标准时间显示等非常重要。

时间同步也是通信系统组网要求。采取时分双工（TDD）的通信系统（例如TDD 模式的4G、5G移动通信系统），要通过时间分隔来分离接收和发送信道，因此需要收、发端时间同步；采取频分双工（FDD）的4G、5G 移动通信系统，使用多入多出（MIMO）、多点协同（CoMP）、载波聚合（CA）等协同技术时，需要相关节点按照精准一致的时刻协同工作，也需要高精度的时间同步。

铁路运输也与时间有密切关联，铁路运输的安全生产、调度指挥、运营管理等均需要高度统一的时间，时间的不同步、不统一，将给铁路运输生产和安全带来隐患。

例如，CTCS-3级列车运行控制系统目前在构成上以传输网、专用移动通信系统（GSM-R）作为信号传送的主要载体，完成列车与地面之间的实时通信。客运专线每隔2～3 km 设有一个基站，信号无缝覆盖全线，轨道两旁的传输网与接入网为专用移动通信系统提供电路传送。列车在行驶过程中由车载无线通信模块与基站进行通信，实现无线闭塞控制和调度集中控制等功能。

某铁路局集团有限公司三级时间同步设备，由该铁路局二级时间同步设备提供基准时间信号，同时提供时间同步输出信号，为该铁路局专用移动通信系统核心网移动交换中心和多条线路的无线网管服务器提供NTP 时间同步服务，CTC（调度集中）、RBC（无线闭塞中心）等应用业务系统的时间同步信号则由无线网管服务器提供。

当三级时间同步设备发生异常时间跳变时，专用移动通信系统时间随之发生异常跳变，导致CTCS-3级多趟列车与地面设备无线连接超时，无法传递列车运行和控制信息，影响正常行车。这个案例充分体现了业务网对时间同步网的高度依赖，要求时间同步网输出的基准时间信号必须准确、可靠。

2 网络现状

铁路自行建设同步网、传输网、专用移动通信系统GSM-R。其中同步网的外部标准同步源取自卫星（北斗＋GPS）和铯原子钟，并为传输网和GSM-R 系统提供时钟（频率）和时间同步；专用移动通信系统的时钟由传输网传递，时间由传输网、数据通信网承载或缆线直连来传递，3 个子系统以同步信号流为主线组成了相互关联统一的同步体。

铁路同步网包括时钟同步网和时间同步网。时钟同步网，包括6个PRC（全国基准时钟，一级时钟，卫星＋铯钟＋钕钟），31 个LPR（区域基准时钟，二级时钟，卫星＋钕钟），覆盖各省会城市，由传输链路连接，客专另设LPR。时间同步网设置三级时间节点和移动列车时间节点，一级时间节点通过卫星授时系统获取标准时间，再通过骨干传输链路传递至18 个二级时间节点，三级时间节点正常跟踪二级时间节点，移动列车时间节点通过卫星授时系统获取标准时间，并利用内置钟进行守时［1］。

GSM-R 系统包括MSC （移动交换中心）、HLR（归属位置寄存器）、SCP（业务控制点）等核心网设备、BSC（基站控制器）及BTS（基站），基站沿客专线路部署。

传输网汇聚层、接入层（沿客专线路部署基站接入、汇聚），连接MSC、BSC 及BTS 间业务，并为三者之间的业务传输提供时钟同步的码流时钟。

3 同步要求

当前，铁路GSM-R 系统作为车载子系统与地面无线闭塞中心双向信息传输的车地通信系统，对时钟同步的要求十分严格。MSC从就近的BITS设备或SDH 设备获取时钟同步信号；BSC 通过业务码流提取线路时钟再定时信号跟踪MSC，也可从就近的BITS 设备或SDH 设备获取时钟同步信号；BTS通过基站环跟踪BSC。

铁路GSM-R 系统对时间同步也有相应的要求，GSM-R 系统的网管服务器，从就近的时间节点获取时间同步信号，系统内网元和网管服务器时间服务单元间采用NTP（时间同步协议）实现时间同步，精度要求较低。

随着GSM 在运营商的逐步退出，铁路专用移动通信系统在演进方面，出于对安全的考虑，一直未选择3G 或4G 技术，希望在运营商多年实践的基础上，期待技术成熟后试用［2］。2016 年，朔黄铁路选择LTE 方案建成了中国第一条、也是全球第一条4G 铁路网络，支撑铁路重载货运。但是，随着5G 技术的快速发展，朔黄铁路4G 无线网对未来架构部署的参考价值已不大，铁路必须考虑如何从G 网向5G 直接演进。

运营商从3G 开始向IP 化转型，以支持日益丰富暴涨的数据业务，到4G 和5G 电路域带宽承载的语音业务占比已经非常小。在2G 网络向3G和4G 的演进过程中，对同步的要求发生了变化，空口速率和低时延对接，要求更高精准度的同步体系来支撑，由时钟（频率）同步要求升级为时间同步要求。时间同步是在时钟（频率）同步基础之上强调了相位同步［3］，要求的精准度比时钟（频率）同步更高。5G 网络对频率同步的要求与以往其实没有区别，技术也相对成熟。最关键的是时间同步架构，尤其是5G 的协同业务及新业务对时间同步的要求也比4G 时更加严苛。

铁路作为国家综合运输体系的骨干，也在积极研究探索基于5G 的专用移动通信系统（以下简称“5G-R”）的应用需求，总体上可分为行车指挥控制、运营维护、客货运客户服务和工程建造等。其中行车指挥控制、运营维护等应用主要由铁路5G专网承载，其他应用可考虑5G公网承载。5G专网和终端设备必须满足350 km/h 或更高速度条件下的移动终端的正常通信，网络时延要求和同步需求甚至会高于运营商的标准。

5G 基本业务时间同步需求，对于铁路即将采用的FDD 制式5G系统并不涉及，然而为了提升在交叠覆盖区域的业务带宽，必然引入不同类型的协同增强技术，例如多天线（MIMO）、载波聚合（CA）、协作多点传输（CoMP）等技术［4］，这些技术都必须时间同步才能良好应用，并且同步需求低至几百纳秒（ns）甚至几十纳秒（ns）的严苛要求。另外，高精度定位、高速移动业务覆盖、时延精准测量以及物联网、车联网等行业垂直应用，对5G 网络的同步精度也提出更高要求。例如基站定位要求达到米（m）级精度，基站间的空口信号时间偏差优于10 ns［5］。

针对铁路5G 的高精度同步需求，设备也必须满足相应的同步性能指标要求：5G 基站gNB 时钟（频率）同步准确度优于±0.05 ppm，时间准确度优于±1.5 μs；核心网设备、运营与支撑系统等要求支持时间同步，通过NTPv3 或NTPv4 等协议实现同步，时间精度优于±50 ms；SIP core 要求支持时钟同步，频率误差优于±4.6 ppm。

4 同步方案

运营商普遍采用的基站单站卫星授时方式存在覆盖盲点、建设和维护成本高、系统复杂、故障率高等诸多问题，同时存在信号受干扰或攻击等安全隐患，无法满足铁路5G 网络的高精度时间同步要求，采取地面时间同步链路传送高精度时间信号的替代方案已成为必然趋势。

结合铁路时间同步网的建设进展，以及骨干传输技术对1588v2 的高效支持（单纤双向免调测），铁路5G 网络的时间同步架构模型如图1 所示，包含北斗卫星（源）、传送网（载体）、1588v2（PTP协议）三部分。

图1 铁路5G时间同步架构模型

4.1 选源

获取标准时间信号的技术主要是卫星授时，全球有北斗、GPS、Glonass、伽利略4个系统，GPS一直为业界主流授时技术方案，但是伴随着2020年6 月最后一颗北斗二代卫星的发射成功，我国北斗卫星系统已经从十年前的第一代2 颗星发展成当前的55 颗星，可以全天候、全覆盖地支撑全球应用，在国内已经取代GPS，成为定位、导航和授时服务的主用系统。

在上述架构中，同步网BITS 以双模方式同时支持北斗和GPS，获取高精度时钟（频率）和标准时间源，通过滤噪分频等处理，交由钕钟单元守时，再由PTP 时间同步单元对外输出高精度时间源。

鉴于目前的单频接收机单向授时精度只有100 ns级别，虽然技术成熟，但无法解决性能监测问题，精度也无法满足5G 网络的高精度源头设备要求，因此也可考虑采用双频卫星技术提高卫星授时精度，采用卫星共视技术进行性能监测和同步测量［6］。

4.2 传送

国铁集团一级时间同步设备向铁路骨干传输网OTN 设备输出1588v2 标准时间信号，并通过骨干传输网OTN 系统传递至各局集团有限公司所在地。各局集团有限公司二级时间同步设备根据具体的接口需求和应用实际，采取1PPS＋ToD 或 PTP （1588v2）接口获取标准时间信号［7］。

其中，OTN 接收了标准时间源输入后，有ESC（电监控信道）和OSC（光监控信道）2 种传送方式，即ESC 或OSC 传输时钟/时间。其中，OSC 方案以其单纤双向、免调测、不随电路切换导致时间链路距离发生变化等优点成为主流。

承载网骨干层与汇聚层之间、汇聚层与接入层之间建议采用带内接口，采取PTP（1588v2）时间同步接口实现互联［8］。

图1 所示的备用时间源可以是从承载网骨干层的其他环网通过PTP 带内方式获取，或者在网络规模较大时，从二级时间节点设备直接获取标准时间。和传统的时钟同步网络相同，时间同步网在同一组网范围内时间源应有主备，设备还应支持主备同步链路。

4.3 无线基站接收1588v2时间授时

承载网和5G 基站gNB 之间建议采用带内接口，采取PTP （1588v2）时间同步接口实现互联，若采用带外接口，则需要gNB 提供1PPS接口［9］。

铁路时间同步架构的完善不可能是一蹴而就的，可结合设备现状和实际应用场景，选用不同的时间协议和传送方式。对于时间传输协议，伴随技术发展经历了不同阶段的演进，各种时间传输方式见表1。

表1 时间传输方式对比

其中，NTP 是目前为ICT 物理设备提供时间源（ToD 时间，即年月日时分秒）的方式，NTP在经过复杂的IP 网传输后，精度会大幅度下降，但通过双向时间协议校正，可以保证在ms 级别，为设备提供普通时间服务，完全满足时间校准的需求，支撑告警、日志时间、时间显示等准确一致。

1588v2 又称为PTP（精密时间协议），其架构最早于2002 年推出［10］。由于基站要求时间同步，卫星授时存在一定的风险，因此引入1588v2 为4G、5G 提供地面时间同步链路，偏差精度可达到亚微秒级。与NTP 使用目标完全不同，它为设备提供高精度时间服务，用以支撑业务的高精度时间同步需求以及性能监测和同步测量等需求，所以5G 设备可能会同时使用NTP 和1588v2 两种授时机制。