通信同步网的演进以及BDS 改造策略

杨 朝 高凌翔

中通服咨询设计研究院有限公司

0 引言

在现代通信网络中，同步技术是确保通信设备和系统之间正确协同工作的重要组成部分，是实现高速数据传输、低延迟通信以及联网设备之间协同工作的基础。同步网能够提供高精度的时间同步和频率同步，使得设备能够相互协调并按时交付数据，从而实现高效的通信和协同工作。随着5G 网络的逐步完善，对更大带宽、更低延迟、更广连接、更高可靠性的需求也越来越强烈，原本基于GPS 作为主用时钟源的同步网也要与时俱进以适应业务承载。当前我国自行研制的北斗卫星导航系统（BDS）已趋于成熟，为了提升业务安全性，同步网将升级改造为支持BDS 和GPS 的双模授时同步网，需对现网的架构及承载网进行改造[1]。

1 同步网现状

同步网是一种能够提供精确时钟同步和时间参考的网络系统。它的基本目标是确保各个设备在同一时刻具有相同的时间参考，从而实现数据的有效交换和协同工作[2]。同步网技术可以分为时间同步和频率同步两个方面。时间同步是指在网络中各个节点之间保持相同的时间标准，以确保事件发生顺序的一致性。频率同步则是确保节点之间的振荡频率一致，以保证数据传输速率的准确性。这两者紧密关联，互为支撑，是现代通信网络中的基础。

从最早的电路交换网络到如今的IP 网络，同步技术一直在不断演进，以适应不断增长的通信需求。在早期的电路交换网络中，同步问题相对较为简单，因为网络资源在通话时预分配，时钟同步要求相对较低。然而，随着数据通信的兴起，包交换网络成为主流，要求有更高的时间和频率同步精度，数据包的传输不再预先分配资源，而是根据需要进行动态分配，这就要求节点之间的时钟同步达到毫微秒级甚至更高的精度[3]。

1.1 同步网设备分类

同步网可以借助多种方法和技术来实现精确同步，包括物理实体时钟、网络同步协议和时钟算法等。同步网络通常由多个节点组成，包括主时钟、辅助时钟、同步接口和网络连接。主时钟是同步网的核心，负责提供精确的时间参考信号，并进行时钟同步处理。辅助时钟作为补充，可以提供备用的时间参考和时钟同步服务。同步接口则用于连接各个设备和时钟，并传递同步信号。

我国数字同步网由四级结构组成，采用组网灵活、稳定性强的分区式主从同步结构，并用一个基准时钟进行控制。第一级为基准钟(PRC， Primary Reference Clock)，由铯原子钟+BITS 组成，是我国数字网中精度最高的时钟，铯钟频率精度一般优于0.001ppb (10-12)，是其他所有时钟的基准[4]。铯原子钟是一种精密的计时设备，它利用铯原子的共振频率来产生时间标准。这种时钟的精度非常高，可以用来产生精确的时间信号，从而确保数字网络的稳定性和可靠性。

第二级是高精度区域基准时钟LPR（Local Primary Reference)，由卫星系统+内置铷钟的BITS 组成，可达到一级钟的标准(10-11)，在卫星系统故障时，它将降至2 级时钟，铷钟频率精度一般优于10 ppb(10-8)。LPR 一般优先追踪卫星信号，但在卫星信号丢失或信号弱时会自动切换成从PRC 获取时钟信号源。

第三级是有保持功能的高稳定度晶体时钟（BITS，Building Integrated Timing Supply），能够提供纳秒级别的时间精度，由二级时钟或其他BITS 处获取时钟源，一般设置在汇接机房。BITS 可以兼具时间服务器功能，利用卫星系统授时，同时提供时间和频率输出功能，可输出2M、SyncE+PTP、1pps+TOD 等接口，并具有守时功能的设备(依赖内置钟或晶振，或外部钟频率输入)，其频率基准源的精度越高，守时能力越强。

第四级是一般晶体时钟，一般内置于数字设备内部，下挂于三级BITS 时钟，在拓扑中一般不体现。

同步网结构图如图1 所示。

图1 同步网架构图

1.2 现网存在的问题

现有时钟同步网、4G 基站等均以GPS 作为主用时钟源，仅能实现交换网频率同步以及IT 支撑系统的NTP（（Network Time Protocol））时间同步，不支持北斗卫星导航系统，也不能满足亚微秒级别的PTP（Precision Time Protocol）时间同步需求[3]。此外，现有的时钟同步网设备老旧，超过设备使用年限，新业务支持能力差，亟待进行更新。

综上，为保证通信网络在GPS信号失效时仍能正常运转，同时支持PTP 能力，需要将现有同步设备进行更换，以支持GPS 和北斗卫星导航系统双模授时，另外还需对承载同步信号的承载网链路进行升级改造，为移动网、承载网、核心网等提供同步信号源[3]。

2 改造方案

2.1 时钟设备改造

传统同步网架构由PRC+LPR+本地BITS 组成，当时主要考虑铯钟为进口设备，设备造价较高，因此减少了PRC 数量，以LPR 为省级一级钟，LPR 在GPS 失效时会降级为二级钟。但随着铯钟的国产化带来的价格下降，铯钟可下沉至省一级，因此本次时钟改造将原本的三级架构（区域、省、本地），简化为两级架构（省、本地），再依托本地IPRAN/STN 网络将本地钟时间和频率信号传输至末端的4G、5G 基站[5]。最终改造后的拓扑结构如图2 所示。

图2 改造后同步网架构图

本次以省为单位进行改造，更新改造同步网设备，对承载同步信号的承载网链路进行升级改造，统一为移动网、承载网、核心网等提供时间和频率同步信号源。

设备的具体布置如下：

（1）省级层面：部署PRC 铯钟一套，一方面在卫星同步信号失效时以此作为地面频率基准源，另一方面兼做省内NTP 一级时间服务器，为各网络系统提供同步信号[5][6]。

（2）本地层面：部署LPR 或MPR 且成对设置BITS，用于本地PTP 时间服务器，并且给本局站的TDM 网元、WDM/OTN 及SDH 等系统提供频率同步[6][7]。

2.2 承载网同步链路改造

时钟设备布置好后，需要由承载网将时间信号和频率信号传输至末端的4G、5G 基站。当前承载网中STN/IPRAN 网络中的ER、B、A 设备均支持业务流传递SyncE+PTP(1588v2)信息，WDM/OTN 系统中，仅有个别厂家支持频率信号，时间信号均不支持。

基于此种状况，需要分场景针对性改造链路。5G 基站、5G 覆盖区域内的4G 基站以及需支持时间同步的基站对时间同步精度要求较高，需达到±1.5μs，此类型业务现有波分系统不能透传STN/IPRAN 链路，应在综合考虑升级WDM/OTN系统或布放光缆的时效性和经济性，择优选择改造方案，最小程度干扰先行业务。

改造后承载网的组网结构如图3 所示。

图3 承载网同步链路改造组网

BITS 时钟设备采用GE 接口对接城域ER，将时间和频率同步信息接入承载网中，SyncE 和PTP 消息可在同一个GE 接口中随业务流带内传递，B 和A 设备通过BMC 算法优选时间同步主master，通过SyncE 逐跳锁定频率同步信息，该方案须保证每条链路上下行光纤严格对称，部署时必须同缆[8]。

在此架构下，省到市的业务链中，省干波分仅需传递省钟-本地钟的频率同步用于卫星系统失效时，本地钟跟踪省级钟，获取铯钟自振频率，并以此进行授时；市到县的业务链中，ER-B 的时钟源为IPRAN/STN 业务流，市县波分需具备时间+频率能力；县到乡的业务链中，B-A 及A-A，时钟源为IPRAN/STN 业务流，如IPRAN/STN 承载于县乡波分，则县乡OTN 需具备时间+频率能力；IPRAN/STN 基于光缆的业务流方案改造成本远低于县乡波分改造，市区和县乡以改造IPRAN/STN 为主，波分最多不超过20%站点考虑；对于WDM/OTN 承载的STN/IPRAN 链路，则改造为支持SyncE+PTP 业务流能力的链路。

3 改造成效

截至目前，北方某省已按照上述改造方案对省内所有地市进行了同步网改造。绝大部分基站已支持BD 授时，但是由于PTP 协议要求收发信号严格对称，从核心层到接入层基站的收、发的光纤物理长度不一致就会导致同步信号误差，因此少量基站所在的链路仍在改造调测中，采用单纤双向模块替换原有模块。

在改造完成区域进行抽测，在BD 授时的模式下，WDM/OTN 和IPRAN/STN 的时钟输出接口信号偏差相较于世界标准时间偏差小于±1.5μs，且频率同步信号偏差在50 ppb 以内，满足业务要求。同时，基站及IPRAN/STN 侧双模授时主备倒换已纳入基站开通标准配置，后续新开基站也将自动支持GPS/BD 双模授时[8]。

4 结束语

同步网是通信网络的关键基础设施，BDS 的加入可以使同步网更加可靠，更加自主可控，实现卫星信号冗余备份保护，对于我国网络安全是一个极大的增强。尽管改造过程中会遇到如承载网设备协议不支持、收发链路物理长度不一致等诸多问题，但实践证明目前的改造措施是行之有效的，问题的攻克仅是时间问题。相信支持BDS 的同步网定能在精度、安全性、可靠性、可服务性等方面有质的提升，更好地服务未来广阔的市场。