电信网同步技术发展与思考
发布时间：2021-07-14
摘要：目前通信网络具有分组化、高速率、低时延特征，特别是5G等业务系统对同步性能和应用安全提出了更高的要求，同时未来网络的确定性特征也需要同步技术更好的支撑。基于电信网的同步技术需要做出适应性的发展，相关内容已成为当前业界关注的焦点。本文分析了时间同步技术和频率同步技术的现状，探讨业务系统对同步网的需求特点，并结合同步需求的特点和趋势对同步技术的发展进行了梳理总结。
关键词：同步网频率同步时间同步分组网络
1.前言
同步技术对于通信系统间的数据传输至关重要，广泛应用于电信运营商的网络中。基于同步技术组建的同步网作为基础支撑网络，是通信网必不可少的组成部分，是面向传输网和各种业务网提供高质量高可靠的定时基准信号、保证网络定时性能质量和通信网同步运行的关键网络。同时,同步技术对基于分组的网络也同样重要，对4G和5G移动网络的高效数据通信也是必须的,是实现电信运营商网络服务的基本技术之一。
作为电信网的基础支撑技术，同步技术的发展演进始终受到通信网技术发展的驱动。同步网一般由同步节点设备以及用于连接节点设备的定时链路构成，长期以来，同步网主要基于TDM网络(包括PDH、SDH、WDM和DWDM等)进行构建，随着通信新业务和新技术(OTN、PTN等)的不断发展，通信网络分组化、业务全IP化已是大势所趋，分组网络同步新技术不断发展且应用范围日益广泛，基于分组网络的同步技术已成为国内外的研究热点，时间同步技术更是当前业界关注的焦点。
2.同步技术现状分析
同步技术包括频率同步技术和时间同步技术两个方面，其中基于TDM(时分复用)的频率同步技术比较成熟不再赘述，下面将就基于分组网络的时间和频率同步技术展开分析。
2.1频率同步技术
2.1.1基于物理层的频率同步
基于物理层频率同步的典型技术如同步以太网(SyncE)，SyncE通过以太网物理层的比特流定时信息传送时钟频率，它要求设备的物理端口能以一种持续不断的方式连续发送信号，这种频率信号的传送方式与基于E1以及SDH(同步数字体系)的频率同步相似，因此SyncE也被认为是TDM同步技术在以太网的延伸。支持SyncE功能的以太网设备时钟(EEC)之间通过发送ESMC(以太网消息信道)慢协议数据帧来通告同步状态消息(SSM)。由于是在物理层进行时钟传送，所以数据业务层面的流量、负荷、误码等情况不会影响时钟传送的质量。SyncE技术和标准相对比较成熟和完善，ITU-T已经发布了G.826x系列标准，从技术要求、EEC时钟功能、定时信息分配等方面进行了详细规范。SyncE技术不仅用于专用的小型局域网中，也广泛应用于PON、IPRAN、PTN、OTN等技术组建的城域网和广域网络中。SyncE通常作为时间同步的备份，如果PTP数据包丢失(由于网络拥塞等原因)且无法同步时，可通过频率同步来进行守时。
SyncE具有实现简单、不受网络负载变化影响、同步质量好等特性，后续向速率更高、性能更优的增强SyncE方向发展，应用模式主要是与PTP技术相结合提供高精度时间和频率同步服务。
2.1.2基于报文的频率同步
基于报文的频率同步是将本地时间信息以时间戳的形式封装入分组包中传送，在接收端通过处理算法从包中恢复时钟，达到同步定时的目的。时钟恢复效果会受到网络延迟、抖动、丢包、错序等原因产生的包时延变化(PDV)影响，PDV噪声抑制是影响定时性能的关键，为了减小网络PDV的影响，接收端设备需要采用包选择算法和滤波处理机制。目的是筛选出在特定时间窗口内时延特性受PDV噪声影响最小的“幸运包”，在时域上形成所谓的稳定“基底”，再辅以kalman滤波、最小值滤波等算法处理，最大程度恢复出主从时钟频差。由于分组网络中的PDV噪声更加复杂和难以模型化，使得基于分组报文恢复定时的性能更具不确定性。ITU-TG.8261规定了17种网络PDV噪声测试模型，用于模拟典型应用场景。基于分组报文的频率同步方式在现网实际应用较少，主要用于中间节点不支持同步以太网功能的网络中。
随着网络PDV噪声抑制、时钟恢复算法的进一步成熟，基于分组报文的频率同步性能会不断提升，可作为SyncE频率同步方式的补充，在现网中的应用也会越来越多。例如中间节点不支持SyncE和PTP功能的纯IP网络环境。
2.2时间同步技术
2.2.1NTP
NTP是应用于互联网中时间同步的标准网络时间协议，其作用是把网络内的计算机时间同步到协调世界时(UTC)。NTP通常采用客户端/服务器主从工作模式，通过数据包交互来实现时间同步。NTP具有完善的算法体系，综合采用时间滤波、时间选择、聚类、时钟调节等算法调整本地系统时间和频率，时间同步稳定性可以保证，是目前应用最广泛的网络时间同步技术之一。传统NTP技术采用软件时间戳，时间戳精度和准确度较低，因此同步精度一般为毫秒级，主要用于对同步精度要求不高的网络设备、应用服务器及计算机终端等提供时间同步服务。
NTP后续向开源、增强方向发展，NTP开源时间同步软件具备协议符合性高、算法稳定、维护便捷等特点，未来会在设备侧和应用终端得到广泛应用。eNTP主要用在服务器端，兼容NTP协议和算法，增加了硬件时间戳功能，增强了安全机制，时间同步精度和处理能力可以得到大幅提升，同步精度达微秒量级。同时，面向云化的大趋势，NTP需探讨新机制、新算法，解决云平台下时间同步的问题，适用范围由物理机向虚拟机环境进行拓展。
2.2.2IEEE1588
IEEE1588是用于网络测量和控制系统的精确时间同步协议(简称PTP)，目前广泛应用的版本是IEEE1588-2008(1588v2)。PTP采用主从时钟同步方式，主从时钟之间通过交互同步、状态和时延测量等报文来实现时间或者频率同步。PTP支持端到端(E2E)和点到点(P2P)时延测量机制、组播和单播通信方式、一步和二步工作模式以及UDP/IP和IEEE802.3等多种报文封装方式，同时支持普通时钟(OC)、边界时钟(BC)和透明时钟(TC)等时钟模型，具备完善的时钟层级和端口状态决策算法(BMC，最佳主时钟算法)，基于各种工作模式的灵活组合可以满足不同网络环境下的组网应用需求。PTP采用硬件时间戳，时间戳的精度和准确度更高，一般可以实现纳秒级甚至更高的同步精度，广泛应用于通信传输网络、移动回传网络、智能电网、高速铁路等系统的高精度时间同步解决方案中。
PTP新版1588v2.1与1588v2相比较，增强了域间隔离功能和协议安全性、引入了WR-PTP(白兔PTP)、增强了性能监控、新增了混合组播/单播工作模式等内容，协议更灵活、精度更高、安全性更强。
2.2.31588ATR
1588ATR(1588AdaptiveTimeRecovery)是基于PTP的自适应时间恢复算法，它是通过在路由器之间以三层单播报文形式建立时钟链路。然后通过PTP报文的交互，实现设备间穿越第三方网络的时间同步。1588ATR是在1588v2的基础上，实现穿越不支持1588v2协议设备的第三方网络的时间同步。解决了原有采用1588v2方式同步时间时，要求全网设备逐跳支持1588v2协议的问题，采用1588ATR可以跨过不支持1588v2协议的设备，进行时间同步。1588ATR是逐跳支持的一种补充，但标准化程度不高。
3.同步需求的特点和趋势
3.1网络同步性能提升
频率同步方面，频率基准设备提出了增强型PRC(ePRC)，其频率准确度由原G.811(1997)规范的±1E11提高为G.811.1(2017)的±1E-12。频率网元设备提出了增强型EEC(eEEC)，主要提升定时设备的稳定性，当频率同步输入信号丢失时，实现更高的保持性能;时间同步方面，根据准确性和可靠性的等级不同，ITU-T制定了多种类型的时间基准设备PRTC。其中PRTC-A相对于UTC的时间偏差为±100ns。PRTC-B相对于UTC的时间偏差为±40ns。增强型时间基准设备(ePRTC)相对于UTC的时间偏差为±30ns，同时保持精度由原来1µs/d提高为100ns/14d。时间同步设备(T-BC/T-TSC)的C类网元的最大时间误差提升为30ns，T-BC/T-TSC的D类网元指标有待进一步研究(有提议为15ns)。同步指标分配示意图见图1。
3.2业务需求驱动同步要求提升
原来通信同步指标主要是为满足通信系统自身要求而规定的最低限值，现在同步性能指标不仅要满足通信网自身的需要，同时也要为通信网承载业务提供有效支持和保证。3GPP将5G时代同步需求界定为基本业务需求、协同业务需求和增强业务需求。5G的同步要求，既有与4G相同的微秒量级基本同步需求，也有5G协同增强提出的百纳秒级同步需求，还有以定位需求为代表新业务的纳秒级同步要求。
5G系统基本时间同步需求是所有时分复用(TDM)制式无线通信系统的共性要求，主要目的是避免上下行时隙干扰，从而需对基站空口时间偏差进行严格限定，5G基本业务同步需求与4G相当，时间偏差要求不大于3μs;5G系统站间协同增强技术主要包括多天线MIMO、多点协调、载波聚合等，为确保协同有效，对协同点之间的时间偏差提出了100ns量级甚至更高的苛刻时间同步要求;在5G网络支撑的多种新业务中，典型的是基站定位服务，一般来说，定位精度与时间同步精度直接相关。例如，要实现米级的定位精度，要求基站间的空口信号同步偏差为±3ns。
3.3同步检测和监测
同步性能指标的提升，不仅对基准设备和时频传送设备提出更高的要求，同时对同步监测和检测技术也带来了新的挑战。以时频检测为例，目前较多采用基于卫星单向授时方式的时频检测仪表，已经难以胜任相对于UTC时间偏差为100ns以下的性能检测。
目前，同步网的性能监测主要有同步设备自监测和仪表巡检两种方式。同步设备自监测能够反应一定的故障，但性能监测评估还不够准确和全面。仪表巡检方式缺乏长期数据的连续性和各网元数据协同分析，对单点维护有一定左右，但无法反映全网的运行态势，同时频率同步监测数据和时间同步监测数据是相互独立的单点数据，缺乏融合的相关性分析。综合分析同步监测和同步检测技术是同步网的发展重点方向之一。
3.4同步网络管理功能增强
ITU-T已经对以太网之类的主信号系统的OAM(操作，管理和维护)进行了标准化，随着时间同步技术重要性的提高，对同步系统设备的稳定维护和操作的需求正在增加，对同步网的网络管理功能增强也是一个重点方向。例如同步设备的质量监控、测量、时频数据融合分析以及告警和时间等。
4.同步技术发展
相对于成熟的频率同步技术，时间同步技术不断推陈出新。新的时间同步与原有频率同步彼此相对独立，频率同步和时间同步技术上的融合统一是发展的必然趋势。下面介绍几种国内外具有代表性的通信同步技术，供大家探讨。
卫星双频技术,卫星单频授时是目前传统的也是使用最广泛的技术，卫星单向授时存在三类误差来源：一类是和卫星有关的误差，包括星历误差、卫星钟差、多普勒频移及相对论效应等;第二类是与信号传播有关的误差，如对流层延迟误差、电离层延迟误差和多路径效应等;第三类是和接收机本身相关的误差，比如接收机测量噪声、用户机设备零值等。受限于上述三类误差，单频接收机单向授时的理论授时精度只能达到约100ns，精度无法满足时频源头设备30ns的高精度要求。卫星双频技术同时接收单个卫星系统的两个频点载波信号(如GPS的L1、L2，或者北斗的B1、B3)，通过一定算法可有效消除电离层对电磁波信号延迟的影响，从而提升卫星授时精度。常见的修正电离层延迟的算法主要包括双频码观测量修正法和双频载波观测量修正法，卫星双频技术的授时精度可以达到约30ns。近年来，我国的北斗卫星导航系统不断完善并加紧部署应用，北斗三代于今年完成组网并投入商用，北斗系统在通信网中的应用规模将进一步扩大，从而有助于摆脱对其他国家卫星导航系统的依赖，提升通信网络安全可靠性。采用基于北斗卫星双频技术将是时频基准设备的主流技术选择。
卫星共视技术，卫星共视法是目前远距离时间比对的主要方法之一，也是国际原子时合作的主要技术手段之一。卫星共视法是在单向授时的基础上，主从两个站分别同时测量本地时钟与卫星导航系统时间的时差，然后两个站交换测量数据，时差相减获取两站本地时间的时差，通过从站时间调整，实现从站溯源至主站。卫星共视法本质上是一种伪距差分技术，对卫星到基准站和用户的单向授时误差进行差分，获得优于卫星单向授时技术的精度。目前业界卫星共视法比对精度达到约5ns，卫星共视技术比较成熟，性能较好，但无法独立部署应用，需主从站配合使用，并配置数据通道进行数据交互。卫星共视技术不适合直接应用于时频基准源头设备，可应用于全网同步性能监测和高精度同步检测等方面。
光纤时频同步技术，光纤时频同步技术结合了高精度、高稳定性和低损耗的优点，应用于专用光纤(不是光传输系统)上，实现几十公里的无中继传输，随着新方法、新技术和新应用的不断涌现，采用级联方式可以实现上千公里的广域时频传输。基于专用光纤的时频同步技术成熟，应用广泛，同步精度可达亚纳秒量级。但存在实施成本高、维护困难等不足，不适合广泛应用于通信网络中，可应用于时频基准源头之间比对溯源或向更高一级的时频中心进行溯源。
增强同步传送技术，1588v2技术是目前最成熟的高精度时间同步传送技术，在3G和4G时代引入到电信领域，现已在国内大量部署。目前支持1588v2功能的网元设备，单节点时间同步精度为±30ns，在远距离多跳传输时，端到端性能难以满足高精度时间同步需求。PTP误差因素主要包括由内部时钟频率引起的时间戳标记误差和上下行链路延迟的不对称性。为提高网元同步精度，可以从两个方面对现有技术进行增强优化，一是提高时间戳性能，提升打戳分辨率，降低采样误差。打戳时的采样误差是影响打戳精度的重要因素，例如，采用125M时钟打戳，误差最大为8ns。因此，需要提升打戳时钟的频率，或者采用其他方法提升打戳分辨率;二是控制上下行链路的延迟不对称性，可以从设备内部延迟和光纤传输延迟两个方面进行优化。关于设备内部延迟，主要手段为尽量靠近物理接口打时间戳，减少设备内部的半静态延时误差和动态延时误差。关于光纤传输延迟，可以考虑单纤双向和光纤参数(如波长色散)对延迟的影响。
WhiteRabbit(WR)同步技术，WR技术于2008年由欧洲核子研究组织(CERN)提出，设计初衷是实现亚纳秒的分布式时钟同步和具有确定性延时的数据传输，用于加速器的同步控制。WR技术综合了同步以太网、精确时间协议(IEEE1588v2)和数字相位测量技术而发展的分布式同步技术，能够实现数公里范围内多节点亚纳秒精度的时钟分发，保证全局同步数据获取及控制过程的实现。针对光纤链路的非对称性问题，WR使用单纤双向技术进行解决，通常采用波分复用(WDM)技术实现全双工通信，主节点发出的光波长为1490mm，从节点发出的光波长为1310mm，根据不同波长的光在光纤中的折射率不同，可以计算并补偿由此引入的延时不对称性。WR技术使用鉴相器精确测量数据恢复时钟与本地时钟的相差并对时间戳进行校正，从而使基于1588v2的同步技术能够实现亚纳秒级同步精度。此外，从节点端的鉴相器与滤波控制电路以及压控振荡器构成了一个锁相环电路，实现从节点时钟的相位锁定和相位调整功能。WR技术实现了一定区域内(十公里)、多节点、亚纳秒精度的高精度同步信号分发。但考虑到应用场景、协议扩展性、硬件支持能力、稳定性、成本等多方面因素，WR技术如何应用于通信网络还需作进一步研究。
5.结束语
总体来看，不管是国内还是国外，频率同步技术相对成熟，有效支撑了频率同步网的规划和建设。时间同步技术还在不断发展和完善，发展趋势是高精度、高可靠性、时间频率同步的融合统一。随着5G等业务系统对同步性能和应用安全提出了更高的要求，同时未来网络的确定性特征也需要同步技术更好的支撑，基于电信网的同步技术需要做出适应性的发展，相关内容已成为当前业界关注的焦点。鉴于我国在高精度时间同步方面的研究已走在国际前列，后续应在同步新技术方面积极开展研究，更好地支持通信技术和通信业务的发展。——论文作者：黄震宇1曾勇2楚鹰军2
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