关于通信同步网体系架构的探讨

于佳亮



关于通信同步网体系架构的探讨

于佳亮

（中移铁通有限公司，北京 100033）

针对我国通信同步网的现状，分析未来通信对于时间/频率同步的技术要求,对比既有国内外有关技术标准，研究探讨新型同步网的体系架构、时间溯源、信号传送及同步网元等，并提出具体的发展规划建议。

通信同步网；时间；频率

0 引言

通信同步网是通信大系统中重要的基础支撑网，它为通信网内的所有数字设备提供同步定时，是保证网络高性能可靠运行的关键要素。目前，通信同步网分为频率同步和时间同步两大类，随着通信技术和新业务的不断发展，如5G、量子通信、协同定位等对通信网时间同步性能提出了更高的要求，现有的国内通信技术标准和网络同步性能需要对此提供有效支撑。因此，需要研究更高性能的时间同步技术，需要研究新型同步网的架构体系、性能指标、传送技术和检测技术等。

1 中国通信行业同步网的现状

目前，我国基础电信运营商都分别制定了同步网技术标准（企标），现有的网络体系架构不一，各具特点，主要采用频率、时间同步网分别建设，相对独立运行的方式。

在通信行业，传统频率同步技术标准大部分是十几年前发布的（其中有的已经修订），而同步以太和时间同步技术标准是近几年才发布的。由于频率同步网技术相对成熟，以下主要针对时间同步网进行分析讨论。

我国通信行业标准《高精度时间同步技术要求》YD/T2375—2011规范了高精度时间同步网等级结构最多为三级[1]，如图1所示。

图1 《高精度时间同步技术要求》规范的时间同步网等级结构

三级时间同步节点及网络架构是结合我国目前传送网的实际情况（分为省际骨干传送网层、省内骨干传送网层和本地传送网层）而规定的。该标准还规定：一级时间同步设备应由两个铯钟和两个卫星授时接收机等组成，可通过专用的比对手段，溯源到国内更高等级的时间守时基准；二级时间同步设备由两个铷钟和两个卫星授时接收机组成，应支持通过地面手段将时间溯源至一级时间同步设备，支持地面频率信号守时功能，并应能可靠地溯源到我国的频率同步网；三级时间同步设备由两个高稳晶振和至少一个卫星授时接收机组成，应支持通过地面手段将时间溯源至二级时间同步设备或一级时间同步设备，支持地面频率信号守时功能，并应能可靠地溯源到我国的频率同步网。

尽管通信行业标准已有上述规定，但是因技术、条件和认识等原因，各相关企业并没有完全按照该标准执行，如时间溯源、铯钟配置、链路组织、频率守时等，导致规定的网络结构难以实现，有的企标还明确规定在本地构建时间同步网并通过全国性的频率同步网守时；有的运营商尽管执行该行业标准，但是同步网实际运行也存在一定的问题，如时间地面链路缺失、过多依赖于卫星授时、检测手段薄弱、性能指标不高、高低等级时间同步网并存等。特别是由于我国时间同步标准早于国际电联标准组织 ITU—T相关标准发布，标准本身也有待于改进完善。对此，中国通信标准化协会做出了很大努力，稳步推进有关标准的制定和修订，且在国际上影响越来越大。

2 国际时间同步技术发展趋势

美国电气和电子工程师协会（IEEE）在2008年发布网络时间同步协议1588v2规范，能够在广域范围实现微秒量级的时间同步。目前IEEE正在研究1588v3技术规范，以期能够实现更高准确度的时间同步，预计在明年可完成标准草案。此外，ITU—T G.827x的系列标准大部分已经发布并获得应用。ITU—T J.211规范了DTI技术，可实现微秒量级的时间同步，用于局内分配使用。

对于基于分组网络的时间同步网体系架构，ITU/T G.8271明确了两种方式[2]，见图2。两种方式的差别在于时间链路末端C点的具体位置（T-TSC是否集成在应用端）。

图2 ITU/T G.8271规范的时间同步体系架构[2]

对于此种应用环境（侧重于本地层面），对比国内相关标准，在时间同步网体系架构方面的主要差别在于ITU标准没有界定我国传统的时钟等级，但是明确定义了A，B，C，D 四个参考点，并基于各参考点做出性能指标规范。如果不计末端应用段（C~D）链路，从同步网的范畴来看，这种时间同步网架构更加简洁且扁平化。主参考时间源（PRTC）和时间主钟（T-GM）的组合相当于时间服务器，从B点开始到C点是由多个边界时钟（T-BC）承载于分组网络，C点可直接向应用端传送时间信号。

ITU/T G.8261规范了频率同步的业务流的网络模型和时钟漂动累积[3]，如图3所示。

图3 G.8261建议的业务流的网络模型和时钟漂动累积[3]

3 关于时间同步网体系架构的讨论

通过以上对比，可以看出我国现行行业标准规范的时间同步网体系架构与国际相关标准的主要差异。对此，我们需要在以下几个方面进行深入研究。

3.1 时间信号地面传送和卫星授时的关系

鉴于我国通信行业现行时间同步标准中明确：各级时间节点都配卫星接收机，且直接接受卫星授时，导致地面时间传送显得“可有可无”。而且行业标准中提到：“一级时间节点与二级时间节点间的地面传送技术待研究”，如此表述等同于允许一、二级时间节点暂时不需要地面互联。因此，目前主要电信运营商的时间同步网基本上是在本地网层面上组网，即时间同步网还是分散的（没有做到全国统一在地面成网）。即使是在本地层面，如4G（TD-LTE）的室外基站同步，由于BBU已经内置了卫星接收模块，基本是通过GNSS直接授时，现实情况是LTE室外基站对于地面时间同步并不依赖。尽管有的电信运营商大规模建设了时间同步网（1588v2），但是它对于目前的无线接入网同步而言，实际上还是处于辅助和备选的地位（可用于室内基站同步）。各本地网甚至业务终端直接接收卫星授时是比较普遍的现状（或可称为常态），这似乎既增加了建设和维护成本，也不便于维护管理，更为关键的问题是系统的安全性可靠性较低，一旦卫星信号失效，将导致通信系统受到不利影响。因此，需要改变过度依赖卫星单向授时的现状。

3.2 是否需要分级规划和设计

我国通信时间同步网按照三个等级的原则设置，而ITU—T在分组网络中规范了扁平化的同步网体系架构。特别是在规定的时间等级与频率质量等级对应关系方面，我国通信行标要求与国外主张存在一定差别，ITU—T考虑到我国的实际需求，在G.8275.1标准中增加了附件IV，给出与我国要求基本一致的时钟质量等级对应列表。

结合实际运用的情况来分析，按照目前国内时间同步网等级的规定，所谓的三个等级的时间同步节点，在卫星信号可用的情况下，已经没有实际意义。理由有3点：一是三个等级时间节点输出时间性能指标相同，即相对于UTC偏差均为±150 ns；二是目前常态下三级时间节点之间并没有直接的信号传送关系；三是这种分等级的意义只是在卫星授时信号不可用时才体现出来，而在常态情况下，并不需要区分时间同步网的等级。因此，即使划分了三个等级，在通常情况下，实际意义并不大，特别是一级时间节点要求配置铯钟等，更显得不必要。因为常态下不需要，特殊情况下（卫星信号不可用时）完全可以通过频率同步网获取守时信号，如果是时间频率合一的同步体系就更容易实现守时。

类似情况，在我国的频率同步标准体系中也有体现。通信行业现行标准中规定了一、二、三级时钟等级，而ITU—T规范的是PRC，LPR，SSU—T，SSU—R和SEC等，两套规定或名称同时运用，出现很多不便，特别是我们的制造企业、设计单位和运营商越来越多的走向世界，需要与国际主流标准统一。因此，尽管已经实际运用多年，三级时钟的规定是否继续保留下去是值得商榷的。

3.3 时间同步网与频率同步网的关系

我国现行标准明确规定：时间同步网与频率同步网原则上在定时链路组织、选源机制等方面逻辑上应该相互独立，时间同步网内承载设备的频率同步规划应遵循频率同步网的组网原则。在卫星授时接收机失效的情况下，时间同步网内二级和三级时间同步设备的时间同步信号应来自上级时间同步设备，当来自上级时间同步设备的时间同步信号不可用时，时间同步设备应能利用源自频率同步网的频率同步信号进行守时。

这种组网方式考虑得比较全面，但是相对比较复杂，实际落实的情况并不好，如有的企业就没有执行通信行标的该体制。笔者认为：既然时间和频率是紧密联系的，且时间信号中包含了频率的成分，就没有必要在物理网络层面将两者人为割裂开来。主流设备厂家已经可以提供高性能的时间/频率综合一体化的设备，应该统一规划并设计新型同步网运用体系，同时满足整个通信同步网的需求。

从发展历程来看，通信行业的频率同步网建设运用在前，时间同步网出现在后，而且时间同步需求在近十年变化较大，导致目前这种局面是有客观原因的。但是，希望在我国“十三五”规划期间，统一的时频同步网应该有所突破，尤其是在技术标准方面应该做出相应修订，建议大力推行时间和频率同步网的物理合一、逻辑分设，乃至完全融合。

3.4 同步区域划分

我国地域相对较广，受现有技术限制，通信同步网难以用一个全同步区覆盖全国（实际也无必要）。因此，统一基准的分布式同步网体系架构可能是相对合适的，核心难点是如何经济有效地实现统一时频基准和同步区域划到多大合适。

对于同步区基本单元是继续以行政省（目前中国的实际情况）划分，还是以地级市（或更小区域）为单元来规划，需要深入研究论证，笔者建议明确在地级市（本地网）层面布设EPRTC，组织统一的通信同步网，基本要点是统一溯源（如溯源到中国科学院国家授时中心）、分布式混合同步（同步区之间准同步、同步区内主从同步、时间频率一体化、性能指标可验证、可校准）。构建高性能的分布式体系，能大大提高整个通信同步体系的可靠性和可用性，还可以节省大量的建设及维护费用。

中国联通采用频率同步网覆盖全国，时间同步网仅在本地组网运用，频率同步网为时间同步网提供守时支持，并在企标中明确：PRTC+GM可以是独立设备，也可以与LPR/RRU合并为一个混合设备，在逻辑层面区分频率和时间应用，是一行之有效的方式，其他企业也有类似实际应用。

3.5 基准时间溯源

由于现有的通信基准时间同步性能指标主要是相对于UTC而规定的，且根据目前的时间准确度的要求，基准时间溯源方式通常是采用GNSS卫星单向授时，同步网时间源头准确度可达数十纳秒级别。如果要求进一步提高授时准确度，需要采用卫星共视方式（优于5ns）或精密单点定位、卫星双向（1ns）、光纤授时等方式溯源。为了实现时间基准的统一，通过卫星共视方式溯源到国家授时中心（或者是行业的授时中心），不仅可以实现高准确度的时间信号获取，而且可以实时在线监测时间偏差性能，便于集中维护管理同步网，应该成为今后重点推广的方式之一。

我国正在规划建设时空基准平台（类似美国的PNT）和地基授时系统等，它们建成后也可以为电信运营商同步授时提供新的选择途径。如果能跨行业共享国家时频基础资源、有利于简化网络层次，节省建设和维护费用，提升系统安全性。将来要从通信系统外的国家授时中心溯源，还可以就近引入北斗地基增强系统等，直接部署到地级市（甚至用户端），这是对于国家和企业都有利的方案。

4 时间同步网元设备

时间同步网是由基准时间源、同步网元设备和相应的传送链路等构成，其中网元设备是关键的节点。

4.1 卫星共视系统

ITU—T/G.8271明确要求：采用卫星共视方式进行远程时频比对和高准确度测试[2]，也提出时间基准可溯源到国家级时频实验室。我国标准规定：一级时间同步设备可通过专用的比对手段，采用共模共视法（CMCV，common mode common view method）进行异地同步溯源（如溯源至国家授时中心的国家时频标准系统）。卫星共视作为时钟比对和异地溯源的重要技术，已有成熟产品用于远程时频比对或授时，但是在我国通信领域应用极少，缺少具体的运用标准和性能评估标准，需要大力推动此项技术的应用，改变目前检测手段薄弱的现状。

4.2 原子钟

我国通信行业标准规定一级时间同步设备应由两个铯钟和两个卫星授时接收机等组成。目前通信用铯钟基本是采用美国Microsemi 5071A，近几年OSA的铯钟等进入国内市场，国产商品铯钟和氢钟也已有运用，既提高了钟源的性能，也使用户增加了选择性。国家正在规划建设时空基准平台，结合引入国家授时中心资源，如果能共享公共时频基础设施，不仅能提高整个同步体系的可靠性和可用性，且可以节省昂贵的铯钟等建设及维护费用。因此，现实和今后应该重点考虑新的规划思路，摒弃自成体系的传统规划理念。

超高精度同步源头技术需要加强研究，比如采用本地多源进行加权同步技术，高准确度时间频率信号地面传送方式、提高网络运用指标要求（30ns乃至亚纳秒级）等，对于现有的同步设备提出更高的要求，原子钟需要更高性能的，国外厂家已经研制出可以运用的成套装置。此外，铷钟和高稳晶振技术性能均在稳步提升，加之从钟增强技术、DTI技术等，可以支持通信同步网性能指标的进一步提高。

4.3 时间同步设备

同步时钟综合分配系统（BITS，building integrated timing system），目前主要是华为、大唐、迅腾等公司产品在国内通信网内运用，瑞士OSA的BITS也将进入中国市场。时间同步设备生产厂家相对较多，目前国内通信行业较多采用华为、大唐、烟台持久等公司的产品。目前时频同步设备的主要问题是缺少可信任的同步性能实时在线监测手段和方法，该问题成为突出的薄弱环节[4]，需要尽快解决。

ITU—TG.8273.2标准中对时间误差进行了严格的要求，适应移动网络两个相邻基站之间不超过 500ns的时间误差。ITU—TG.8273.2为两类同步设备制定了具体的标准，包括A类设备最大时间误差为50ns；B类设备最大时间误差为20ns。由于符合G.8273.2标准的部件已经面市，一些设备制造商已经开始供应能够支持G.8273.2的设备，并努力研制单节点时延小于5ns的设备，将更有利于同步网性能的提升。有关同步网技术性能方面的具体内容请参见参考文献[5]。

5 结论

本文针对通信高性能时间同步的关键技术，对比了国内外相关标准的差别，针对满足5G等通信发展要求，探讨了同步组网方案、基准源、同步传送、性能监测技术等并提出相应建议，概括起来，需要进一步研究的问题如下：

①高精度同步组网方案，包括同步组网模型，时间/频率网统一等；

②端到端同步指标分配模型等，时间偏差值确定等；

③满足要求的高准确度同步设备，超高精度时间同步分配技术；

④高准确度时间同步传送技术研究，涉及CMCV，1588v3技术，光纤传送技术等；

⑤高准确度时间同步性能监测技术。

以上的部分内容受篇幅限制，将另文介绍。抛砖引玉，期望得到批评指正。

[1] YD/T2375─2011, 中国通信行业标准《高精度时间同步技术要求》[S].

[2] ITU/T─G.8271, 分组交换网络中的时间与相位同步总体要求[S].

[3] ITU/T─G.8261, 以太网时钟同步标准[S].

[4] 于天泽, 于佳亮. 关于同步网性能在线监测技术规范性及有效性的研究[J]. 电信工程技术与标准化, 2016, 29(229): 48-53.

[5] 于佳亮. 关于通信时间同步网技术性能标准的探讨[J]. 电信工程技术与标准化, 2016, 29(7): 31-35.

Discussion on the communication synchronization network architecture

YU jia-liang

(China Mobile Tietong, Beijing 100033, China)

According to the current situation of China,s telecommunication synchronization network, the future communication technical requirement for time and frequency synchronization is analyzed. Comparing the relevant existing technical standards both at home and abroad, the new synchronization network’s architecture, time traceability, signal transmission and synchronization NE are studied and discussed, and practical development proposals are presented in this paper.

communications synchronization network; time; frequency

TN929.5

A

1674-0637(2017)03-0193-06

10.13875/j.issn.1674-0637.2017-03-0193-06

2017-01-18

于佳亮，男，高级工程师，主要从事通信网络规划和时频同步技术研究。