面向光纖專網(wǎng)的精準(zhǔn)授時承載策略研究＊

1 引言

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，通信、電力、交通、氣象、金融、國防、科研等眾多領(lǐng)域都需要高精度的時間同步；精確的時間統(tǒng)一已成為國民經(jīng)濟運行和國防安全的重要保障，精準(zhǔn)授時服務(wù)在各行業(yè)中的作用日益凸顯[1-3]。光纖專網(wǎng)在各行業(yè)中普遍應(yīng)用，既有小范圍的區(qū)域網(wǎng)，又有多節(jié)點的廣域網(wǎng)，通過其承載精準(zhǔn)授時具有天然的技術(shù)和成本優(yōu)勢。研究基于光纖專網(wǎng)的精準(zhǔn)授時承載策略，具有較強的現(xiàn)實意義。

2 發(fā)展?fàn)顩r

2010年，中國移動PTN試點網(wǎng)絡(luò)通過PTP報文進行授時，經(jīng)過30跳的時間同步精度優(yōu)于270 ns[4]。

2012年，烽火通信研究了EPON網(wǎng)絡(luò)的PTP同步技術(shù)，采用SyncE+BC模式組建授時試驗網(wǎng)絡(luò)，時間同步精度優(yōu)于10 ns[5]。

2014年，阿爾卡特-朗訊在實際部署的EPON移動回傳光接入網(wǎng)中，使用PTP協(xié)議實現(xiàn)精準(zhǔn)授時，OLT與ONU之間同步精度優(yōu)于120 ns[6]。

2015年，上海朗訊科技改進了TSS5R型PTN傳輸系統(tǒng)的PTP同步算法，采用方差閾值濾波算法，實現(xiàn)了主從時鐘同步精度優(yōu)于50 ns[7]。國網(wǎng)福建電力有限公司建設(shè)了SDH授時試驗網(wǎng)，采用PTP over E1方式實現(xiàn)一級時鐘至三級時鐘時間同步，同步精度約為200 ns[8]。烽火科技在其分組增強型光傳送網(wǎng)P-OTN產(chǎn)品設(shè)備中，使用帶內(nèi)ESC開銷的RES字節(jié)承載PTP授時協(xié)議，實現(xiàn)了平均58 ns的同步精度[9]。

2017年，國家電網(wǎng)在SDH網(wǎng)絡(luò)中采用PTP over E1的方式開展小規(guī)模授時組網(wǎng)試用，在最長數(shù)百公里傳輸鏈路條件下，同步精度達到百納秒量級[10]。同年，國內(nèi)鐵路系統(tǒng)采用PTP over OSC的授時方式實現(xiàn)了鐵路OTN網(wǎng)絡(luò)北京至廣州站點間的時間同步，24小時內(nèi)同步精度測優(yōu)于 1μs[11]。

2019年，中國聯(lián)通重慶分公司組建了基于PTP協(xié)議的IPRAN+OTN授時試驗網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，端到端鏈路長度600 km，經(jīng)過23跳邊界時鐘傳輸后，時間同步精度在300 ns以內(nèi)[12]。

2020年，中國移動廣東分公司聯(lián)合南方電網(wǎng)，搭建了基于PTP over PTN體制的5G授時外場試驗網(wǎng)絡(luò)，成功實現(xiàn)電網(wǎng)終端用戶節(jié)點間同步精度優(yōu)于300 ns[13]。

綜上，鑒于PTP授時協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、便于組網(wǎng)等特性，PTP over X逐漸成為各行業(yè)光纖專網(wǎng)實現(xiàn)精準(zhǔn)授時的主流技術(shù)。

3 光纖專網(wǎng)授時承載方案

3.1 PTP授時協(xié)議原理

3.1.1 主從同步原理

PTP協(xié)議（Precision Time-Synchronization Protocol）全稱是網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，又稱IEEE1588v2標(biāo)準(zhǔn)。PTP時間同步原理是通過主時鐘（Master Clock）與從時鐘（Slave Clock）之間的分組報文交互，并對報文的發(fā)送和接收時間進行標(biāo)記，即對每條報文“加蓋”時間戳。從時鐘利用時間戳計算出自己與主時鐘的時間差以及網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延時，調(diào)整本地時鐘與主時鐘同步[14]。

PTP協(xié)議的主、從時鐘同步原理如圖1所示，具體步驟如下：

圖1 PTP時間同步原理示意圖

（1）主時鐘在T1時刻主時鐘發(fā)送Sync同步報文，同時準(zhǔn)確標(biāo)記發(fā)送時刻時間戳T1，主時鐘隨后將標(biāo)記的T1信息裝入Follow_Up報文信息，并發(fā)送給從時鐘。

（2）從時鐘接收到Sync同步報文后，準(zhǔn)確標(biāo)記接收時刻時間戳T2。

（3）從時鐘向主時鐘發(fā)送Delay_Req報文，同時準(zhǔn)確標(biāo)記發(fā)送時刻時間戳T3。

（4）主時鐘接收到Delay_Req報文后標(biāo)記時間T4，并將T4信息通過Delay_Resp報文發(fā)給從時鐘。

（5）從時鐘根據(jù)T1、T2、T3、T4計算出時間偏差Toffset和單向傳輸時延Tdelay：

（6）從時鐘校正本地的時鐘偏差，最終完成時間同步[15]。

從上述計算公式可知，要獲得較高的時間同步精度，則需盡量減小雙向不對稱時延TAsym。此外，主從時鐘間的時間偏差Toffset和單向傳輸時延Tdelay測量值在統(tǒng)計學(xué)理論上符合正態(tài)分布，或者近似高斯分布。為進一步提高同步精度，一般運用統(tǒng)計學(xué)方法處理大量測量結(jié)果，以盡量逼近其數(shù)學(xué)期望值。例如對大量傳輸時延Tdelay測量結(jié)果進行均值計算：

當(dāng)DEVdelay小于預(yù)設(shè)的方差閾值DEVthreshold時，才進入下一個調(diào)整階段。

4.1.2 時鐘組網(wǎng)

針對實際網(wǎng)絡(luò)中的多節(jié)點組網(wǎng)應(yīng)用，PTP協(xié)議定義了普通時鐘（Ordinary Clock，OC）、邊界時鐘（Boundary Clock，BC）和透明時鐘（Transparent Clock，TC）三種時鐘模型。各節(jié)點設(shè)備工作于不同的時鐘模式，可有效實現(xiàn)各類拓撲網(wǎng)絡(luò)條件下的時間同步。以分布式樹形網(wǎng)絡(luò)為例，其時鐘模型組網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 PTP時鐘模型組網(wǎng)示意圖

主時鐘作為分布式授時架構(gòu)的根節(jié)點，可以有多個端口工作于主狀態(tài)；從時鐘只有一個端口，并工作于從狀態(tài)。邊界時鐘處于同步網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點，既作為上一級時鐘的從時鐘，又作為下一級時鐘的主時鐘。它具有多個同步端口；僅允許一個端口工作于從狀態(tài)，與上級節(jié)點的主端口通信；其余端口處于主狀態(tài)，與下游節(jié)點的從端口進行通信。透明時鐘在同步網(wǎng)絡(luò)中僅用于轉(zhuǎn)發(fā)PTP報文，并分別對雙向傳輸?shù)膱笪脑谠O(shè)備中的轉(zhuǎn)發(fā)時延進行修正[17]。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的時鐘較多時，還可通過最佳主時鐘算法(BMCA)選擇網(wǎng)絡(luò)中性能最佳的時鐘作為主時鐘，并以此建立網(wǎng)絡(luò)拓撲，生成同步體系。最佳主時鐘的選取是通過Announce幀在網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的傳輸，比較各個節(jié)點上的時鐘屬性（比如是否將時鐘指定為主或者從時鐘），用于標(biāo)識精度的時鐘等級；以及用于標(biāo)識時鐘源類型的時鐘類型（比如銣鐘、銫鐘等）；還有表示時鐘偏移、方差等的時鐘特性、時鐘地址以及時鐘端口號等特征來選擇最佳主時鐘。當(dāng)時鐘特征都一樣時，協(xié)議會將端口號最小的節(jié)點時鐘作為主時鐘。

3.2 授時承載性能比較

3.2.1 廣域授時承載分析

目前，各行業(yè)專網(wǎng)涉及寬帶數(shù)據(jù)廣域傳輸時，其核心/匯聚層基本采用OTN網(wǎng)絡(luò)傳輸體制。OTN網(wǎng)絡(luò)承載高精度授時業(yè)務(wù)，具體實現(xiàn)方式包括PTP over Ethernet、PTP over ESC、PTP over OSC、PTP over λ。上述4種方式的性能比較如表1所示。

表1 OTN網(wǎng)絡(luò)不同授時方式特性比較

PTP over Ethernet方式是將PTP報文作為OTN的GE/10GE客戶信號進行承載，OTN除了進行常規(guī)的映射封裝外，不對其做任何處理。由于PTP報文在以太網(wǎng)業(yè)務(wù)信道封裝映射過程較為復(fù)雜（OPUk、ODUk、OTUk等成幀），時延抖動難以控制，因此，該方式同步精度較差。

PTP over ESC授時方式則是將PTP報文插入OTN的電監(jiān)控通道（ESC）中，通常使用ODUk中的RES備用開銷字節(jié)，由于其電處理時延抖動較好，授時性能適中。PTP over OSC授時方式是將PTP報文插入OTN的光監(jiān)控通道（OSC）字節(jié)中，再逐級傳遞實現(xiàn)授時功能。OSC通道是基于TDM的傳輸方式，有較好的頻率同步基礎(chǔ)，因而PTP over OSC的同步性能較好。

PTP over λ方式采用DWDM波長直接承載授時業(yè)務(wù)，鏈路中光電處理過程極少，信道時延抖動特性最好，因此可獲得最佳的授時精度。但該方式需占用專有DWDM波長資源，代價相對較高。

3.2.2 區(qū)域授時承載分析

各行業(yè)光纖專網(wǎng)接入層傳輸體制較多，包含PTN、SDH及EPON等多種授時網(wǎng)絡(luò)。雖然接入網(wǎng)采用的體制各不相同，但卻連接絕大部分用戶業(yè)務(wù)，因此應(yīng)針對性的分析具體的授時承載策略。

PTN光接入網(wǎng)主要針對分組業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接入及交換，在電信運營商專網(wǎng)中普遍應(yīng)用。PTN本身可很好的兼容PTP協(xié)議，并逐漸形成標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用。通過SyncE+PTP相結(jié)合，設(shè)置PTN設(shè)備的各端口工作于主時鐘、邊界時鐘、從時鐘等模式；即可實現(xiàn)授時業(yè)務(wù)承載，并形成各種拓撲的授時網(wǎng)絡(luò)，單級授時精度約在10～50 ns之間。

SDH光接入網(wǎng)主要針對TDM業(yè)務(wù)接入，在國防和電力通信專網(wǎng)中仍占較大比重。SDH網(wǎng)絡(luò)的授時方式包含PTP over MSOH和PTP over E1兩種。前者是將PTP協(xié)議報文插入復(fù)用段開銷字節(jié)進行傳輸，后者將PTP報文轉(zhuǎn)換為E1低階業(yè)務(wù)幀后，接入SDH網(wǎng)絡(luò)傳輸。MSOH信道具有時延恒定和抖動小等優(yōu)點，并且豐富的開銷字節(jié)還有利于多節(jié)點間的授時組網(wǎng)，PTP over MSOH授時方式通過配置支持PTP協(xié)議的傳輸板卡實現(xiàn)，單級授時精度約在10～100 ns之間。PTP over E1具有信道配置簡單和靈活性高的優(yōu)點，通過外置專用協(xié)議轉(zhuǎn)換器接入SDH網(wǎng)絡(luò)，受限于E1信道時延抖動大的劣勢，單級授時精度約在100 ns～1 μs之間。針對不同接入層用戶的精度需求，上述兩種方式可靈活選擇。

EPON光接入網(wǎng)在電信運營商專網(wǎng)、電力通信專網(wǎng)及廣播電視專網(wǎng)中應(yīng)用較多，同時上述行業(yè)中普遍存在時間同步需求。由于EPON基于以太網(wǎng)的技術(shù)體制，可直接傳輸PTP協(xié)議報文，將授時作為常規(guī)業(yè)務(wù)承載。同時，EPON的單纖雙向傳輸形式，使其不對稱時延較小，網(wǎng)絡(luò)授時精度約為10～100 ns。

3.3 建設(shè)方案

光纖專網(wǎng)精準(zhǔn)授時系統(tǒng)的實現(xiàn)架構(gòu)如圖3所示，在傳輸信道層面，主要提供各類承載PTP協(xié)議的傳輸通道，涵蓋現(xiàn)有光纖專網(wǎng)各類體制中的多種信道。在授時承載層面，通過PTP協(xié)議與拓撲組網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化多節(jié)點授時功能；同時采用多種授時偏差補償及性能優(yōu)化算法，提升和保持網(wǎng)絡(luò)授時精度。在管理控制層面，實現(xiàn)授時系統(tǒng)的配置管理、資源管理、狀態(tài)及告警監(jiān)測、可用性監(jiān)測。在應(yīng)用層面，各行業(yè)領(lǐng)域針對自身的時間同步需求，結(jié)合專網(wǎng)技術(shù)體制特點，合理規(guī)劃覆蓋范圍、組網(wǎng)規(guī)模、承載信道等，構(gòu)建最佳的應(yīng)用模式。

圖3 光纖專網(wǎng)精準(zhǔn)授時技術(shù)實現(xiàn)架構(gòu)

光纖專網(wǎng)精準(zhǔn)授時承載建設(shè)方案如圖4所示。骨干層至少應(yīng)設(shè)置一個高精度時間源（PRTC）作為PTP授時服務(wù)器，該時間源應(yīng)同步溯源于UTC絕對時間，性能指標(biāo)應(yīng)滿足ITU-T G.8272.1標(biāo)準(zhǔn)的要求，同步精度優(yōu)于30 ns。在接入層網(wǎng)絡(luò)中也可設(shè)置一個時間源，一旦上層網(wǎng)絡(luò)同步信息丟失，可切換至本地時間源。

圖4 光纖專網(wǎng)精準(zhǔn)授時承載方案

在骨干及匯聚層，OTN網(wǎng)絡(luò)通常為Mesh網(wǎng)狀架構(gòu)，授時組網(wǎng)架構(gòu)應(yīng)采用樹形網(wǎng)絡(luò)，中間OTN節(jié)點設(shè)備工作于邊界時鐘或透明時鐘模式，末端節(jié)點工作于從時鐘模式。在承載信道選擇方面，應(yīng)綜合考慮行業(yè)用戶廣域同步需求、網(wǎng)絡(luò)資源及實現(xiàn)成本，靈活選擇最合適的授時承載方式。如果同步精度需求在納秒級，必須采用PTP over λ方式；同步精度需求在數(shù)十納秒級，建議選擇PTP over OSC方式；同步精度需求在百納秒級，可選擇PTP over OSC方式；同步精度在微秒級以上的，選擇低成本的PTP over Ethernet方式。

在接入層SDH或PTN典型的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中，采用鏈形授時組網(wǎng)架構(gòu)。與OTN設(shè)備連接的匯聚節(jié)點設(shè)備接收上級網(wǎng)絡(luò)或本地時間源，再通過中間的邊界時鐘相連，實現(xiàn)時間同步逐級傳遞。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)存在多個環(huán)相切時，可通過相切節(jié)點的邊界時鐘，將同步時間傳遞至環(huán)上的其他節(jié)點。在SDH承載信道選擇方面，精度要求高時選用MSOH開銷信道，一般情況下則選用E1信道承載。

在接入層EPON網(wǎng)絡(luò)中，采用星形授時組網(wǎng)架構(gòu)。OLT工作于邊界時鐘模式，接收上一級的PTP報文或時間信息，同時作為EPON網(wǎng)絡(luò)主時鐘，經(jīng)過光網(wǎng)絡(luò)單元ONU邊界時鐘后，將PTP報文傳遞給終端時間用戶。

此外，在建設(shè)光纖專網(wǎng)的精準(zhǔn)授時系統(tǒng)時，還需注意以下幾點：

（1）為減少從時間源服務(wù)器到同步設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)，應(yīng)盡量選擇中心節(jié)點放置時間源設(shè)備；

（2）考慮到時間同步網(wǎng)絡(luò)的后向兼容性，建議在時間源上配置銫鐘，提升保持狀態(tài)時的同步精度。

（3）為避免不對稱時延引入同步偏差，施工期間應(yīng)盡量保持雙向光纖鏈路長度的對稱；當(dāng)往返鏈路難以保持對稱時，應(yīng)通過測量不對稱時延后給予固定補償。

（4）授時承載設(shè)備與時間用戶設(shè)備之間接口應(yīng)首選PTP接口，其次考慮使用1PPS+時間碼接口。

（5）在光纖專網(wǎng)授時性能監(jiān)測方面，應(yīng)同時建設(shè)基于外部探針的絕對監(jiān)測和基于設(shè)備自身功能的相對監(jiān)測兩種方式。

4 應(yīng)用前景

目前，在5G通信、智能電力、智能交通、金融交易、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、航天測控、導(dǎo)航定位、雷達組網(wǎng)、科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域都普遍存在廣域或區(qū)域范圍內(nèi)的時間同步應(yīng)用；但較多系統(tǒng)仍依賴GPS或北斗等衛(wèi)星授時方式。實際應(yīng)用證明，衛(wèi)星授時系統(tǒng)自身并非絕對可靠。例如，2014年4月2日，俄羅斯GLONASS導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)因故障導(dǎo)致服務(wù)中斷十幾個小時；2016年1月26日，GPS的數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致商用L1波段信道上的衛(wèi)星發(fā)送了錯誤數(shù)據(jù)，該故障持續(xù)11小時；2019年7月11日至16日，歐洲伽利略導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)因故障導(dǎo)致服務(wù)中斷長達117小時之久；此外，衛(wèi)星授時信號遭受干擾的報道在國內(nèi)外屢見不鮮，導(dǎo)致各類損失不計其數(shù)[18]。因此，尋求一種有線的地面?zhèn)浞菔跁r手段尤為重要；光纖專網(wǎng)授時自身具有抗干擾、高精度、多路由抗毀、低成本等優(yōu)勢，在大多數(shù)場景下可作為衛(wèi)星授時的備份手段。

光纖專網(wǎng)精準(zhǔn)授時系統(tǒng)與北斗授時系統(tǒng)聯(lián)合，可組建“天地互備”的高精度授時系統(tǒng)，如圖5所示。地面固定站的時間同步用戶同時接收衛(wèi)星授時信號及光纖專網(wǎng)授時信號，實時比較同步性能后擇優(yōu)選用；當(dāng)在用授時信號出現(xiàn)性能劣化時，切換至備份授時信號。該應(yīng)用方式能有效提高各行業(yè)時間同步設(shè)備的可靠性，具有極佳的應(yīng)用前景。

圖5 天地互備的高精度授時應(yīng)用示意圖

5 結(jié)束語

隨著各行業(yè)領(lǐng)域時間同步需求與日俱增，未來精準(zhǔn)授時將成為各行業(yè)光纖專網(wǎng)的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)之一，并逐步演變?yōu)橐环N增值應(yīng)用服務(wù)“TaaS（Timing as a Service）”。針對各行業(yè)應(yīng)用的迫切需求，業(yè)界應(yīng)加強合作、聚焦共識，進一步推進光纖專網(wǎng)精準(zhǔn)授時和天地互備高精度授時系統(tǒng)建設(shè)，滿足其多樣化和高可靠的時間同步應(yīng)用。