高精度时间同步网的部署

发布时间:2019-08-22  作者:何力、李琳 中兴通讯  阅读量:

随着5G技术和物联网的发展,时间同步技术精度可能出现分级要求。通信TDD基站之间为了避免上下行转换干扰,需要保证基站时间误差在一定范围内,5G成帧的时间同步精度基本要求在±390ns;而5G NR协同业务要求协同基站做到OFDM符号级别的时间对齐,联合MIMO发送要求时间同步精度为±65ns;另外,室内定位或其它物联网的业务会出现更高精度的分级需求,要求时间同步精度为±10ns。因此基站需要实现超高精度时间同步。

提供基站的定时可以通过GNSS(全球导航卫星系统)授时,也可以通过地面超高精度时间网授时。相比GNSS授时,通过地面超高精度时间网授时具有安全性较高,同步精度高的优势。如果无线基站单纯依赖GNSS授时(比如GPS),一旦GNSS授时(GPS)失效,网络将面临巨大风险。因此,采用GNSS和地面超高精度时间网授时相结合的方式,可有效保障整个网络的同步性能及安全,特别对于GNSS部署困难的场景,基于地面超高精度时间网授时是一种有效的解决方案。

超高精度时间网的部署由频率同步网和时间同步网两部分构成,频率同步网是时间同步网构建的基础。频率同步网和时间同步网呈双层架构,时间同步网基于频率同步网提供的频率信号计算本地时间,在频率/时间参考源的选择机制、同步路径的计算机制以及保护切换机制上,频率同步网和时间同步网彼此之间逻辑上是相对独立的。

时钟网的部署

时钟网一般采用同步以太网技术来部署。同步以太网是一种采用以太网链路码流恢复时钟的技术,在以太网源端接口上使用高精度的时钟发送数据,在接收端恢复并提取这个时钟,并保持高精度的时钟性能。

基于FlexE端口传递时钟的机制与传统的以太网端口基本相似,从以太网物理链路恢复时钟,恢复的时钟质量不受链路业务流量影响,可提供与传统同步以太网络相同的时钟树部署和时钟质量,满足G.8262.1规定的性能指标。

时钟网的部署可以通过人工规划方式建网,也可以通过智能时钟网自动完成。

通过人工规划网络实现时钟同步

人工规划网络方案与传统同步网部署方案相同,使用标准SSM或扩展SSM建立时钟网络,其中扩展SSM可以实现最短路径网络规划。 

在SPN网络上接入了两个外时钟源的情况下,优先启用扩展SSM算法,实现最短路径网络规划,同时有效避免误配置导致时钟成环。

针对FlexE Group端口组网场景,将FlexE Group组整体作为时钟端口进行规划。

通过时钟智能网实现时钟同步

为了简化时钟网的规划,可以使用智能时钟网根据物理拓扑和网元时钟同步属性,自动计算和规划所有网元或者指定区域内网元的主备用时钟同步拓扑,智能时钟网规划完成后可以进行手动调整,避免出现成环的场景。智能时钟网主要有下面两种策略,复杂组网场景可以在此基础上扩展。

-环优先策略 

当单个环网具有两个及两个以上时钟源注入时,选择其中一个时钟源为主用,一个时钟源为备用。从该环网的主用时钟源注入节点开始,将环网其中一个链路方向作为环上设备的主用源方向。从该环网的备用时钟源注入节点开始,沿环网另外一个链路方向作为环上设备的备用源方向。对于环主用时钟源注入节点不在该环上配置主用源,只配置备用源。对于环备用时钟源注入节点不在该环上配置备用源,只配置主用源。 

采用环网优先策略,单个环网分别具有单个时钟源和多个注入源情况时,时钟规划预期结果示意如图1、图2、图3所示。


-最短跳数优先策略 

该策略支持以距离时钟源跳数最短的路径作为主用路径进行时钟规划,其他路径选为备用。当网络具有多个时钟源时,多时钟源在规划时具有等同地位,不区分主用备用。采用最短跳数优先策略规划时需避免出现定时环。 

时间网的部署

承载网络在完成时钟同步网后,可以在时钟同步网上开通时间同步功能。为了应对5G新型业务的需求,超高精度同步要求时间同步在小于等于20跳的环境下,长期时间偏差应小于±200ns。其中,时间源和基站各分配±50ns,承载网络±100ns。以承载网20跳设备来计算,这意味着新一代高精度同步承载设备,单跳精度为±5ns,而现网的承载设备精度为每跳±30ns。

首先,时间源的同步精度必须在±50ns以内,因此,超高精度授时设备需是具备接收北斗/GPS信号和生成高精度时钟信号功能的支持双频或共模共视的时间服务器。2017年12月,中兴通讯联合中科院国家授时中心率先完成基于卫星共视原理超高精度时间源测试,率先实现了±10ns以内授时精度。首次将卫星共视技术从天文导航领域引入到通信行业。

同时,为了实现超高精度同步,还对承载设备引入了增强型的时间同步技术。比如说将时间戳下沉到接近物理层的地方以提升时间戳的精度准度;采用时钟化的相位检测技术,实现使用较低频率的时钟获得较高精度的时间;优化承载设备系统内时间分发误差。这些新技术的引入,提高了承载设备的数据同步精度,误差比传统设备减小了10倍以上。2018年12月,中国移动研究院和中兴通讯成功完成业界首个支撑精准定位应用的“超高精度同步网”演示,结果显示在多级联设备组网同步精度<±500ps时,相比传统同步方案端到端<±1.5μs的同步精度,超高精度时间同步方案将同步精度提升了数千倍。本次演示显示了中兴通讯的时间同步技术在业界处于领先水平。

另外,为适应新一代承载设备FlexE接口时钟时间传递的新特性,和解决新老不同精度的设备混合组网时间源选择的问题,中兴通讯引入了FlexE接口的时间同步和精度加权的BMC算法。

FlexE接口的时间同步

FlexE接口时钟时间传递,以FlexE Group或FlexE端口建立PTP时间端口。

同步报文通过FlexE开销方式承载,FlexE开销帧结构中第6行的完整66B block用于同步报文填写,采用FlexE复帧方式对PTP和SSM报文进行传输。

精度加权BMC算法

SPN之前的PTN,高精度设备每跳精度为30ns。对于SPN的超高精度设备,设备每跳精度为5ns。

中国移动SPN对标准BMC协议进行扩展,通过算法中引入累计设备精度,形成精度加强BMC算法,精度加权算法为新老不同精度的设备混合组网提供了优选方案,可以实现与普通协议设备对接。

算法处理逻辑如下:

若多个端口接收而来的时间源标识不同时:

-先比较报文中的优先级1,收到较小值的则为跟踪端口;若两者相同,则比较时钟精准级别较小值为跟踪端口;

-再比较报文优先级2;同样较小值为跟踪端口;

-以上比较相同情况下,则比较两时间源标识的大小,接收到较小值的为跟踪端口。

若多个端口接收而来的时间源标识相同时:

-比较级联精度,级联精度较小的端口为跟踪端口;

-比较跳数多少,接收报文跳数少的那个端口则为跟踪端口;

-若跳数相同,则比较与本节点相连的PTP高精度时间节点的标识,标识小的PTP节点所对应的本节点的端口为跟踪端口。

在上述策略下,SPN和PTN设备相连时根据级联精度判断路径,而级联精度根据经过的设备和设备精度获得,从而实现不同精度设备混建时最佳的时间路由(见图4)。


时间网络组网

中国移动期望完成全网时钟时间同步,核心和普通汇聚环节点间建议使用GE或10GE单纤双向方式实现时间传递,单纤双向时间通道可以经由专用光纤链路传递。

核心汇聚层部署满足ITUT标准中ePRTC等级的时源,采用铷钟进行保持。

标准时间源的部署在核心汇聚,时间传递路径从核心汇聚逐级传递到普通汇集和接入环。

后续考虑对区域提供更高精度时间服务时,可以通过部署下沉时间源提升局部精度。

监控方法

为了实现PTP时间网的快速开通和故障监控,可以利用现网中已经部署的基站卫星授时系统或增加第三方卫星系统,对时间网进行网络维护。

-基站回传监控

网络中已经开通GPS的基站,承载网和基站联合协作,承载设备连接基站的端口为监测端口,通过监测端口监控承载网时间性能。当基站在GPS处于稳定状态时,自动测量GPS与PTP的静态偏差,并将测量结果放在报文中,回送给承载网设备。

网络建设时现网存在大量基站已经部署了GPS,基站上实现GPS时间和PTP时间之间的比对测量,可以实现现网设备在线自动检测PTP参考源的非对称误差,将测量结果传回给承载网后,后续承载网将通过大数据分析实现自动非对称补偿,从而实现免下站开通PTP,提升开局效率。

-第三方时间源的使用

OTN和SPN/PTN为不同设备商提供产品,OTN和PTN交接处,存在故障无法定界问题,可以使用小型卫星监控源替代仪表来进行同步状态分析。

长距光纤多在核心汇聚和普通汇聚间,且普通汇聚通常连接多个接入环的节点,是较容易出现问题的节点,在此适当部署监控源,利于快速定位,增强网络健壮性。

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