1588v2在电信网应用的标准化进程

1 1588v2规范的介绍

1.1 1588v2的产生背景
    在工业测量和控制等应用领域，目前大量使用基于网络通信和本地计算的分布式系统。为了确保分布式终端如传感器、驱动器和其他器件等能够实现精确的数据采集、运行控制等实时性任务，需要整个系统具有统一的参考时间，并且应该使所有分布式终端的本地时钟与该系统时间保持同步。分布式终端与系统时间的同步需要依靠某种通信协议完成，为了使不同的系统器件和网络设备提供商之间互联，美国电气和电子工程师协会(IEEE)于2000年开始开发针对工业测量和控制应用领域的标准同步协议——精确时间同步协议（简称PTP或1588）。1588满足该领域的特殊需求，即：分布式环境、微秒或亚微秒精度、无需管理、可应用于各种类型的终端器件（高成本或低成本）[1]。

    随着来自其他应用领域同步需求的日益增长，IEEE在2002年发布了1588的第一版本。在此基础上，针对其他应用领域的特点，开发了具有增强特性的版本，并于2008年正式发布，即IEEE 1588TM-2008，简称1588v2。1588v2可以满足包括测量与控制、工业自动化、军事、工业制造、电力系统以及电信系统等众多领域对频率和时间同步的需求。文章主要关注1588v2在电信网络中的应用和标准化的情况。

 
    1588v2规范中的一些特性是基于电信网络环境的需求而开发的，如：增加了边界时钟(BC)和透明时钟(TC)的PTP时钟类型以及适用于不同时钟类型的路径延迟测量机制，从而在大规模组网时能有效减少网络延迟带来的同步精度下降，同时增加了PTP网络的扩展性和组网的灵活性。1588v2还支持单播通信模式以及单播协商机制，从而为1588v2的应用从本地局域网环境向广域网环境的扩展提供了条件。此外1588v2具有很好的PTP时钟协议容错能力，从而保证PTP系统的稳定运行，并且可以通过最佳主时钟算法(BMCA)和PTP自身的管理机制，实现PTP网络的保护和配置。

    国际电信联盟电信标准化局(ITU-T)是制订包括1588v2电信应用规范在内的分组网络同步与定时技术规范的主要国际标准组织，具体工作由Q13/15负责。ITU-T分组网络同步的总体标准框架如图1所示。目前已经成熟的规范主要针对频率同步应用，包括已经正式发布的G.8261/G.8262/G.8264同步以太网系列规范、预发布的G.8260/G.8265/G.8265.1基于分组的频率同步网络及1588v2电信应用系列规范。

1.2 1588v2的应用需求
    以时分复用模式(TDM)为交换核心的城域传送网络，如同步数字体系(SDH)、准同步数字体系(PDH)在承载以语音为主的2G移动业务时，由于网络自身同步的特点，可以很好满足业务的同步需求。同时，移动接入网络(RAN)的终端设备（基站）可以从TDM线路获得参考定时信号，满足空口的同步需求。由于3G移动技术的驱动，城域传送网络的分组化趋势已不可避免，因此解决TDM业务时钟的透明传送和网络参考时钟的传递是传送网分组化过程中需要解决的重要课题。同时，采用时分双工(TDD)模式的3G移动系统需要空口之间保持精确的时间或相位同步。在1588v2问世之前，只有通过安装全球导航卫星系统(GNSS)接收机获取世界协调时间(UTC)来进行同步。分组化设备通过实现PTP功能，并以主从方式保持与系统参考频率或时间（由时间服务器设备提供）的同步，从而避免了大量使用GNSS接收设备带来的诸多问题。

    图2给出了ITU-T定义的频率和时间/相位同步需求等级及典型应用，其中无线系统对时间/相位同步的要求根据不同的部署模式会有所差异。在一般情况下，图2中所示的3~5等级的时间精度需求是选择1588v2的主要目的[2]。

2 1588v2频率同步

2.1 1588v2频率同步的应用场景
    对于频率同步，可靠的方式是采用同步以太网组建频率同步网，为终端设备分配定时。目前主流的分组设备都支持同步以太网组网功能，但是一些较早部署3G应用的移动运营商以及租用其他运营商的网络承载业务的移动运营商，其网络设备不支持同步以太网，或者不能在短期内升级到同步以太网，因此唯一的选择是通过基于分组的频率传送技术为终端设备提供参考定时信号。

    由于早期的分组设备同样不支持PTP功能，即网络的中间结点不能实现BC或TC时钟模式。因此对移动运营商来说，可行的方式是在接入侧部署独立的PTP从时钟设备(PTP Slave)，与核心侧的PTP主时钟设备(PTP Master)进行同步，并通过外部接口向基站输出参考定时，或者部署内置PTP Slave的基站，直接接收PTP Master报文进行频率恢复[3]。具体如图3所示。

2.2 1588v2频率同步的性能要求和影响因素
    如图3所示，在第一种部署方式下，PTP Slave恢复的频率信号通过外同步接口传递给基站，为了满足空口时钟±50 ppb的要求，参考点2处PTP Slave输出的外同步信号的长期频偏要求远低于±50 ppb，一般要求至少低于±16 ppb（ITU-T G.812 Type I时钟的要求）。同时，传统的频分双工(FDD)基站通过E1业务接口提取的时钟作为射频模块的参考时钟，因此参考点2处的时钟频率短期性能应至少满足ITU-T G.823 traffic的限值要求[4]。

    对第二种部署方式，内置的PTP Slave只需要满足基站空口的±50 ppb的频偏要求，不需要满足短期稳定性的限值，因此对PTP Slave实现条件的约束放宽。

    参考点2的物理时钟性能与PTP Slave频率恢复算法和本振晶体的稳定性有直接关系，而频率恢复算法对参考点1处PTP报文的分组延迟变化(PDV)有所响应，从而使PDV的稳定性与输出物理时钟的频率稳定性之间存在某种相关性。运营商在部署1588v2频率同步应用时，面临的主要风险是PDV随机性对频率恢复性能的影响。导致PDV随机性的因素包括网络流量变化、不同分组技术的报文转发延迟特性的差异等。实际应用中，运营商和厂家提出通过对PDV的测量和某种量度指标的确定，给出网络的某种PDV量度的限值指标。如果网络产生的PDV符合该量度的限值指标时，输出的频率性能可以满足要求（如图2中的参考点2）。

    物理定时信号的短期稳定性通常用最大时间间隔误差(MTIE)和时间偏差(TDEV)等指标进行量化，其时域特征分别反映了信号的最大相位误差和相位噪声分量相对于观测时间的变化。对于分组定时信号的PDV，可以采用相似的量度进行描述，但在误差值的抽样上与物理定时信号有所不同：物理定时信号的误差函数一般具有静态期望值和正态分布的特征，可以进行均匀的抽样；而分组信号的误差函数通常具有非静态的期望值和非正态分布的特征（如图4所示）[5]。因此，在使用相似的工具计算PDV量度时，需要对报文延迟的抽样值进行预处理，即在所有接收到的定时报文中根据某种规则选择部分报文进行计算，滤除非稳态PDV的影响，如图5所示[5]。

    根据实际网络延迟特性具体情况的不同，常用的报文的选择方式有以下几种[5]：

    最小值报文选择：即选择某个观测时间间隔内延迟最小的报文。

    百分比报文选择：即选择某个观测时间间隔内具有最小延迟的一部分报文并对延迟做平均值处理。
区段报文选择：即在某个观测时间间隔内，按照报文延迟由小到大的顺序，选择某一段延迟范围内的报文并做平均值处理。

    集群报文选择：在某个观测时间间隔内，选择相对延迟比较集中的一组报文并做平均值或其他平滑处理。延迟参考点的选择可根据不同情况而定，例如可以选择接近底部延迟的点或者其他区域的点，也可以在当前观测时间间隔之外的抽样点中选择。

    百分比报文选择和最小值报文选择的原理是假设某段时间内网络延迟都有一个下限值，称为底部延迟；报文选择的依据是筛选出位于或接近底部延迟的一系列报文；区段报文选择是百分比报文选择的一般情况，当选择接近底部延迟的区段时，即为百分比报文选择，也可以选择接近于最大延迟的区段或其他中间区段等。

    根据报文选择方式的不同，可以应用不同的PDV量度并对网络的PDV稳定性进行量化，进而推断出输出物理时钟是否满足相应的稳定性指标（如MTIE，TDEV）。目前分组时钟领域主要研究的PDV量度包括：minTDEV, percentileTDEV, bandTDEV（简称xTDEV）和最大平均时间间隔误差/最大平均频率误差(MATIE/MAFE)等。其中xTDEV是根据TDEV的定义演变而来，MATIE/MAFE是根据MTIE的定义演变而来，其实质是在计算TDEV和MTIE前对报文延迟的抽样值进行了不同的预处理，同时为了减少计算次数，可以采用固定窗口代替交叠窗口的模式。与TDEV的性质相似，xTDEV给出了对预处理后的报文延迟噪声分量的抑制情况，从而估计物理时钟输出的相位噪声特性；而MATIE/MAFE反映了预处理后的报文延迟变化的最大值和变化频率，适用于估计物理时钟输出的最大相位偏差和频率偏移[6]。由于报文选择方式及PDV量度与频率恢复的具体实现相关，从目前的分析和测试来看，PDV量度与物理时钟的输出性能之间并没有普遍严格的对应关系，而各种PDV量度也不能反映所有网络PDV变化的情况。因此各种PDV量度及相应网络限值模板的定义、PTP Slave对PDV的容限以及PDV量度与物理时钟输出的关系还需进一步讨论，相关内容将在ITU-T G.8261.1和G.8263中进行规范和描述。

2.3 1588v2频率同步在电信网应用的协议规范
    为了满足当前某些移动运营商对1588v2穿越普通分组交换网络，并提供端到端参考时钟传送的迫切需求，ITU-T首先制订了第一个1588v2在电信网应用的规范G.8265和G.8265.1。其中G.8265对一般的基于分组方式的频率同步架构进行描述，G.8265.1对1588v2的应用模式和协议属性进行了具体规范和说明。

    根据G.8265的要求，基于分组方式的频率同步网络应满足以下基本需求[7]：

• 能够实现Master与Slaver之间互通。
• 能够满足广域电信网络可管理的运营要求。
• 能够实现与现有基于SDH频率同步网络和同步以太网网络的互操作。
• 能够实现可配置的固定时钟模式。
• 保护机制必须符合传统的电信运营规则，Slave应能从地域分布不同的Master中选择合适的时钟源。
• Slave的时钟源选择应与现有的物理层时钟选择机制保持一致，即允许基于时钟质量等级(QL)和优先级的选择。
• 允许同步协议使用标准的网络安全机制（如VLAN等）确保同步网络的完整性。

收稿日期：2011-05-21

    满足G.8265.1规范的具有PTP Slave功能的设备也称之为Telecom Slave，而PTP Master等效于Grandmaster(GM)设备。在一个G.8265.1的网络中存在多个处于活动状态的GM。根据1588v2的规则，每个PTP域内只允许有一个活动的GM，且不同域之间的GM不能相互通信。Telecom Slave通过预先配置的GM单播地址请求GM的服务，GM收到请求后应答，建立单播连接，因此防止了某个GM向其他GM扩散PTP消息，实现了PTP域的隔离，如图6所示[8]。

    另外，一个Telecom Slave可以同时与网络中的多个处于活动状态的PTP Master进行通信，即每个Telecom Slave可以属于不同的PTP域。同样，Slave对Master的选择和协议交互是在同一个域内进行，这就需要对Telecom Slave进行PTP域的隔离。具体做法是在Telecom Slave内部允许存在多个PTP实例，每个实例逻辑上相当于一个独立的OC，称之为仅有从时钟状态的普通时钟实例(SOOC)实例，每个SOOC实例通过最佳主时钟算法选择出该域内唯一的GM，并始终处于Slave状态之中，具体的情况如图7所示[8]。

    Telecom Slave根据已配置的GM列表，使能SOOC的单播请求（包括Announce消息和Sync/Delay_Resp消息），GM接受请求后向SOOC发送Announce和Sync/Delay_Resp消息。Announce消息携带了GM的clockClass属性值。G.8265.1使用PTP协议保留的clockClass属性值(80～110)，并通过clockClass映射到相应的QL，标识GM可溯的时钟源质量等级，从而保证时钟路径上QL的传递和物理层同步设备进行基于QL的时钟源选择，实现PTP频率同步网络和物理层频率同步网络的互操作。

    如果SOOC在某约定时间内未收到Announce或Sync/Delay_Resp消息，SOOC则产生分组定时信号失效(PTSF)告警，并触发Slave进行时钟源倒换或进入保持模式。

    除了PTP消息接收超时外，当PTP报文的PDV不能满足Slave的容限要求时也需要产生PTSF告警，从而触发Slave切换到其他GM或进入保持模式，但目前PDV容限的定义和触发倒换的时延等参数还需要进一步研究。
每个GM列表中的GM都预先分配一个优先级，用于人工干预GM的选择。优先级的具体分配原则可以参见ITU-T G.781的规范。

    Slave在当前无PTSF告警的信号中选择QL最佳的GM。如果QL值相同，则选择预置优先级较高的GM，并将被选择的GM的时间戳信息输出到频率恢复单元。

3 1588v2时间同步应用的标准化
    目前ITU-T在1588v2时间同步的电信网应用规范上进展比较缓慢，原因是欧洲主要运营商（法国电信、英国电信、德国电信等）已经部署的3G系统不需要高精度的时间同步，而规模部署长期演进(LTE)尚需时日。相比之下，中国运营商（如中国移动）正处于3G的规模商用阶段，正逐渐部署和扩展3G网络。以时分同步码分多址(TD-SCDMA)和码分多址 2000(CDMA 2000)技术为代表的3G系统需要微秒级的时间同步精度，为了摆脱GPS授时的制约因素并配合中国自主研制的卫星授时系统（北斗）的产业化进程，中国运营商与各厂家联合对1588v2在3G backhaul网络的时间同步方面做了大量验证测试、试验网部署和标准化工作，已经形成了较完善的企业标准并全力推动中国行业标准的制订。基于中国对15882v2时间同步的测试和试运行经验，目前ITU-T初步定义了时间同步网络的性能参考模型，如图8所示[9]。整个时间分配路径由以下几部分组成：

    (1) 基准时间钟(PRTC)，可以是独立设备或者是分组主时钟的一个功能模块，可以从某外部授时系统获取具有标准时标的网络参考时间，例如通过GNSS接收机获取源于UTC的时间，或者依靠本地时钟的稳定运行产生参考时间信号（可以是非标准的时标）[10]。

    (2) 分组主时钟从PRTC获取网络参考时间并产生带有时间戳信息的分组定时信号。分组主时钟与PRTC的时间同步通过物理时间接口（如1PPS+ToD）实现。

    (3) 分组从时钟，根据分组主时钟提供的分组定时信号同步本地时间。

    (4) 终端设备，可以集成Packet Slave的功能，或者从分组从时钟的物理时间接口（如1PPS+ToD）获得时间信息。

    终端设备需要的时间精度和稳定性指标通常用相对于网络参考时间的误差表示，即图8中参考点E与N之间的误差。以各测量参考点为界，可以将整个时间分配路径上的误差进行分配，如参考点A或B与N的误差是由PRTC（如卫星接收机）产生的；C或D与N之间的误差包含了PRTC的误差和网络产生的误差；E与N之间的误差除以上两者外包含了终端设备自身产生的误差。网络产生的误差是影响性能的主要因素，为了获得微秒级的同步精度，需要网络中的所有节点支持具有硬件时戳能力的时间传递功能，如1588v2的BC或TC功能。以TD-SCDMA为例，终端（基站）时间同步的误差要求小于±1.5 us，网络分配的误差不能超过±1 us。

4 结束语
    1588v2作为一种有效的实现频率和时间传送的技术，在电信领域的受到广泛的关注，其标准和产品日趋成熟，运营商已在全球范围内进行了反复的测试及现网试运行，未来商用前景广阔。但在规模部署1588v2的同时，一些关键问题如频率同步性能指标与PDV量度指标的关系、时间同步中延迟非对称性的自动补偿等还需要进一步研究。此外，1588v2在多种传送技术（如OTN, PTN, xPON/xDSL）混合组网情况下的应用、多运营商域情况、1588v2的协议安全性等问题也是需要考虑的。

5 参考文献
[1] IEEE1588-2008. IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[S].2008.
[2] ITU-T G.8261/Y.1361.Timing and Synchronization Aspects in Packet Networks[S].2008.
[3] JOBERT S. Challenges with PTPv2 Slaves Performance Testing and Network PDV Characterization[C]//Proceedings of  the 7th Time & Synchronisation in Telecoms Symposium (ITSF’09), Nov 3-5, 2009, Rome, Italy.2009.
[4] FDD node B CES Wander Requirements for G.8261 Deployment Case 2, Application B[C]// ITU-T Q13/15 Meeting,Apr,2008, Miami,FL,USA. 2008. 
[5] Latest Draft of New Recommendation G.8260 (for consent) [C]// ITU-T SG15 Meeting, May 31-Jun 11,2010 ,Geneva, Switzerland.2010.
[6] xTDEV/MAFE Definitions and Usage for G.8260 Appendix[C]// ITU-T Q13/15 Meeting, Mar 2010, San Jose,CA,USA. 2010.
[7] Architecture and Requirements for Packet Based Frequency Delivery (for consent) [C]// ITU-T SG15 Meeting, May 31-Jun 11,2010 , Geneva, Switzerland.2010.
[8] IEEE1588? Profile for Telecom (frequency delivery without support from network nodes) (for consent) [C]// ITU-T SG15 Meeting, May 31-Jun 11,2010 ,Geneva, Switzerland.2010.
[9] G.pactiming-bis (G.8271) latest draft ITU-T SG15 Meeting, May 31-Jun 11,2010 ,Geneva, Switzerland.2010.
[10] YD-T 2022-2009. 时间同步设备技术要求[S].2009.

[摘要] 文章介绍了1588v2在电信网领域应用的背景、需求和主要标准组织ITU-T的相关工作进展，包括频率同步应用和时间同步应用。通过分析目前1588v2电信应用规范中的热点问题，如影响1588v2频率恢复性能的网络分组延时变化(PDV)指标、1588v2端到端频率传送的应用场景和协议规范，提出1588v2在电信网络部署的可靠性、可管理维护等特点和基本思路，并对未来标准化需要解决的问题进行总结。

[关键词] 精确定时协议；1588v2；网络分组延时变化；全球导航卫星系统

[Abstract] This article introduces the requirements of 1588v2 for application in telecommunication networks and discusses 1588v2 standardization in the ITU-T with reference to frequency and time/phase synchronization. Issues affecting the application of 1588v2 include network Packet Delay Variation (PDV) limits (which impact 1588v2 frequency recovery), and application scenarios and specifications for 1588v2 end to end frequency transmission. This paper also discusses the characteristics and basic thought of 1588v2 in telecommunications deployment. Problems arising during standardization are discussed in conclusion.

[Keywords] precision time protocol;1588v2; PDV; Global Navigation Satellites System