于佳亮（中国科学院国家授时中心， 西安 710600）

关于通信时间同步网技术性能标准的探讨

于佳亮
（中国科学院国家授时中心， 西安 710600）

针对通信时间同步网的关键性能指标，对比国内外相关技术标准的差异，并结合通信技术和业务发展对于同步性能的需求，探讨时间同步网端到端同步性能指标分配模型、时间偏差值限定等。

同步网；时间；频率；测试；卫星共视；PTP

1 引言

通信时间同步网是通信网中重要的基础支撑网之一，它为通信网内的有关设备提供同步授时，在移动通信进入LTE时代得到快速发展。随着通信技术和新业务的不断发展，如5G、量子通信、协同定位等对于时间同步性能提出了更高的要求，需要研究更高准确度和稳定度的时间同步技术，如网络架构、性能指标、传送技术和检测技术等。受篇幅限制，本文仅针对满足移动通信（LTE、5G）的时间同步技术性能进行探讨，侧重进行国内外相关技术标准的对比。

2 国内标准对于同步性能的要求及时间偏差分配

我国通信行业标准《高精度时间同步技术要求》YD/T2375-2011（6.2）规定了卫星授时可用情况下时间同步网的性能指标分配，其时间同步网端到端同步指标分配模型如图1所示。

图1 YD/T2375-2011规范的时间偏差分配

基于卫星授时接收机正常情况下时间同步组网模型的端到端时间偏差限值分配要求如下。

（1） 时间源头部分：单级（一级、二级或三级）时间同步设备在正常跟踪卫星授时接收机的情况下，其时间输出性能Δt1应优于±150 ns（相对于UTC）。

（2） 承载网部分：在时间路径中串入的承载设备（例如：PTN设备）总数不宜超过30个，承载网部分分配的时间性能指标Δt2为±1 000 ns。

（3） 末端分配部分：以 3G 基站系统作为典型应用为例，从末端传输设备输出到基站空口之间分配的性能指标Δt3 为±250 ns。

（4） 在正常跟踪1PPS+ToD或PTP接口输入信号的情况下，时间输出接口相对于输入口的时间偏差为±50 ns。

（5） 一级时间同步设备的频率准确度应优于±3E-12，噪声产生、相位不连续性应满足YD/T1479-2006中的相关要求。

3 ITU-T等涉及时间同步性能指标的有关标准

3GPP针对未来移动通信的功能和性能要求，提出无线基站空口时间偏差指标为±500～1 500 ns（相对于UTC）之间的值，具体数值依据无线技术制式分别确定，业内倾向于采用较小值（WiMAX已经确定为±500 ns）。

ITU/T G.8271 规范了分组网络时间同步体系架构（指标分配模型），如图2所示。

ITU/T G.8271.1规范的时间和相位同步，主要涉及时间同步网络要求的系列指标；ITU/T G.8272规定了主参考时钟PRTC的时间误差分量，即一个PRTC的噪声产生包括两个主要的方面：固定时间误差和动态时间误差。ITU-T G.8273.2标准中对时间误差进行了具体要求，针对移动网络不能容忍两个相邻基站之间时间误差超过标准（500～3 000 ns），为两类时间同步设备制定了具体的标准：A类设备最大时间误差为±50 ns（100 ns），B类设备最大时间误差为±20 ns（70 ns）。

对于时间同步网时间偏差预算，基于ITU-T建议的网络体系架构（G.8271.1），规定参考点B、C、D（参见图2）相对于UTC 的|TE|限值分别是100 ns、1 100 ns、1500 ns。例如，在参考点C适用的的网络限制量：最大绝对时间误差MAX |TE|，其中包括所有的噪声分量，即固定时间误差和动态时间误差 ≤±1 100 ns。

图2 ITU/T G.8271规范的时间同步体系架构

4 关于时间同步性能的探讨

4.1 通信新技术和新业务需更高的时间同步性能

未来的5G移动通信系统采用载波聚合、小区协同、波束成型、联合处理、协同调度、联合传输等技术，基站数量相对于4G系统将大量增加、密集部署，同步要求将更高。结合面向通信网、物联网、互联网等多种业务的高速率、低时延需求，可能需要数百纳秒量级的高准确度时间同步，业内倾向于将无线基站空口时间偏差（相对于UTC）由目前±1 500 ns进一步提高。即使在4G阶段，TD-WiMAX已经确定为±500 ns；LTE-Advanced的关键技术CoMP-JP多点协同传输处理中要求相邻基站间的相对时间准确度在±500 ns左右；目前有研究单位主要出于提高无线定位准确度的考虑，提出时间准确度为±200 ns的要求；量子通信技术的时延为ps级，需要准确度极高的时间测量技术，以降低量子通信系统的误码率，提高其成码率，需要极高的时间同步准确度。尽管目前有些较高的要求还没有形成正式的标准，但是业内提升时间同步性能指标的趋势是明显的，有些研究单位和厂家实际已经启动了更高性能的时间同步方法和设备的研发，从国内外此类发明专利申请态势分析，可以获得确切的结论，这必然在同步技术领域带来新的挑战。

4.2 目前的指标看似较宽松，真正实现端到端达标也较难

如果将LTE+，5G端到端时延响应限制在10 ms以下，对于同步网、承载网、业务网均提出更高的要求。实际的无线接入网同步链路及授时方式较为复杂，如卫星授时、空口同步和地面链路授时同时存在，多种授时方式性能指标相差较大，分组网络传送时延较大，导致相邻基站空口时间性能一致性难以控制在较小范围之内。

4.2.1 卫星授时方式

LTE室外无线基站普遍采用卫星授时同步方式，可以获得相对较高的同步准确度（数十纳秒级别）。但是该方式的问题是建设和维护成本较高，故障率也较高，且卫星信号接收受限；卫星天线一般都是露天设置，受自然环境和电磁干扰影响较大，严重时甚至由于可见星少或信噪比超标导致卫星信号不可用；卫星信号馈线长短不一，如果不注意时延补偿会导致固定的时间偏差。

4.2.2 PTP授时方式

采用PTP方式为基站授时，优点是运用稳定性较好，但是地面链路的传送路经不同，时间同步网元数量不一，随机误差、线路不对称性是客观存在的。相对于卫星授时方式，地面传送时间的时间偏差值较大（数百纳秒级别）。目前多数PTP授时主要是为基站卫星授时做备份，或为室内型基站提供授时。

4.2.3 信息分组数据网传送延迟及其影响

在信息分组经数据网传送的情况下，数据在网络上是按块（信息分组、帧）传递，比特率有可能不是恒定值，数据流也不是连续的；信息分组可以统计复用并通过信息分组交换选择路由，受到在中介交换的处理、缓存和再传输而引起延迟。在交换过程中多个信息分组流可能会拥塞在某个缓存器，缓存内容会导致可变的延迟。甚至在某些情况下，信息分组会被丢弃。传输链路的时钟很可能与交换使用的时钟不同步，因为信息分组可能经由不同的路由，从入口到出口的信息分组流可能出现很大的信息分组延迟变化。诸如此类的因素，必须采用时间链路偏差预算限值的方式，控制信息分组网络的以下延迟变化。

（1）随机延迟变化（例如，排队延迟）；

（2）低频延迟变化（例如，日/夜模式）；

（3）系统性延迟变化（例如，基础传送层的存储和转发机制）；

（4）路由改变；

（5）拥塞效应。

4.3 频率同步指标存在认识误区

目前的时间同步网需要频率同步提供守时，且移动基站必然要求提供频率同步。对于移动通信基站的空口下行频率准确性，有关标准规定（主流的各种技术制式）为±50 ppb，但是业内对此或许对此存在一定误解。

4.3.1 基站外时钟输入的频率准确性指标

业内通常认为基站外时钟输入的频率准确度为±50 ppb即可，而 ITUT-G.8275.1明确规定：LTE基站频率同步输入端的技术要求为优于±16 ppb。我国通信行业标准将BSS规定为三级时钟，如此要求，虽然在一般情况下是可用的，但是不能保证满足基站的同步定时要求。

按照现有频率同步标准对于三级时钟的规定，最大允许频偏为±4 600 ppb。显然，基站输入时钟参考准确度可能远远大于±50 ppb。因此，如果采用PTP Slave恢复的频率信号通过外同步接口传递给基站，PTP Slave输出的频率信号准确度至少要优于±16 ppb（参见ITU-T G.8261.1 和G.812 Type I时钟的要求）；如果采用通过E1业务接口提取时钟作为基站时钟模块的参考时钟，时钟频率短期性能应至少满足ITU-T G.823 Traffic的要求。

4.3.2 同步性能指标完整性

如果认为现有标准中对于无线基站的同步性能要求仅规定频率/时间准确度，这是不全面的。从同步跟踪关系来确定时频同步性能，是基本的、必要的，但不够全面和充分。仍以频率同步的指标来分析，除了频率准确度之外，还应考虑到其他技术性能对于同步的影响，注意考查基站时钟性能其他指标的规范，如抖动、漂移、相位瞬变、牵引范围等指标及限定。如果不在外时钟的性能进行严格的规范，势必增大基站时钟单元的设计及处理难度，且难以保证系统的指标及运用质量。如果不严格控制同步性能和质量，必然对于网络服务质量带来影响，如滑码、误码、通信效率下降、切换失败等。

4.3.3 各种无线制式对于同步性能要求不一

ETSI 技术规范TS 145 010 ，TS 125 104（FDD模式）和TS 125 105（TDD 模式）、TS 100 594 ，TS 125 402 和TS 125 431（WCDMA） 等对于不同的无线制式进行具体规范。对于输入信号的同步要求用ITU-T G.823和G.824建议的漂动模板和对PRC （LPR）源的跟踪性能评估。技术规范TS 125 402还增加了在WCDMA TDD模式附加的相位精度：节点之间的相对相位差要求不超过2.5μs；在4G时代，则对于频率/时间/相位同步提出更高更具体的要求。目前常用的无线制式同步性能要求参见表1。

表1 无线接入系统同步性能要求列表

4.4 高精准时间传送技术尚在探讨实验中

YD/T2375-2011规定了基于PTP技术实现高精准时间传送，实现时间同步组网，目标是满足应用末端时间准确度±1 500 ns的要求。但是也同时说明，有关时间同步的噪声等性能指标待研究，对于如何实现这一时间准确度的技术方法，有待于进一步研究。

国内外标准的类似表述，说明时间同步技术本身还在发展变化中，不确定因素是客观存在的。

5 目前中国行标与ITU-T有关性能标准的差异

对比我国通信行业标准《高精度时间同步技术要求》与ITU-T有关标准，在性能指标规定方面主要有6点差异需要注意。

一级时间设备频率准确度±3E-12 的要求，高于ITUG.811规范（±1E-11）。

一级时间节点时间准确度相对于UTC偏差±150 ns的限值，不同于ITU-T规定的B点（PRTC+T-GM）±100 ns之要求。

对于同步网末端应用段输入的时间偏差限值我国规定为±1 000 ns，ITU-T规范该点（C点）限值是±1 100 ns。

对于应用段（如基站）分配的时间偏差我国要求是±250 ns，ITU-T规定（C-D段）是±400 ns。

时间同步链上BC/TC数量的限制，我国规定为最大30个，而ITU-T区别了多种情况，最大是10～20个之间。

时间同步网元输出端相对于输入端的时间偏差我国要求±50 ns，ITU-T至少规定了两类cTE（±20 ns、±50 ns）以及 MAX-TE（100 ns 、70 ns）。

上述对比的一个示例：我国规定时间链上偏差预算是±1 000 ns，允许BC/TC数量最大为30个；而ITUT对应限值为也是±1 000 ns，数量最大9～20个。该例表明，在相同链路预算值条件下，我国允许时钟网元数量却更多，这就意味着具体实施并保证指标的难度会加大。

6 满足端到端时间性能1 500 ns的具体示例

ITU/T G.8271.1和G.8275规定了两种体系结构的时间/相位指标及其分配。建议在目前情况下，可以采用该规范，或考虑修改国内的有关标准。如考虑按照表2所示，安排时间偏差的预算。

表2 按照ITU/T G.8271.1要求的设计方案示例

7 “精度”术语不够规范

现有行业标准中频繁用到“精度”的名词，如频率精度、时间精度等。

所谓的“精度”，尽管人们对此耳熟能详，但是在国家标准体系中是没有明确定义的，即不是规范的术语。对应现有通信标准中“精度”的术语，多数应该是“准确度”或“不确定度”，希望引起标准编写及审核人员的重视，避免类似情况发生。

8 结束语

本文针对高性能时间同步的关键技术性能，对比了国内外相关标准的差别，根据满足移动通信发展的要求，探讨了时间同步网端到端同步指标分配模型、时间偏差值确定，以及对于相关标准的商榷意见等。

［1］ YD/T2375-2011，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.8271.1，分组网络中时间同步网络容限［S］.

［4］ ITU/T-G.8272，主参考定时时钟要求［S］.

［5］ ITU/T-G.8273，分组网络时间/相位同步设备要求［S］.

［6］ ITU/T-G.8275，分组网络时间与相位分配要求［S］.

［7］ 于佳亮，程华，于天泽.无线接入网同步性能测试技术［M］.北京：人民邮电出版社，2012.

Discussion on communication time synchronization network technical performance standardization

YU Jia-liang
（National Time Service Center， Chinese Academy of Sciences， Xi'an 710600， China）

According to the key performance indicators of the communication time synchronization network，contrasting the differences between domestic and foreign technical standards， combined with the synchronization performance requirements for the communications technology and business development， we discuss the end to end synchronization performance index distribution model，time deviation Limited， synchronization performance monitoring technology and methods in time synchronization network.

synchronous network； time； frequency； test； satellites common view； PTP

TN915

A

1008-5599（2016）07-0031-05

2016-06-27