5G同步网时间源下沉部署技术研究

2022-08-11陈乐贤陈朝辉

光通信研究 2022年3期

陈乐贤，陈朝辉

(1.中国电信股份有限公司上海分公司，上海 200000； 2.烽火通信科技股份有限公司，武汉 430070)

0 引言

高精度同步，与更大带宽、超低时延同为第五代移动通信技术(the 5th Generation Mobile Communication Technology,5G)时代承载网的3大性能指标。同步网作为5G承载网络的关键构成，是必不可少的基础支撑网络[1]。除了支撑5G基本业务同步需求，满足协同业务高精度同步需求，还需要为语音核心网、光传送网(Optical Transport Network,OTN)以及支撑系统等提供同步支撑。在延时测量、业务时延控制、业务监控和基站定位等方面也出现了更多新的应用需求。

同步地面组网较传统的卫星授时方式，具备平均成本低、相对精度高、场景适应广和安全可靠等特点。国际和国内多个标准化和行业均组织开展了针对5G同步解决方案的研究。国内运营商正在结合自身的网络构架、业务需求、兼容性、安全性和成本等方面综合考虑，开展各自的5G同步技术体系和部署方案研究。

时间基准源下沉部署是面向5G同步应用的技术方案，5G推进组和中国通信标准化协会(China Communications Standards Association，CCSA)先后启动了相关研究课题。笔者深度参与了以上课题的研究活动。本文基于前期的研究成果，对时间源下沉式组网技术中尚缺失的关键技术，如：按需实施方案、同步域规划、保护策略以及同步管控等技术方案提出了自己的见解，进行了创新和完善。并结合电信同步网规划和现网的应用，对后续同步网可能的演进方向进行了分析探讨，提出时间源统一纳入承载网统一管控等建议，为后续同步技术应用和标准化提供参考。

1 时间源集中式与下沉式组网方案

基于同步以太网(Synchronization Ethernet,SyncE)的高精度时间协议(Precision Time Protocol,PTP)构架是目前5G高精度时间同步最主流的方案。较相对成熟的物理层频率网，基于PTP的时间同步网，随着时间同步精度需求的提升，在部署和运维上的难度也越来越高，技术上也还存在着许多待研究的领域。由于长链组网的时间误差难以控制，暂时无法采用类似频率同步网方式组建全国性的时间同步网。当前业界采用的是区域化组网方案，将时间同步网限定在城域网范围进行规划。5G高精度同步网演化出两种典型组网方案：时间源集中式组网和时间源下沉式组网。两种组网方案各有特点和优劣，其中时间源下沉式组网方案带来了新的部署思路和演进方向，值得重点研究。

5G高精度时间同步通用组网模型如图1所示。完整的时间同步链路包含了3个组成部分[2-3]。同步网首部是时间基准源，即基准主时间设备(Primary Reference Time Clock,PRTC)或增强型基准主时间设备(enhanced Primary Reference Time Clock,ePRTC)，并结合祖时钟(Grandmaster Clock,GM)。采用全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)授时或超高精度地基时间信号授时，获取时间基准信号，以PTP形式输出给下游同步节点；中间为5G承载网同步链路，由多个边界时钟(Boundary Clock,BC)或透传时钟(Transparent Clock,TC)组成的同步链，采用高精度同步传输技术实现高精度同步承载；末端则是同步应用，利用时钟(Slave)恢复时间信息，完成应用功能。目前典型应用如5G基站。

时间源接入5G承载网的位置不同，会带来不同的部署方案，典型方案有：时间源集中式组网方案和时间源下沉式组网方案。

图1 5G高精度时间同步通用组网模型

时间源集中式组网示例如图2所示。时间源部署在城域核心层接入端，设置互为主备的两个时间源设备。整个城域内的5G基站设备通过地面时间同步网溯源至上游的时间源。集中式同步组网需要城域承载网的各类设备，全部节点都支持高精度时间同步传送功能。

时间源下沉式组网方案如图3所示。其特点是将下沉时间源设备(subPRTC)部署于汇聚层、接入层或前传，使其尽量靠近末端应用(如5G基站)。通过减少同步链路跳数，可以降低同步链路误差，使得末端应用能够获得更高精度的同步信息。同时由于同步链路的缩短，降低了工程部署的难度，以及对承载设备同步精度的要求。时间源部署位置的下沉，无需上层承载设备支持高精度时间同步功能，这样可以实现同步网的局部快速部署。相对于末端卫星授时方案，源下沉方案具备更低部署成本，且在同步保护策略上可以更为完善。并具备与时间源集中式部署方案结合，向更高精度、易监测和高可靠的组网演进能力。

图2 5G高精度同步网时间源集中式组网示例

图3 5G高精度同步网时间源下沉式组网示例

2 按需部署的时间源下沉式组网

相对于时间源集中式组网部署体现的是同步整体规划思路，时间源下沉式部署则体现了按需部署，具备快速和灵活的特点。按需体现于两个方面：同步功能的按需和同步精度按需。

同步功能的按需是指对末端应用有同步需求的区域进行部署，无需进行全网同步部署。优点是无需承载网全面具备同步功能，仅需部署同步的局部节点具备即可实施。在同步初始部署时，可以实现低成本投入的快速部署。

同步精度的按需是根据末端应用的同步精度要求，规划合适的同步链路长度，并匹配适当精度的时间源，即可以满足区域的应用需求。尤其在超高精度的应用场景，能够以较低成本快速解决局部超高精度的应用需求。当以集中式方案部署的同步网，整体规划的同步精度不能满足末端新的应用需求时，叠加下沉时间源的按需部署是很好的解决方案。

集中式的部署方案，需要对同步链路的每一个环节都进行统一的考虑，才能满足规划的同步精度。同步链路跨越承载网的核心层、汇聚层和接入层网络，设备种类多，接口类型复杂，光纤链路长。任何一个环节的问题都会对最终的同步精度造成影响，因而除了所有节点的同步功能支持，还需要对网络规模、链路跳数、节点同步精度和线路不对称性进行约束。适合于网络完全部署时的统一规划方案。

相对而言，下沉时间源的按需部署，时间源靠近末端应用，同步链路短，也降低了对中间承载节点的精度要求和工程施工要求，可以实现快速局部部署。每一个下沉部署的时间服务器都会成为一个区域的时间源头，可以根据应用需求进行同步覆盖。灵活性在网络建设初期，混合组网场景下，快速提供同步服务中体现，且能够适应超大规模复杂组网。但组网的灵活性也带来了同步域划分、同步保护和管控等技术实现的难度，将在下文中进行分析。

3 时间源下沉部署同步域规划

下沉时间源满足的是局部同步应用，会作为局部同步的源头。当两个同步域相邻时，有以下两种规划思路。

思路一是基于最优主时钟算法(Best Master Clock Algorithm,BMCA)决策划分同步域。将所有下沉时间源、链路同步节点以及末端Slave规划在同一个时钟域(Domain)，且时间源配置相同的优先级。这样每一个时间源的作用范围将与相邻的时间源通过BMCA进行决策。可以按不同场景进行分析。

单一精度等级的时间源和承载节点部署场景,可用采用G.8275.1的BMCA方案[4]决策同步域。时间源与同步节点的链路相对跳数是决策的主要参数。IEEE1588采用的BMCA，由于决策思路是跟踪单一时间源，无法满足这个场景的应用；不同精度等级的时间源和承载节点混合部署场景，需要采用链路精度扩展信息增强的BMCA[5]进行同步域的决策。通过Announce报文扩展格式携带链路精度信息，并以链路精度替代跳数(StepsRemoved)进行决策。但这个方案的标准化工作并未完成。对于现有BMCA，还可以采用跳数限值的方法，对下沉时间源的同步范围进行约束，实现同步分域。这个方案需要注意可能存在同步盲点。

由于BMCA决策自动运行，实施较为便捷。缺点是时间源的同步域具有不确定性。

思路二是基于Domain规划同步域。下沉时间源的作用范围需要提前进行规划，并通过Domain进行区分。下沉时间源、域作用域内的同步节点以及末端Slave，规划在同一个Domain。区域范围以末端应用的同步精度要求为限值，以时间源精度、同步节点精度和末端从时钟精度为因量来规划。不同Domain之间不能直接传递同步信息。同一Domain内，可以采用BMCA选择跟踪路径。采用Domain进行规划具有局部确定可控的特点。

4 时间源下沉式部署的保护策略

同步网的部署必须考虑异常情况下的时间源保护功能，以提升可靠性。对于集中式部署方案，其在核心层部署的两个时间源互为主备，形成时间源的保护能力。而下沉式部署的时间源，从成本和体积考虑，不会采用高成本铷钟方案，自身的守时能力偏弱，异常情况的保护就显得更为重要。部署场景不同，时间源的保护策略也会有所不同。

孤立同步域场景的时间源保护策略。由于同步域为一孤岛，只能从下沉部署的时间源获取频率和时间信息。对于重点区域应用考虑同步安全性，可以采用时间源主备，或双星卡保护方案。

单一时间域部署时相邻同步域场景的时间源保护策略。按照下沉部署同步的应用模式，局部同步部署采用单一Domain方案，BMCA决策选源的按需部署最为简便。存在相邻同步域的场景下，本区域节点除了接收到本地下沉源的通告消息，还能接收到其他下沉源的通告消息。当本地下沉源出现异常时，将发出携带有降质信息的通告消息。通过BMCA会选择临近的时间源进行跟踪，从而实现保护。

叠加组网场景的时间源保护策略。该场景在原有同步组网中，叠加时间源下沉组网，组合方式存在不同。

频率网叠加时间源下沉式组网[6]，如图4所示，下沉部署的subPRTC可以通过GNSS授时获得基准频率和时间信息，同时也能取得频率网提供的频率参考信号。汇集层或接入层的承载节点则可以跟踪subPRTC传送的频率和时间信息，同时也能获得上游核心层频率网的频率参考。当GNSS跟踪丢失时，subPRTC切换到频率网频率参考进行守时。当subPRTC出现故障时，下游承载节点则利用频率网的频率参考实现守时。需要保证subPRTC和频率网跟踪的源头相同，切换的相位瞬变符合ITU-T G.8262/G.8262.1的规范，能够保证末端应用正常工作。

图4 频率网叠加下沉式组网场景保护示意图

在集中式组网叠加时间源下沉式组网时，如果叠加组网是为了局部增强同步，多采用分域部署。下沉时间源与同步范围内的节点，规划在一个Domain。每个下沉源都会形成一个Domain，相互独立，且与集中式组网的Domain区分。不同Domain之间是不能直接进行同步信息传递的，也就无法直接依靠BMCA实现保护。可以采用多域时钟传送方案，将集中式部署的同步域时钟引入，在下沉时间源卫星跟踪异常时提供基础同步保护。图5所示为多域时钟传送示例，属于域B的时钟源设备，可以将PTP链路接入的域A的时钟，通过域A的源适配器适配后，送给组合选择逻辑进行选择。PRTC正常情况下，会选择PRTC输出的参考时钟通过PTP端口发送到下游域B的网络；如果PRTC异常，组合逻辑就可以选择源适配器适配的域A时钟信息，输出给下游节点，从而实现保护。域A源适配器只能工作在从时钟状态(SlaveOnly)。

图5 多域时钟传送示例

当叠加组网是为了提供同步探针监测和局部备份保护时，下沉时间源本身就是同步网的备用时间源。将核心时间源与下沉时间源划分到同一Domain内，并配置下沉时间源的优先级低于核心时间源，通过全网BMCA实现同步保护功能。

5 同步网的管控

采用源下沉式部署方案，会给同步网管控带来不少挑战。一方面时间源的数量多。集中式部署方式，仅在核心层部署互为主备的两条时间服务器，采用就近独立管理的方案即能解决管控需要。而下沉时间源的数量会增加很多，如何管控是一个新的课题。另一方面时间源部署位置灵活，难以规划。下沉源采用按需部署策略，当下沉时间源数量越来越多时，会带来部署位置的选择，同步区域的范围等规划问题。由此造成部署场景多样，关联配置复杂，采用手工配置方案将变得十分困难。

基于时间源下沉部署带来的挑战，对同步网管控方案有以下思考：

首先时间源需要统一集中管控。由于时间源下沉部署后数量多，单独管控无法满足运维的要求，集中管控是必然的选择。而实现集中管控，首先需要标准化时间源的管控接口信息模型，使得任何厂家的时间源设备都能够接入管控平台。时间源管控模型的标准化工作正在进行中，可以在信息模型中增加探针监测等信息，为后续的智能化提供可靠的数据来源。而将时间源的管控纳入承载网管控体系，则是一种低成本、易实施的解决方案。从实施成本来看，将时间源纳入承载网管控体系，相对于时间源独立组网管控来说实施成本更低。通过平台扩展，时间源无论是内嵌承载节点，还是外置设备形式，经标准化数据接口，就能在承载管控平台实现上管受控。外置时间源设备可以通过PTP端口传送管控数据，但需要经过适配；而内嵌承载节点的时间源则能够直接作为节点功能模块被管理，最为简洁。从同步功能整体性来看，同步链路包括时间源、承载节点和末端应用等环节。在不同应用场景，各环节的配置是关联的，需要统一规划设置。而在故障处理时，只有对各环节信息进行关联分析，才能准确定位问题。任何环节的独立管控，都会带来配置的不便和同步状态信息的割裂。承载网管控平面很适合承担同步网统一管控的角色；引入智能化同步管控平台是必然趋势。在统一管控基础上，人工智能的赋能，能够解决复杂规划和配置问题，故障定位，同步巡检等难题。这也是5G推进组立项研究的课题之一，在本文就不再累述。

6 同步组网方案的实践和演进

海外运营商承载网络租用的现象较为普遍，由于中间同步节点难以提供可靠的同步支撑，所以时间源下沉式部署方案成为必然选择。国内运营商的网络基本是自有自建，有能力对同步网进行整体规划。集中式部署方案由于规划统一，同步覆盖全面，往往作为基础部署方案。但随着城域网规模扩大，同步网重要性提升，单一的集中式部署无法满足现网部署、运维和安全等需求。国内运营商都在结合自身情况，探索各自的同步网构架方案。

图6所示为中国电信的时钟同步部署方案，以其为例进行讨论。如图所示大楼综合定时供给设备(Building Integrated Timing Supply,BITS)按规划需能提供频率+时间服务，等同于PRTC/ePRTC，部分节点还需要提供网络时间协议(Network Time Protocol，NTP)服务。电信的同步网基于原有同步网进行升级。通过将铯钟扩展部署到31个省会，升级北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)和全球定位系统(Global Positioning System，GPS)双模授时，对频率网进行了增强。在保持NTP服务的同时，还规划了基于PTP的高精度时间支持。

电信同步网分为省级钟和本地基准钟(Metropolitan Primary Reference Clock,MPRC)两个层面[7]。省级钟为基准参考钟(Primary Reference Clock，PRC)一级钟源头，主备设置，部署于省会枢纽楼。正常情况下通过GNSS溯源，GNSS失效时由铯钟提供频率基准。省级钟与MPRC之间，受目前技术限制，只规划了频率的传递。MPRC作用于省内各地市本地网中，规划了频率和时间功能：核心楼部署两台内置铷钟的BITS，互为主备，通过GNSS实现授时。频率和时间信息通过本地网向下传递。本地钟在卫星失效时，能够依靠省级钟提供的频率基准实现时间的长期保持。值得说明的是电信还规划了本地两级钟，按需进行部署，但缺乏实施技术细节。

电信时间同步链路规划建议是正常时间链路同步节点跳数应小于10跳，特殊情况下应小于20跳。同步节点电信边界时钟(Telecom Boundary Clock，T-BC)须满足ITU-T G.8273.2 规定的 Class C或更高精度等级，保证末端应用时间偏差相对于协调世界时(Coordinated Universal Time，UTC)小于±1.5 μs，频率信号频偏小于 50 ppb。对于跳数越限场景以及更高精度需求场景，暂未给出解决方案。

图6 中国电信时钟同步部署示意图

上海电信与烽火通信合作，基于现网OTN平面完成了5G时间同步在电信网络的首次规模商用。通过现网实际部署和测试，对局部快速部署和同步设备叠加组网等场景进行了验证。图7所示为本次同步网部署方案示意图，其中在康健和控江两节点各部署了一台PRTC，通过跟踪卫星实现授时，并采用主备组网保护模式。位于康健的主用PRTC，将频率和时间信息注入同机房的OTN设备，通过光监控通道向下游节点传递。当康健的PRTC出现故障时，同步网络会自动切换跟踪位于控江的PRTC。为了增强同步网的可靠性，后期在武胜又设置了主用PRC，配置铯钟；在信息园区设置了备用PRC。在两层同步保护构架下，能够应对更多的故障场景。特别是当卫星系统全面失效时，基于铯钟的主PRC可以通过OTN透传通道为其他同步设备提供稳定的频率参考，实现长期时间保持，可以保证5G基站稳定运行。

图7 上海电信时钟同步部署示意图

基于同步网当前的部署实践，结合同步网技术的发展，对下沉源应用可能的演进方向进行分析。

随着同步技术应用兴起，在早期同步网难以规模部署的阶段，时间源下沉式部署为局部同步，以及应对地铁和大楼等无法接入GNSS信号场景的快速解决方案。

随着同步网规模部署，采用时间源集中式部署能提供基础的地面同步服务，而时间源下沉可以用于解决以下问题：一个是满足超大城域部署需求。由于基于现有技术带来的同步网跳数限制，使得单一集中式部署方案无法满足超大规模同步网的部署。源下沉分域部署或分级部署可以很好应对该场景。另一个是局部超高精度同步需求。集中式部署方案的同步性能是基于统一规划的，实施后会保持稳定，但也难以提升。对于逐步出现的100 ns级甚至更高同步精度需求会难以满足。可以采用源下沉为需要的应用提供局部的高于同步网基础精度的同步服务。

随着同步网应用规模扩大，精度要求提高，对同步网可靠性要求也会相应提升。下沉部署时间源，作为同步探针是一种可行的技术方案，其可以为管控平面提供准确的同步监测数据，满足同步运维需要，且在上游同步链路故障时，可以作为备用时间源接入，保证下游同步功能的正常。

随着同步技术的发展，核心层的时间源与下沉部署的时间源之间，甚至是省会钟与本地钟之间，不同运营商的省会钟之间，都能够采用新的技术方案(如：共视技术和光纤授时技术)实现同步组网连接。下沉源会成为最贴近末端同步应用的时钟单元，为同步网实现广域的超高精度授时及更精确的同步监测提供了一种解决思路。实际上时间源组网正在成为一个新的研究课题。