PTP精準(zhǔn)時(shí)間同步技術(shù)及應(yīng)用前景的探討

鄧燁飛（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073）

1 概述

時(shí)間同步網(wǎng)是鐵路通信支撐網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，是確保網(wǎng)絡(luò)定時(shí)性能質(zhì)量的關(guān)鍵。選擇先進(jìn)適用的時(shí)間同步技術(shù)，使得時(shí)間同步網(wǎng)更好的為鐵路各業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間同步信號(hào)源，具有重要意義。

時(shí)間同步技術(shù)在不斷地推陳出新。早期的時(shí)間同步技術(shù)需要組建專用網(wǎng)絡(luò)為各系統(tǒng)提供服務(wù)，成本較高。為了能夠在應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，NTP （Netw ork Time Protoco1）在1988年提出v1版本，至今發(fā)展近20年，2001年提出的NTPv4可以達(dá)到200 ms。

為了滿足日益增長(zhǎng)的高精度時(shí)間同步需求，2002年由安捷倫實(shí)驗(yàn)室的成員開(kāi)發(fā)形成IEEE 1588 v1版本。IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)的全稱為網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)精確時(shí)鐘同步協(xié)議，其中定義了精準(zhǔn)時(shí)間同步協(xié)議（PTP）。隨著高精度時(shí)間同步的廣泛應(yīng)用，IEEE 1588在2008年推出了v2版本，增加了PTP在通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。PTP的出現(xiàn)解決了對(duì)高等級(jí)時(shí)間精度的要求，可以利用以太網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)傳輸，具有高精度、高效率、低成本的特點(diǎn)。

鄧燁飛，女，碩士畢業(yè)于北京交通大學(xué)，高級(jí)工程師。主要研究方向包括鐵路時(shí)間同步系統(tǒng)、鐵路通信電源系統(tǒng)，曾參與京滬高速鐵路工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目、鐵路時(shí)間同步網(wǎng)技術(shù)條件的編制等。

2 PTP精確時(shí)鐘同步協(xié)議

PTP（Precision Time Protocol），是一種基于數(shù)據(jù)包傳送的精確同步技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，PTP主要采用分層的主從時(shí)鐘模式以及時(shí)間戳機(jī)制，對(duì)時(shí)間進(jìn)行編碼傳送。時(shí)間同步精度可以達(dá)到亞μs級(jí)。

PTP同步的基本原理如下：主時(shí)鐘（M aster clock）與從時(shí)鐘（Slave clock）之間交互同步報(bào)文并記錄報(bào)文的收發(fā)時(shí)間，從而得到報(bào)文往返的時(shí)間差來(lái)計(jì)算主、從時(shí)鐘之間的往返總延時(shí)。如果網(wǎng)絡(luò)對(duì)稱，即兩個(gè)方向的傳輸延時(shí)相同。主、從時(shí)鐘之間的時(shí)鐘偏差便是單向延時(shí)（往返總延時(shí)的一半）。從時(shí)鐘按照該偏差來(lái)調(diào)整本地時(shí)間，就可以實(shí)現(xiàn)其與主時(shí)鐘的同步。其同步過(guò)程如圖1所示。

1）主時(shí)鐘在t1時(shí)刻向從時(shí)鐘發(fā)送Sy n c報(bào)文，從時(shí)鐘在t2時(shí)刻收到該報(bào)文。

2）主時(shí)鐘發(fā)送Sy n c報(bào)文之后，再發(fā)送一個(gè)攜帶有t1的跟隨信息Follow_Up報(bào)文。

3）從時(shí)鐘在t3時(shí)刻向主時(shí)鐘發(fā)送Delay_Req報(bào)文，用于發(fā)起反向傳輸延時(shí)的計(jì)算，主時(shí)鐘在t4時(shí)刻收到該報(bào)文。

4）主時(shí)鐘收到Delay_Req報(bào)文之后，回復(fù)一個(gè)Delay_Resp時(shí)延相應(yīng)報(bào)文，打上時(shí)間戳t4傳給從時(shí)鐘。

從時(shí)鐘擁有了t1～t4四個(gè)時(shí)間戳，由此可計(jì)算主、從時(shí)鐘間的往返總延時(shí)：（t2-t1）+（t4-t3）。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)稱，主、從時(shí)鐘間的單向延時(shí)為：

3 鐵路時(shí)間同步網(wǎng)

1）鐵路時(shí)間同步網(wǎng)現(xiàn)狀

既有鐵路通信時(shí)間同步網(wǎng)由客運(yùn)專線工程建設(shè)的二級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)組成，二級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)包括“GPS +高晶體鐘+時(shí)間分配單元”。已建成和在建的二級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)有北京局、南昌局、上海局、廣鐵集團(tuán)等鐵路局，可為鐵路業(yè)務(wù)系統(tǒng)及車站三級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)設(shè)備提供時(shí)間同步源。時(shí)間同步網(wǎng)鐵道部一級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)尚未建設(shè)。除通信業(yè)務(wù)系統(tǒng)以外，其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)尚未接引路局的二級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)同步源。

鐵路已規(guī)劃了同步網(wǎng)的建設(shè)方式，隨著規(guī)劃的逐步實(shí)施，鐵路時(shí)間同步網(wǎng)將能夠?yàn)殍F路各業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)，實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的時(shí)鐘與本系統(tǒng)同步。

各業(yè)務(wù)系統(tǒng)對(duì)時(shí)間同步的需求可分為以下幾個(gè)等級(jí)。

表1 不同等級(jí)的用戶傳送方式和實(shí)現(xiàn)技術(shù)

針對(duì)不同精度的時(shí)間同步需求，在鐵路通信網(wǎng)中目前主要應(yīng)用了以下時(shí)間同步技術(shù)。

* NTP（Netw ork Tim e Protocol），NTP 技術(shù)可以在局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)中應(yīng)用，精度通常只能達(dá)到毫秒級(jí)或秒級(jí)。

* IR IG-B（In ter Range Instrum en tation Group）和 DCLS（DC Level Sh ift），IRIG-B 的幀內(nèi)包括的內(nèi)容有天、時(shí)、分、秒及控制信息等，可以用普通的雙絞線在樓內(nèi)傳輸，也可在模擬電話網(wǎng)上進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。IR IG的精度通常只能達(dá)到10微秒量級(jí)。DCLS是IRIG碼的另一種傳輸碼形，用直流電位來(lái)攜帶碼元信息。

* 1PPS (1 Pu lse per Second) 秒脈沖信號(hào)，不包含時(shí)刻信息，但其上升沿標(biāo)記了準(zhǔn)確的每秒的開(kāi)始，通常用于本地測(cè)試，也可用于局內(nèi)時(shí)間分配，精度達(dá)到 100 ns 量級(jí)。

2）PTP技術(shù)在鐵路時(shí)間同步網(wǎng)的應(yīng)用可行性

鐵路時(shí)間同步網(wǎng)依照規(guī)劃建設(shè)完善后，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。采用主從同步方式，由三級(jí)結(jié)構(gòu)組成，包含一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)設(shè)備。

一級(jí)時(shí)間同步設(shè)備由銣鐘和衛(wèi)星授時(shí)接收機(jī)等組成，可通過(guò)專用的比對(duì)手段，對(duì)接收到的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比對(duì)和過(guò)濾校正，然后輸出時(shí)間同步信號(hào)；二級(jí)時(shí)間同步設(shè)備由高穩(wěn)晶體鐘和衛(wèi)星授時(shí)接收機(jī)組成，支持通過(guò)地面手段將時(shí)間溯源至一級(jí)時(shí)間同步設(shè)備，支持地面頻率信號(hào)守時(shí)功能；三級(jí)時(shí)間同步設(shè)備配置晶體鐘，支持通過(guò)地面手段將時(shí)間溯源至一級(jí)或二級(jí)時(shí)間同步設(shè)備。

隨著中國(guó)鐵路跨線跨區(qū)行駛及速度不斷提高，鐵路時(shí)間同步網(wǎng)提供統(tǒng)一基準(zhǔn)時(shí)間信息的需求也越來(lái)越迫切。鐵路時(shí)間同步網(wǎng)組網(wǎng)的分級(jí)結(jié)構(gòu)符合高精度時(shí)間同步組網(wǎng)要求，可以基于目前較為成熟的PTP技術(shù)，為相關(guān)系統(tǒng)提供高精度等級(jí)時(shí)間信號(hào)。時(shí)間同步設(shè)備與需要高精度等級(jí)時(shí)間信號(hào)的被同步設(shè)備之間的地面時(shí)間傳送采用PTP技術(shù)，時(shí)間同步設(shè)備之間的地面時(shí)間傳送可采用PTP技術(shù)或其他技術(shù)。

鐵路時(shí)間同步網(wǎng)基于PTP協(xié)議為鐵路各系統(tǒng)提供高精度時(shí)間信號(hào)時(shí)，需注意以下影響精度的關(guān)鍵因素。

* 鏈路方面——雙向固定時(shí)延不對(duì)稱

光纖雙向固定傳輸時(shí)延不對(duì)稱是由于收發(fā)雙向光纖物理長(zhǎng)度的不對(duì)稱造成。光纖雙向固定傳輸時(shí)延不對(duì)稱是靜態(tài)誤差，影響1588 v2時(shí)間同步的絕對(duì)精度，無(wú)法通過(guò)時(shí)間恢復(fù)算法來(lái)濾出。

* 網(wǎng)絡(luò)方面——規(guī)模及保護(hù)方式

基于PTP技術(shù)的時(shí)間同步網(wǎng)的規(guī)模，是影響時(shí)間同步的一個(gè)重要因素。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模過(guò)大會(huì)導(dǎo)致光纖的物理鏈路過(guò)長(zhǎng)，引起的收發(fā)雙向延時(shí)不對(duì)稱變大；另外同步鏈路的中間節(jié)點(diǎn)數(shù)過(guò)多。時(shí)間同步精度由此劣化。

時(shí)間同步需要完善的保護(hù)，避免單點(diǎn)故障引起的整網(wǎng)癱瘓。通常有路徑保護(hù)和設(shè)備內(nèi)部的重要時(shí)鐘單元主備保護(hù)等。每種保護(hù)方式，在發(fā)生保護(hù)倒換時(shí)，都可能引起時(shí)間同步性能的短期劣化。

4 結(jié)論

PTP精確時(shí)間同步協(xié)議為高精度時(shí)間同步網(wǎng)提供了可能。傳輸設(shè)備（包括PTN，OTN等）逐步支持PTP協(xié)議，也使得PTP時(shí)間同步網(wǎng)得到了推廣。目前電力行業(yè)、中國(guó)移動(dòng)都在對(duì)PTP技術(shù)進(jìn)行可行性研究，深圳、南京移動(dòng)等已在布置多個(gè)實(shí)驗(yàn)局，浙江移動(dòng)部署了PTN IEEE 1588 v2方案，并成功將TD-SCDMA業(yè)務(wù)遷移至該網(wǎng)絡(luò)。PTP相關(guān)技術(shù)可以作為鐵路時(shí)間同步網(wǎng)建設(shè)的參考依據(jù)，對(duì)其進(jìn)行深入研究具有重要的實(shí)用價(jià)值和理論意義。

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