LTE-M系統(tǒng)高穩(wěn)定主從時(shí)間同步設(shè)計(jì)

王翔 魏佳鵬

摘要：介紹了IEEE1588v2精確時(shí)間同步在LTE-M系統(tǒng)中的發(fā)展情況，分析了LTE-M系統(tǒng)高穩(wěn)定時(shí)間同步的應(yīng)用需求及實(shí)際工程中需要解決的技術(shù)問題，提出了雙環(huán)網(wǎng)雙源異主主從時(shí)間同步的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，描述了方案中的關(guān)鍵技術(shù)及具體實(shí)現(xiàn)并進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明，雙環(huán)網(wǎng)雙源異主主從時(shí)間同步的方案在穩(wěn)定性、抗擾性及故障恢復(fù)上均表現(xiàn)出較好的性能，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

關(guān)鍵詞：LTE-M;IEEE1588v2;主備倒換;鏈路倒換

中圖分類號(hào)：TN98文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2021）04-59-5

0引言

當(dāng)前，LTE-M系統(tǒng)發(fā)展迅速，技術(shù)及產(chǎn)業(yè)鏈有了很大的發(fā)展，已經(jīng)形成了規(guī)模產(chǎn)業(yè)，成為地鐵領(lǐng)域車地?zé)o線通信系統(tǒng)建設(shè)的首要選擇。而LTE-M系統(tǒng)要可靠運(yùn)行和提供穩(wěn)定的服務(wù)，首要條件是采用一個(gè)高穩(wěn)定高精度的時(shí)間同步系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)提供頻率和相位同步。根據(jù)3GPP標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，頻率同步精度達(dá)到0.05 ppm、相位同步精度達(dá)到2.5μs內(nèi)，才能保證系統(tǒng)長久地為用戶提供高效、穩(wěn)定和可靠的服務(wù)。

目前LTE-M系統(tǒng)有2種同步方式可供選擇，一種是使用GPS同步方式;另一種是使用IEEE1588v2精確時(shí)間同步方式。IEEE1588v2精確時(shí)間同步方式具有成本低廉、架設(shè)簡便等優(yōu)點(diǎn)，并且其同步精度已經(jīng)與GPS同步方式相差無幾[1]。而高穩(wěn)定的IEEE1588v2時(shí)間同步方式可以同時(shí)滿足LTE-M系統(tǒng)對(duì)同步精度和同步可靠性的需求。本文闡述了 IEEE1588v2精確時(shí)間同步協(xié)議的基本原理，根據(jù)LTE-M系統(tǒng)對(duì)于時(shí)間穩(wěn)定性的需求提出了雙環(huán)網(wǎng)雙源異主主從時(shí)間同步解決方案。

1 IEEE1588v2及LTE-M穩(wěn)定性

1.1 IEEE1588v2同步原理

IEEE1588v2中存在主時(shí)間、從時(shí)間以及中間節(jié)點(diǎn)三部分，各部分通過網(wǎng)絡(luò)連接彼此形成一個(gè)主從同步系統(tǒng)。主時(shí)間將自身的時(shí)間轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包時(shí)間戳T1的形式發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中。中間節(jié)點(diǎn)識(shí)別到時(shí)間數(shù)據(jù)包后將其轉(zhuǎn)發(fā)給下一級(jí)節(jié)點(diǎn)，直到時(shí)間數(shù)據(jù)包被從節(jié)點(diǎn)捕獲。從節(jié)點(diǎn)捕獲到時(shí)間數(shù)據(jù)包后通過提取發(fā)送時(shí)間戳T1和接收時(shí)間戳T2以及測量鏈路時(shí)延T3和T4后，通過計(jì)算可以得到鏈路延時(shí)Delay和時(shí)間偏移Offset。從時(shí)間根據(jù)Delay和Offset修正本地時(shí)間達(dá)到與主時(shí)間時(shí)間同步的目的[2]，同步過程如圖1所示。

1.2穩(wěn)定性影響分析

在使用IEEE1588v2同步方式的LTE-M系統(tǒng)中，時(shí)間同步的穩(wěn)定性取決于IEEE1588v2時(shí)間同步的穩(wěn)定性。由于IEEE1588v2中所有消息都是通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸，而網(wǎng)絡(luò)傳輸中存在一定的不確定性，可以認(rèn)為影響LTE-M系統(tǒng)時(shí)間穩(wěn)定性的最大因素就是網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

影響網(wǎng)絡(luò)傳輸穩(wěn)定性的因素主要有：網(wǎng)絡(luò)傳輸抖動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸不對(duì)稱和網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。由于所有的從時(shí)間都同步于主時(shí)間源，所以主時(shí)間對(duì)于LTE-M系統(tǒng)時(shí)間同步穩(wěn)定性也起到?jīng)Q定性的作用。

2需解決的問題

針對(duì)上述影響分析，為提升LTE-M網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需解決如下幾個(gè)技術(shù)問題：

①主時(shí)間冗余設(shè)計(jì)：在單主時(shí)間的情況下，由于主時(shí)間本身故障或與交換機(jī)所接光纖出現(xiàn)故障，可能造成全線基站丟失時(shí)間源，出現(xiàn)全線基站無法保持時(shí)間同步的問題[3]。

②抗倒換設(shè)計(jì)：考慮到主時(shí)間源可能發(fā)生故障以及數(shù)據(jù)傳輸路徑改變的可能，當(dāng)發(fā)生鏈路倒換時(shí)，從時(shí)間可能會(huì)出現(xiàn)較大的時(shí)間調(diào)整，從而引起基站時(shí)間同步出現(xiàn)短時(shí)間的失步狀態(tài)[4]。

③抗抖動(dòng)及傳輸不對(duì)稱設(shè)計(jì)：由于網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴屬于極大的網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)，同時(shí)因?yàn)楦怕瘦^小的網(wǎng)絡(luò)傳輸抖動(dòng)，以及傳輸光纖長度不對(duì)稱和PHY芯片收發(fā)時(shí)延不對(duì)稱[5-6]等因素，會(huì)引起時(shí)間同步相位偏差或突變的問題。

3總體設(shè)計(jì)

基于上述問題，提出雙環(huán)網(wǎng)雙源異主主從時(shí)間同步應(yīng)用設(shè)計(jì)方案。該方案采用雙傳輸環(huán)網(wǎng)、雙主時(shí)間設(shè)計(jì)，除傳輸環(huán)網(wǎng)進(jìn)行物理隔離雙路配置外，在不同地點(diǎn)分別部署2個(gè)獨(dú)立的主時(shí)間。采用雙傳輸環(huán)網(wǎng)和雙主時(shí)間的設(shè)計(jì)，解決了單主時(shí)間故障引起全線時(shí)間同步異常的問題，達(dá)到了降低故障范圍的目的。采用基站倒換算法的設(shè)計(jì)，解決了主備時(shí)間倒換和鏈路倒換引起的時(shí)間同步失步的問題，達(dá)到了提高時(shí)間同步穩(wěn)定性的目的。同時(shí)基站平滑算法以及時(shí)延補(bǔ)償，解決了時(shí)間抖動(dòng)和傳輸不對(duì)稱的問題，達(dá)到了提高時(shí)間同步抗擾性的目的。

雙環(huán)網(wǎng)可以稱為A/B網(wǎng)，雙主時(shí)間可以稱為A/B主時(shí)間，方案原理如圖2所示。

A/B主時(shí)間各有兩路1588輸出端口，稱為A1，A2，B1，B2，分別接入A/B網(wǎng)中，即A1，B1接入A網(wǎng)中，A2，B2接入B網(wǎng)中。2臺(tái)時(shí)間服務(wù)器符合了主時(shí)間冗余設(shè)計(jì)方案。每個(gè)環(huán)網(wǎng)中都有主備時(shí)間服務(wù)器的時(shí)間信息。A傳輸環(huán)網(wǎng)下游基站選擇主架時(shí)間服務(wù)器作為主時(shí)間，B傳輸環(huán)網(wǎng)下游基站選擇備架時(shí)間服務(wù)器作為主時(shí)間，這樣在A/B傳輸環(huán)網(wǎng)下的基站就與不同的時(shí)間服務(wù)器進(jìn)行同步，而主備架時(shí)間服務(wù)器都與GPS/BD進(jìn)行同步，所以A/B網(wǎng)的基站時(shí)間實(shí)際上也是相互同步的。A/B傳輸環(huán)網(wǎng)的意義在于限制故障范圍和操作范圍，如當(dāng)主架時(shí)間服務(wù)器不可用時(shí)，只有A網(wǎng)下游基站會(huì)進(jìn)行時(shí)間倒切到備架時(shí)間服務(wù)器，而B網(wǎng)基站時(shí)間同步完全不受影響，從而將故障范圍限制在單獨(dú)一個(gè)網(wǎng)中。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的故障范圍限制也是同樣的道理，因?yàn)锳網(wǎng)和B網(wǎng)物理隔離，當(dāng)其中一個(gè)傳輸網(wǎng)受網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴影響不可用時(shí)，另一個(gè)傳輸網(wǎng)完全不受影響，可以保證LTE-M系統(tǒng)繼續(xù)提供服務(wù)。

基站本身具有對(duì)主備時(shí)間倒換和鏈路倒換的抗擾功能，符合抗倒換的方案設(shè)計(jì)。根據(jù)主備切換算法和時(shí)間保持過濾算法，基站可以快速識(shí)別主備時(shí)間的可用性和鏈路的異常變化，并且采取重置主時(shí)間和鏈路時(shí)延的方法進(jìn)行快速恢復(fù)，保證本地時(shí)間調(diào)整在允許的范圍內(nèi)。主時(shí)間故障并倒切可以在3 s內(nèi)識(shí)別并恢復(fù)，鏈路倒換的故障可以在1 s內(nèi)識(shí)別并恢復(fù)。

在基站倒切主備時(shí)間的過程中，可能出現(xiàn)因主備架時(shí)間服務(wù)器相位不一致導(dǎo)致的相位突變。為了防止基站時(shí)間出現(xiàn)突變，基站設(shè)計(jì)了平滑算法。平滑算法可以保證基站時(shí)間每次調(diào)整不大于50 ns，實(shí)現(xiàn)本地時(shí)間的平滑過渡。平滑過渡的意義在于，無論主備架時(shí)間服務(wù)器相差多少相位，基站都可以緩慢調(diào)整到與主時(shí)間保持一致，并且在調(diào)整過程中仍然可以保證基站正常工作，減小甚至避免LTE-M系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量受到任何影響。

為了解決基站PHY數(shù)據(jù)傳輸收發(fā)時(shí)延不一致引入的同步誤差，通過修改Indelay和Outdelay參數(shù)修正基站從時(shí)間的同步相位。平滑算法以及參數(shù)修正符合抗抖動(dòng)及傳輸不對(duì)稱的方案設(shè)計(jì)。

4關(guān)鍵技術(shù)

本方案應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)包括：

（1）雙主時(shí)間異主設(shè)計(jì)

IEEE1588v2可以通過配置優(yōu)先級(jí)的方式設(shè)置主時(shí)間的優(yōu)先級(jí)，使得從時(shí)間可以優(yōu)先選擇高優(yōu)先級(jí)的主時(shí)間[7]，避免2個(gè)主時(shí)間優(yōu)先級(jí)一致引起同步混亂。

配置A1優(yōu)先級(jí)為（1，3），A2優(yōu)先級(jí)為（1，128），B1優(yōu)先級(jí)為（1，128），B2優(yōu)先級(jí)為（1，3）。此時(shí)在A網(wǎng)中A1的優(yōu)先級(jí)高于B1，而A網(wǎng)中下掛的從時(shí)間會(huì)同時(shí)捕獲A1，B1的時(shí)間信息。由于A1的優(yōu)先級(jí)高于B1，所以A網(wǎng)從時(shí)間只會(huì)選擇A1同步。同樣B網(wǎng)也是如此。在B網(wǎng)中，B2優(yōu)先級(jí)高于A2。B網(wǎng)從時(shí)間同時(shí)捕獲A2，B2的時(shí)間信息，但從時(shí)間只選擇B2同步。

當(dāng)A主時(shí)間發(fā)生故障時(shí)，A網(wǎng)從時(shí)間因丟失A1主時(shí)間信息從而倒切到B1，B網(wǎng)從時(shí)間此時(shí)同步于B2，不會(huì)發(fā)生倒切。同理，當(dāng)B主時(shí)間發(fā)生故障時(shí)，B網(wǎng)從時(shí)間因丟失B2主時(shí)間信息從而倒切到A2，A網(wǎng)從時(shí)間同步于A1，不會(huì)發(fā)生倒切。整網(wǎng)IEEE1588v2配置如表1所示。

（2）從時(shí)間抗倒換設(shè)計(jì)

倒換包括鏈路倒換和主備倒換，由于A/B主時(shí)間分別部署在兩地，在環(huán)網(wǎng)中從時(shí)間由跟蹤A主時(shí)間倒換到跟蹤B主時(shí)間勢必會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)鏈路的變化，所以從時(shí)間只需進(jìn)行抗鏈路倒換設(shè)計(jì)即可，而主時(shí)間的選擇由IEEE1588v2協(xié)議中BMC算法決定。當(dāng)A網(wǎng)或B網(wǎng)環(huán)路斷開或A/B主時(shí)間其中一個(gè)發(fā)生故障時(shí)，時(shí)間信息從主時(shí)間到從時(shí)間的數(shù)據(jù)傳輸路徑會(huì)發(fā)生變化。在從時(shí)間側(cè)會(huì)發(fā)現(xiàn)鏈路時(shí)延發(fā)生改變，此時(shí)從時(shí)間會(huì)中斷時(shí)間同步流程，更新數(shù)據(jù)平滑算法，之后重新發(fā)起時(shí)延測量流程。在重新完成時(shí)間同步流程之前，從時(shí)間以保持方式繼續(xù)運(yùn)行;只需2 s從時(shí)間就可以重新完成時(shí)間同步過程。經(jīng)過從時(shí)間抗倒換設(shè)計(jì)后可以將主備倒換或鏈路倒換引起的時(shí)間抖動(dòng)限制在150 ns以內(nèi)?？沟箵Q設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

（3）抖動(dòng)保護(hù)與時(shí)延不對(duì)稱補(bǔ)償

當(dāng)從時(shí)間已經(jīng)鎖定主時(shí)間后，從時(shí)間與主時(shí)間的時(shí)間偏移offset會(huì)穩(wěn)定保持在某一范圍內(nèi)，一般在正負(fù)50 ns以內(nèi)。當(dāng)從時(shí)間解析到與主時(shí)間的時(shí)間偏移offset突變時(shí)，從時(shí)間將拋棄本次同步，直到時(shí)間偏移offset恢復(fù)。從時(shí)間PHY芯片收發(fā)具有不同的收發(fā)時(shí)延，這部分會(huì)加大鏈路時(shí)延測量的誤差。將PHY芯片的收發(fā)時(shí)延補(bǔ)償?shù)酵搅鞒讨校@樣就可以降低鏈路時(shí)延測量的誤差，減少相位誤差。SGMII模式下PHY芯片收發(fā)時(shí)延如表2所示。

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.1測試內(nèi)容

為了驗(yàn)證本方案是否實(shí)現(xiàn)既定設(shè)計(jì)要求，模擬某城市軌道交通項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用場景，使用相同的設(shè)備搭建LTE-M系統(tǒng)。通過模擬現(xiàn)場可能出現(xiàn)的情況驗(yàn)證雙環(huán)網(wǎng)雙源異主時(shí)間同步設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性。測試設(shè)備如表3所示，主要包含一套LTE-M系統(tǒng)設(shè)備，其中有2臺(tái)核心網(wǎng)、2臺(tái)核心交換機(jī)、6個(gè)基站、傳輸交換機(jī)10臺(tái)、時(shí)間服務(wù)器主鐘2臺(tái)、6臺(tái)LTE終端以及3 km長光纖10根。

測試拓?fù)淙鐖D4所示。

整套測試環(huán)境業(yè)務(wù)模擬與軌道交通現(xiàn)場保持一致，8臺(tái)傳輸交換機(jī)組成A/B雙環(huán)網(wǎng)，2臺(tái)傳輸交換機(jī)分別與環(huán)網(wǎng)相連共同組成LTE-M系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，交換機(jī)之間使用3 km長光纖相連，主時(shí)間A/B分別接入環(huán)網(wǎng)中為網(wǎng)絡(luò)提供時(shí)間同步。基站作為從時(shí)間下掛在傳輸交換機(jī)中，此時(shí)A網(wǎng)下掛從時(shí)間與主時(shí)間A1同步，主時(shí)間B1作為備用鐘。B網(wǎng)下掛從時(shí)間與主時(shí)間B2同步，主時(shí)間A2作為備用鐘。

時(shí)間穩(wěn)定性測試主要包括時(shí)間同步精度測試、時(shí)間同步抗擾性測試以及長期同步穩(wěn)定性測試三部分。時(shí)間精度測試主要是在不補(bǔ)償鏈路不對(duì)稱的前提下測量從時(shí)間與主時(shí)間的相位差，然后在補(bǔ)償鏈路不對(duì)稱后再一次測量從時(shí)間與主時(shí)間的相位差。

二者進(jìn)行比較，時(shí)間同步抗擾性測試主要是在某一主時(shí)間斷電或GPS斷開、環(huán)網(wǎng)斷環(huán)、網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴和時(shí)間抖動(dòng)情況下，測量從時(shí)間與主時(shí)間的時(shí)間差，驗(yàn)證在異常的情況下LTE-M系統(tǒng)時(shí)間同步抗擾性能。長期同步穩(wěn)定性測試主要是測量LTE-M系統(tǒng)時(shí)間同步在24，72，168 h內(nèi)的時(shí)間抖動(dòng)情況，驗(yàn)證時(shí)間在無異常時(shí)的自身穩(wěn)定性情況。在3個(gè)測試進(jìn)行的同時(shí)，整個(gè)LTE-M系統(tǒng)業(yè)務(wù)也會(huì)同時(shí)進(jìn)行測量，主要有UE站間切換性能以及傳輸時(shí)延性能等。測試用例如表4所示。

5.2測試結(jié)果

第一部分測試內(nèi)容經(jīng)過多次測試，整理結(jié)果記錄如表5所示。

測試結(jié)果表明，補(bǔ)償鏈路不對(duì)稱后，從時(shí)間與主時(shí)間的相位差可以大幅度縮小，提高了同步精度，滿足了LTE-M系統(tǒng)時(shí)間同步精度的要求。

第二部分測試內(nèi)容經(jīng)過多次測試，整理結(jié)果記錄如表6和表7所示。

上述異常測試用例是通過收集實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)場信息以及分析系統(tǒng)特性得出的最容易出現(xiàn)的異常情況。測試結(jié)果表明，當(dāng)出現(xiàn)上述異常時(shí)，LTE-M系統(tǒng)時(shí)間同步仍然能保持相當(dāng)優(yōu)良的性能，可以保證LTE-M系統(tǒng)繼續(xù)提供穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

第三部分測試內(nèi)容為長期同步穩(wěn)定性測試，經(jīng)過多次測試，整理收集測試結(jié)果如表8所示。

長期同步穩(wěn)定性測試可以看到，在長達(dá)168 h的同步時(shí)間中，LTE-M系統(tǒng)時(shí)間抖動(dòng)幅度為-100～100 ns，完全滿足LTE-M系統(tǒng)對(duì)于時(shí)間同步性能上頻率精度0.05 ppm和時(shí)間精度2.5μs的需求。

綜上所述，在實(shí)際測試結(jié)果中可以看出，采用雙環(huán)網(wǎng)雙源異主主從同步設(shè)計(jì)方案的LTE-M系統(tǒng)時(shí)間同步具有高穩(wěn)定的優(yōu)異性能，證實(shí)了設(shè)計(jì)方案的實(shí)用性。

6結(jié)束語

IEEE1588v2技術(shù)最大的瓶頸是由于網(wǎng)絡(luò)傳輸導(dǎo)致時(shí)間服務(wù)的穩(wěn)定性降低問題，而LTE-M系統(tǒng)對(duì)于時(shí)間同步信號(hào)的穩(wěn)定性又有極高的要求。本文結(jié)合IEEE1588v2和LTE-M系統(tǒng)的特性綜合考慮后提出雙環(huán)網(wǎng)雙源異主主從時(shí)間同步設(shè)計(jì)方案，對(duì)方案的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述，通過詳細(xì)的測試驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可用性，為LTE-M系統(tǒng)時(shí)間同步的工程實(shí)現(xiàn)提供了依據(jù)。

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