TD_SCDMA系统基站回传中的同步

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1、电 信科学 2010 年第 5 期TD 与 LTE 技术创新论坛1 引言根据 TD-SCDMA 空中接口要求 ， 各基站间时间精度相差不超过 3 s。 在传统的应用中 ，所有时间同步都采用基站直接外挂 GPS 接收器的方式 。 此方式成本较高 ，安装 、施工 、维护困难 ，也存在资源使用安全隐患 。 为了解决这个问题 ，基于以太网的 IEEE 1588（简称 1588）精确时间协议 （precisiontime protocol，PTP）得到了极大的重视和迅速的发展 。IEEE 1588 同步系统是一种主从同步系统 。 在系统的同步过程中 ，主时钟 （Master）通过 PTP 报文周期性发布

2、时间信息 ，从时钟 （Slave）接收主时钟发来的时间信息 ，据此计算出主从线路时间延时及主从时间差 ，并利用该时间差调整本地时间 ，使从设备时间与主设备时间保持频率与相位的一致 。 1588 协议协商流程如图 1 所示 。目前现网基站回传多采用 MSTP 的承载方式 ，即基于SDH 构建多业务刚性管道 。 MSTP 的内核是传统的电路交换 ，适合于承载语音等 TDM 业务 ，但是随着数据业务的不断增多 ，业务的全 IP 化已经成为事实 。 MSTP 在承载大颗粒 IP 业务方面 ，不支持统计复用 ，效率低下 ，不适应 IP 数据业务带宽突发性高的特点 ，不利于未来的业务扩展和网络升级 。 在

3、这种情况下 ， 更适应 IP 业务的分组化传输网（PTN）逐步成为基站回传网络的主流 。PTN 传承了以太网的经济和简洁 ， 吸收了 ATM 的分组化思想 ，基于 MPLS 标签的灵活性 ，继承了 SDH 强大的OAM 能力 ，正表现出越来越旺盛的生命力 。 由于 PTN 的传输介质为以太网 ，因此可以天然支持 1588 精确时间协议 。移动 TD-SCDMA 系统在基站回传中采用了 PTN（分组传送网 ）承载 ，同时建议支持 IEEE 1588 精确时间协议 。 本文介绍 PTN 设备在 TD-SCDMA 系统基站回传时的应用以及网络中采用 IEEE1588 精确时间同步系统的方法 ，分析了

4、采用 IEEE 1588 精确时间同步系统产生偏差的原因 ，并给出了相应的解决方案 。关键词 TD-SCDMA；分组传送网 ；IEEE 1588；精确时间协议摘 要TD-SCDMA 系统基站回传中的同步韦宇鹏 ，周桂虔 ，高宇晨新邮通信设备有限公司协办123TD 与 LTE 技术创新论坛2 网络模型与时间偏差采用 PTN 网络承载基站回传业务的同时 ， 将 1588 技术移植到 PTN 网络中 ， 则可以充分利用 1588 微秒级的传递精度实现 RNC 到各基站的同步时间分发 ，把 GPS 接收器集中上移到 RNC 侧 ，这样不仅能降低系统组网成本 ，而且也降低了安装维护的困难 。 典型的 P

5、TN、1588 和 TD-SCDMA组网拓扑结构如图 2 所示 。RNC 侧和基站侧的实现比较简单 ， 一般 RNC 侧配置时间同步设备 ，工作于 OC Master 模式 ；基站侧工作于 OC Slave模式 ，通过接收 PTN 设备传递的 PTP 报文获取时间信息 。PTN 支持设备 1588 协议 ，可以有以下三种方案 。第一种是给 PTN 配置外置时间设备 ， 由 PTN 给相连接的基站授时 ，此时 PTN 设备工作在 OC Master 模式 。 此模式实现简单 ，结构清晰 ，但是需要为每台 PTN 设备配置额外的时间设备 ，同时并未真正实现全网时间同步 ，所以仅作为网络改造的过渡性

6、方案 。第二种方案是 PTN 接收 PTP 报文 ， 按照正常协议报文转发 ， 即 PTN 设备工作在非 PTP 节点模式 。 此模式下PTN 设备不需要承担额外的工作 ，实现简单 ，但一旦网络负载加重 ，其时间质量将无法保证 。 对此模式的改进措施是 ：PTN 设备区分 PTP 报文 ，考虑本设备处理延时 ，将此延时补偿到 PTP 报文的时间戳内 ， 这种工作方式就是 1588协议内的 TC 模式 。第三种方案是 PTN 接收来自上级设备的 PTP 报文 ，解析报文并得到上级的时间信息 ，相对于上级设备 ，PTN 设备工作在 OC Slave。 同时 ，PTN 设备生成自己的 PTP 报文

7、，并通过 1588 协议将此报文送往下级设备 ， 相对于下级设备 ，PTN 设备工作在 OC Slave。 这种工作方式就是 BC 模式 。要分析 PTN 应用于基站回传时 1588 精确时间协议的性能 ，就要先分析时间偏差是如何产生的 ，以一个最简单的网络模型为例说明 ，如图 3 所示 。网络设备 A，工作于 OC Master 模式 ；网络设备 B，工作于 OC Slave 模式 。 两者通过 PTP 报文的交互 ，将 A 的时间信息同步到 B。 1588 协议的时间计算公式内部包含一个重要的假设 ：（即 A 至 B、B 至 A 其传输时间是一致的 ）实际网络中 ，两端的硬件处理时间并不相

8、同 ，PTP 报文在物理链路中的传输延时也不相同 ，与总是存在一定偏差 。设定 ，则就是由于传输路径不对称而引入的偏差 。 包含两部分分量 ，静态偏差和抖动偏差 。 为理想状态下 ，A、B 间因物理介质和 ASIC 处理速度不同造成的静态不对称偏差 。 为由于网络变化或硬件队列变化引起的动态不对称偏差 。 造成网络设备 B 的同步时间与理论值之间存在一个固定差值 ，表现为一个离散量 ，造成同步时间在两侧反复抖动 。理想状态下 ，PTP 报文发送的周期是恒定的 ， 同类PTP 报文之间相隔固定的时间差 。 但是实际情况下 ，网络设备 A 的频率并非恒定 ，频率的抖动就造成 PTP 报文的间隔时间

9、存在一定的离散性 。 网络设备 B 同步一个 PTP 报文间隔时间不断变化的时间源 ， 结果就是其得到的时间信息随着 PTP 报文的间隔时间不断变化 ，也呈现出一定的离散性 。通过算法 ，可以降低此离散性的影响 ，但无法完全消除 ，因为理论上不存在一个标准的间隔时间差作为参考 。 这个偏差记为 ty。我们发现 tx在实际网络中的影响也可以等效为 PTP报文的时间间隔差 ，因此合并 tx和 ty，记为 t，得到了1588 的偏差时间 t=t0+t ，其表现如图 4 所示 ，最终的时间偏差会在阴影范围内浮动 。3 1588 硬件实现要进一步分析和 ，需要探讨 1588 模块的具体实现 。124电

10、信科学 2010 年第 5 期在一个同步设备实现 1588 协议栈的软硬件架构中 ，主要考虑发送 、 接收 PTP 事件消息的时间点产生的时间戳 ， 这个时间戳的精度将对系统同步精度产生较大影响 ，理想的时间戳值应该是 PTP 事件消息刚好穿过 PTP 节点和网络的边界处的时间 。 所以在 PTP 的实现中 ，时间戳的产生越靠近物理层 ，相对的时间精度越高 ，在分析 1588 同步系统的时延精度时 ，硬件如何支持时间戳的产生是影响时延精度的重要因素之一 。 目前主流的硬件实现方案有三种 ，如图 5 所示 。方案一是通过物理层的 PHY 芯片完成 PTP 报文的获取以及时间的标记 ，将标记好的

11、PTP 报文信息通过专用接口送到算法处理模块 ，其余报文送往业务处理模块 。 此时 ，引入的同步时间偏差包含 ： 传输路径造成的静态偏差 t0，本端 PHY 芯片与远端 PHY 芯片的频率偏差 t1，即 ：t=t0+t1。方案二是通过专用 MAC 芯片 （FPGA 或 ASIC） 完成PTP 报文的获取以及时间的标记 ， 与第一种方案相比 ，同步时间偏差增加了因专用 MAC 芯片造成的频率偏差 t2，即 ：t=t0+t1+t2。方案三依靠报文的 MAC 地址区分 PTP 报文 ， 使用Switch 将 PTP 报文送往 1588 专用处理模块 ，而专用处理模块集成时间戳模块和算法处理模块 ，完

12、成 1588 协议的相关处理 。 与前两种方案相比 ，除了静态偏差 t0、PHY 引入的频率偏差 t1、Switch 引入的频率偏差 t2、 专用处理模块引入的频率偏差 t3，还包括由于 Switch 流量不均衡造成的转发时间偏差 。转发时间偏差影响 PTP 报文的时间间隔 ，因此也可以等效为频率偏差 ，记为 t4，即 ：t=t0+t1+t2+t3+t4。对比三种实现方案 ，第一种方案的精度最高 ，但要求物理层芯片能够满足 PTP 协议的相关要求 ， 一般由 PHY芯片供应商提供专用 PHY 芯片 ， 配合 CPU 或 FPGA 作为算法实现模块 ；第二种方案精度与第一种相差不大 ，一般由转发

13、芯片供应商提供专用 MAC 芯片 ； 第三种方案引入的 t4是一种基于网状网络的延时 ，受流量影响大 ，在流量负载较小的情况下 ，t4会趋近于 0； 在流量负载较大的情况下 ，t4会迅速增加 ， 甚至成为影响 1588 协议时钟精度的主要原因 ，但此方案的优势在于不改变原硬件 、软件架构 ，可实现平滑升级 。4 频偏时延分析首先分析频率偏差的影响 ，工作在主从模式下的两台设备各使用本地晶振来获取时间 ，影响时延精度的一个重要因素就是晶振频率误差 。 对高稳晶振的时频误差分析可以使用阿伦方差的分析方法 ，阿伦方差的定义是 ：其中 yn表示在第 n 个 采样周期上的平均频率偏差 ，尖括号表示在一段

14、有限时间内的平均 ：xn为采样点 n 处测得的时间 （相位 ）误差 ，对某时钟稳定度的度量可以用前后两个 时间间隔上的平均频率偏差的差值来反映 ，将式 （2）代入式 （1），可以得到 ：阿伦方差的值越小 ，意味着相应的时钟稳定度越好 。在一个主从时间同步系统中 ，如果已知主 、从设备晶振的阿伦方差 y( )以及两设备间时间同步消息的收发周期 Tsync，则有可能算出由于晶振误差造成的系统时间误差 ：对阿伦方差在 Tsync上积分一次 ，加上一个固定的频率偏差图 5 主流的三种硬件实现方案（2）（1）（3）125TD 与 LTE 技术创新论坛值 ，可以得到经过 Tsync后的频率偏差 y（t），

15、对 y（t）积分 ，加上固定的时间偏差值 ， 则可知经过 Tsync后的时间误差值 ，假设时间偏差值可以通过 PTP 算法得到补偿 ，且主从设备的晶振统计独立 ，则经过 Tsync后的时间误差值 ：其中 yM和 yS分别表示主从设备的频率偏差 。 从式 （4）可以看出 ，影响一个主从时间同步系统时间误差的因素除了主从设备的晶振阿伦方差外 ，设备间时间同步消息的收发周期 Tsync也是一个重要的影响因素 。图 6 为分别采用两种不同精度的晶振作为主从时钟 ，对应不同 Tsync测得的时间误差值 。 从图中可以看到精度越高的晶振在相同的同步周期 Tsync下误差越小 。 对于同一晶振来说 ，为了物

16、理实现上的简化 ，希望同步周期 Tsync越大越好 ，在图中曲线开始上升的拐点则意味着无法再通过提高时间信息的收发频率来提高系统性能 ， 随着同步周期Tsync的增加 ， 误差开始增加 ， 因此这个拐点对于设计 PTP同步周期具有指导意义 。5 网络时延分析以 图 7 为 例 分 析 网 络 的 时 延 ，A 为 OC Master，C 为OC Slave，B 为线路节点 ，实际网络中 B 节点可视为一个网状网络系统 。 B 节点转发时的流量负载不均衡 ， 会影响PTP 报文的时间间隔 ， 等效于引入了新的偏差量 t5。 同时 ，由于网状网络中 ，A 与 C 之间的转发路径变化 ，等效于产生了新的静态偏差和抖动偏差 t6。 相比于单节点的静态偏差 t0，t1远大于 t0，合并两个变量并将新的变量仍然标记为 。 最后得出实际网络中的 1588 时间精度偏差 ：t=t0+t1+t2+t3+t4+t5+t6其中 ，t0为收发不对称造成的静态延时 ，t1为 PHY 的频偏引入的抖动延时 ，t2为