在5G网络中使用IEEE 1588实现保持时间同步

本文主要探讨了在电信网络中实现保持时间同步（holdover）的不同方法。

文档讨论了保持时间同步的作用，以及它从传统SONET/SDH网络到现代5G移动通信网络的演变。传统SONET/SDH网络依赖于频率同步，而现代5G移动通信则依赖于使用IEEE 1588的频率、相位和时间同步。在传统SONET/SDH网络中实现保持时间同步的方法在现代5G 网络中已不再实用。幸运的是，国际电信联盟（ITU）推荐了其他实现相同保持时间同步性能水平的方法。本文档对这些方法进行了逐一探讨，并提供了实验室测量结果以比较它们的性能。

1. 保持时间同步的重要性

保持时间同步在网络中发挥着重要作用。当主要同步源不可用时，它提供了临时的同步源。主要同步源的丢失可能由多种原因造成，其中之一是设备故障。保持时间同步为技术人员提供了修复故障设备或重新配置网络并恢复同步的时间。

在传统SONET/SDH网络中，数据的有效传输依赖于准确且稳定的频率同步。这是通过将所有网络设备同步到一个称为主参考时钟（PRC）的共同参考点来实现的。在这种同步方案中，几层保持时间同步保护允许设备在问题解决之前继续以最小中断运行。通常，使用如恒温晶体振荡器（OCXO）或温度补偿晶体振荡器（TCXO）等本地振荡器，设备可以在保持时间同步模式下维持频率同步长达24小时，因为这些振荡器的稳定性足以实现所需的保持时间同步性能。

依赖于频率和相位同步的网络需要另一种方法。这对于5G移动网络尤其如此，因为在5G 网络中，两个无线电塔之间的相位同步预计将在3微秒以内。使用本地振荡器的保持时间同步无法实现与仅依赖频率同步的网络相同的24小时保持时间同步期。

一种将频率和相位同步分配到网络终端的方法是，在网络边缘的节点上安装全球导航卫星系统（GNSS）接收器。第二种方法是在中心位置放置一个基于GNSS的主参考时间时钟（PRTC），并使用IEEE 1588精确时间协议（PTP）将频率和相位同步分配到边缘节点。这两种方法都在下面的图中进行了说明。

国际电信联盟定义了两种使用精确时间协议（PTP）分发时间同步的网络拓扑结构，分别是完全时间支持（FTS）和部分时间支持（PTS），如图1.2所示。在FTS网络中，除了提供物理层同步（如同步以太网SyncE）的支持外，所有节点都配备了处理PTP数据包的功能。电信边界时钟（T-BC）是在FTS网络中处理PTP消息的一个节点示例。PTP与SyncE的结合提供了一个很好的解决方案，适用于需要准确且稳定的相位同步的场景。PTP是频率、相位和时间同步的主要来源，而SyncE在PTP暂时不可用时（如保持时间同步期间）提供额外的频率稳定。

另一方面，PTS网络则在可能无法处理PTP且可能不支持SyncE的节点之间分发同步。这些网络的传输路径往往更短，节点更少，但仍然可以提供良好的性能。

在PTS网络中，通常存在两种类型的终端节点：

一种是辅助从时钟（T-TSC-A），它使用全球导航卫星系统（GNSS）作为主要同步源，而以PTP作为保持时间同步的备用源。

另一种是带有额外数据包延迟滤波的从时钟（T-TSC-P），并且可能以SyncE作为保持时间同步的备用源。请注意，在PTS网络中，SyncE并不总是可用，因此在这种情况下，需要一个稳定的本地振荡器在从节点上提供保持时间同步的功能。这些时钟管理保持时间同步的方法如下图所示。

辅助部分时间支持（APTS）是PTS网络的一种特殊情况，它在网络边缘配备了APTS时钟，如图1.3所示。在这里，GNSS接收器作为提供时间同步的主要源，而PTP则用作保持时间同步的参考。

2. 关于网络限制的保持性能要求

24小时保持性能的要求起源于仅支持频率同步的传统SONET/SDH网络。这一保持期限为技术人员提供了足够的时间来修复同步链中的故障。同时，它也允许依赖网络提供的稳定频率参考来维持其3GPP规定的±50ppb频率准确度的终端应用（如移动通信无线电）正常运行。为了满足这些要求，使用了在24小时内具有±37ppb稳定性的Stratum-3级恒温晶体振荡器（OCXO）。

5G 网络中TDD移动通信无线电的发展对同步网络提出了更为严格的要求。无线电不仅需要满足±50ppb的频率要求，还需要确保无线电塔之间的相位对齐在3微秒以内，以保证正确的呼叫切换。国际电信联盟制定了新的标准，并提出了预算方案，为同步路径分配相位误差限制，以确保每个无线电设备在网络中的共同参考点处的相位误差在±1.5微秒以内。ITU-T G.8271.1定义了完全时间支持网络的预算，而G.8271.2则涵盖了部分时间支持网络的预算。

下面的图片显示了G.8271.1和G.8271.2定义的网络参考模型，以及针对不同故障场景提出的相位误差限制。根据场景的不同，预计保持性能可以将时间误差维持在±250纳秒以内。网络节点的不同类别由G.8273.2标准定义。

以下部分将比较实现这一相位精度级别的保持性能的实际方案。

3. 在完全时间支持网络中实现保持性能

在完全时间支持网络中，同步路径中的每个节点都了解精确时间协议（PTP），并支持同步以太网（SyncE）。使用Skyworks时钟设备和AccuTime软件在完全时间支持网络中实现的典型电信边界时钟（T-BC）/电信从时钟（T-TSC）方案如下图所示。在正常操作模式下，PTP伺服系统控制数字控制振荡器（DCO），该振荡器用于为时间显示（ToD）计数器生成同步频率。恢复的SyncE时钟在DCO更新之间为1588锁相环（PLL）提供频率稳定性，并为SyncE PLL提供稳定参考。

图3.1 使用Skyworks时钟设备和AccuTime软件在FTS网络中实现T-BC/T-TSC

下图显示了该系统在与理想的PTP和SyncE源同步时的时间误差测量结果。数据已经过归一化处理，以消除任何恒定时间误差或路径延迟不对称性。振荡器也保持在25℃的受控环境中，并在开始测试前静置一天。目的是观察在24小时内同步时输出时钟的稳定性。数据显示，使用恒温晶体振荡器（OCXO）和温补晶体振荡器（TCXO）时的时间误差性能几乎完全相同。这表明，当有SyncE源可用时，参考振荡器的稳定性影响要小得多。然而，应该记住的是，这是一个理想的、无漂移的SyncE源。

这段描述提供了一个实验场景和结果，其中重点是在FTS网络中实施T-BC/T-TSC时，同步源（PTP和SyncE）对时钟稳定性的影响。实验结果显示，在SyncE源可用的情况下，参考振荡器的稳定性对系统性能的影响较小，这表明SyncE源在提供稳定时钟信号方面具有较高的可靠性。同时，实验也强调了测试环境的控制对于准确评估时钟性能的重要性。

图3.2. 使用PTP加SyncE同步的时间误差性能

当PTP不可用时，SyncE成为稳定性的主要来源，而OCXO或TCXO则提供了额外的稳定层级。下面的图片展示了这种情况下的时间误差性能。

这也展示了出色的时间误差性能。从这里展示的数据可以清楚地看出，使用SyncE作为稳定化源的保持性能轻松满足了24小时的保持要求。

这段描述指出，在PTP不可用的场景下，SyncE能够有效地维持系统的稳定性，并且与OCXO或TCXO结合使用时，能够展现出优异的时间误差性能。实验结果表明，这种配置下的保持性能完全能够满足24小时的保持要求，这进一步证明了SyncE在提供稳定时钟信号方面的重要性。

4. 在部分时间支持网络中实现保持性能

如前一节所示，当PTP不可用时，SyncE提供了一个极好的保持性能来源。然而，部分时间支持网络可能不具备SyncE，因此需要使用其他保持性能方法。辅助部分时间同步时钟（如T-TSC-A）以不同的方式解决了保持性能问题。它的主要同步来源是全球导航卫星系统（GNSS）。作为备份，如果GNSS失效，PTP可作为保持性能的参考。假设SyncE不可用，PTP伺服系统将以恒温晶体振荡器（OCXO）或温补晶体振荡器（TCXO）作为稳定化来源运行。图4.1展示了使用Skyworks时钟设备和AccuTime软件的典型实现。下面的图表展示了这种情况下的时间误差测量结果。

这段描述介绍了在部分时间支持网络中实现保持性能的另一种方法，即使用辅助部分时间同步时钟（如T-TSC-A）。这种方法主要依赖GNSS进行同步，而在GNSS失效时，则使用PTP作为保持性能的参考。实验结果表明，即使在没有SyncE的情况下，通过PTP伺服系统和OCXO或TCXO的配合，仍然能够实现优异的时间误差性能。