LTE基站时间同步技术解决方案

摘要：IEEE 1588 v2时间同步协议的成熟，为利用地面承载网传送时间同步信息创造了条件。本文首先介绍了IEEE 1588 v2时间同步协议、LTE网络架构、移动本地传送网的网络架构，然后介绍基于PTN和OTN传送平台的时间同步传送技术方案，解决LTE基站时间同步问题。

关键词: 时间同步协议；时钟同步模式；LTE网络；传送网；OTN；PTN

中图分类号：G876文献标识码： A 文章编号：

引言：

LTE无线接入技术不仅需要频率同步，还需要精确的时间同步，其精度要求为3μs。一般来说，LTE网络采用基站内置GPS来实现时间同步，是最直接和最成熟的方案。但是这种方案存在故障率高、成本高、GPS天线安装寻址困难、安装工程量大、加重投资成本和维护困难等问题，越来越多的密集区域基站和室内覆盖系统进一步加剧了GPS天线部署的难度。有必要通过其他途径来解决基站的时间同步问题。基于具有IEEE 1588 v2时间同步协议功能的PTN和OTN传送平台，实现地面传送时间同步信息，是完美的解决方案。

1. IEEE 1588 v2时间同步协议

1.1 IEEE 1588 v2简介

IEEE 1588协议的全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准”，是通用的提升网络系统定时同步能力的规范，使分布式通信网络能够具有严格的定时同步。基本构思是通过硬件和软件将网络设备（客户机）的内时钟与主控机的主时钟实现同步，提供同步建立时间小于10μs的运用，与IEEE 1588协议的以太网延迟时间1，000μs相比，整个网络的定时同步指标有显著的改善。

IEEE 1588协议目前已发展到v2版本。1588v2对v1进行了完善，提高了同步的精度；引入透明时钟TC模式，包括E2E透明时钟和P2P透明时钟，计算中间网络设备引入的驻留时间，从而实现主从间精确时间同步，并新增端口间延时测量机制等，通过非对称校正减少了大型网络拓扑中的积聚错误。

1.2 IEEE 1588 v2时钟同步模式

1588v2有3种时钟模式：普通时钟（OC）、边界时钟（BC）和透明时钟（TC）。OC通常是网络始端或终端设备，该设备只有一个1588端口且只能作为Slave（从端口）或Master（主端口）。BC是网络中间节点时钟设备，该设备有多个1588端口，其中一个端口可作为Slave，设备系统时钟的频率和时间同步于上一级设备，其他端口作为Master，可以实现逐级的时间传递。TC是网络中间节点时钟设备，可分为E2E（EndtoEnd）和P2P（PeertoPeer）两种。

1.3 IEEE 1588 v2时钟同步过程

IEEE 1588 v2时钟同步架构如下图所示：

图1 IEEE 1588 v2时钟同步架构

IEEE 1588 v2时钟同步过程：

a.识别主时钟：对于从时钟，只有识别和获取到网络中的主时钟，才能保持和主时间和时钟同步。IEEE 1588 v2协议中，从时钟通过BMC（最佳时钟算法）来识别网络中的主时钟，并建立主从关系；

b.主时钟将其时间和时钟同步信息通过传输网络传播给所有需要同步的网络节点；

c.从节点计算它们与主时钟之间的时间偏差和传输延迟，并进行对应的修正，以保持与主时钟在时间和时钟上的同步；

d.重复上述操作。

1.4 IEEE 1588 v2时钟同步算法

1588v2最重要的技术是BMC算法（Best Master Clock Algorithm，最佳主时钟算法），其作用为：建立主从同步链，保证时钟路由不成环；支持多个时间源的自由选择和自动切换；主用时钟链路出现故障后，能自动快速倒换到备用时钟链路。本地时钟通过BMC算法来决策哪个时钟是最好的，并据此来决定端口的下一个状态值是Master、Slave还是Passive。在PTN中，1588v2实现时间同步主要有BC和TC两种模式。

2. LTE网络架构

LTE网络由两大部分组成：E-UTRAN和EPC。E-UTRAN由eNB构成；EPC（Evolved Packet Core）由MME（Mobility Management Entity）、S-GW（Serving Gateway）及P-GW（PDN Gateway）构成。

E-UTRAN与EPC之间通过S1接口连接，E-UTRAN内各eNB之间通过X2接口连接。

图2 LTE网络架构

3. 移动本地传送网的网络架构

移动本地网一般分为骨干层、汇聚层、接入层三个层级。骨干层采用OTN设备组网，汇聚层和接入层采用PTN设备组网。这种网络架构，充分利用OTN将上联业务调度至PTN所属业务落地点。在联合组网模式中，OTN不仅仅是一种承载手段，还通过其对骨干节点上联的GE/10GE业务与所属交叉落地设备之间进行调度，其上联GE/10GE通道的数量可以根据该PTN中实际接入的业务总数按需配置，从而极大地简化了骨干节点与核心节点之间的网络组建，避免了在PTN独立组网模式中，因某节点业务容里升级而引起的环路上所有节点设备必须升级的情况，极大地节省了网络投资。

图3移动本地传送网的网络架构

4. 基于PTN平台传送同步时间信息

绝大部分厂家的PTN设备已经具备支持IEEE 1588 v2时间同步功能。在PTN网络中，每个PTN子网都需要选两个节点引入时间源，一路作为主用时间、一路作为备用时间。其他节点都作为从节点同步时间。时间同步信息经过PTN网络传送至其所带的所有基站。详见下图：

图4基于PTN平台传送同步时间信息

提供时间源的设备，其时间取自于外部基准时间（从GPS或者北斗卫星获取基准时间）。时间源设备对整个无线网络的性能的影响是巨大的，其可靠性、频率稳定度、时间同步精度等要求必须高，优于LTE基站的时间同步偏差标准。

通过独立的PTN网络传送时间同步信息，有其局限性：一方面，需要在每个PTN子网都部署时间源设备，节点数量庞大，需增加额外的投资和维护力量；另一方面，时间源设备的GPS接收系统出现故障时容易使各PTN子网形成孤立的同步岛，从而影响各同步区域之间的空中接口效率和切换成功率。

5. 基于OTN+PTN平台传送同步时间信息

搭建OTN网络的设备，需支持IEEE 1588 v2时间同步协议功能。达到这个要求，需解决两个方面的难点：首先，OTN采用的是透明、异步复用技术，并不需要负责同步处理，如果开通时间同步功能，必须要增加时间处理模块；其次，支持IEEE 1588 v2并提供延时补偿等功能，需要对线路传送模块进行改造以提供IEEE 1588 v2报文的处理功能。

在OTN支持IEEE 1588 v2时间同步协议功能的前提条件下，才能搭建真正的端到端的时间同步传送网络，整体的解决方案如图5所示。核心骨干层OTN设备首先从互为备份的多个时间源设备获取时间信息，经OTN网络将时间同步信息传送到各个PTN子网，PTN将时间同步信息传送到LTE无线基站。

图5基于OTN+PTN平台传送同步时间信息

与基于独立PTN网络时间同步传送方案相比，该方案明显减少了对基准时间源的需求，降低了运营商的投资成本和维护成本。

6. 总结

采用支持IEEE 1588 v2时间同步协议功能的OTN+PTN端到端组网方案，切底解决了时间同步信号端到端的地面传送问题，完全满足LTE网络的GPS时间同步地面传送替代要求。

参考文献:

[1] 四川移动，TD-SCDMA基于MSTP的1588V2高精度地面同步信号传送技术实现GPS，四川：中国移动通信集团四川分公司，2011

[2] 大唐移动，LTE系统网络架构，上海：大唐移动客户中心（上海）网络规划优化部，2009

[3] 常习海、田凡，PTN 1588v2时间同步技术分析，C114中国通信网，

[4] 王晓义，基于OTN的1588v2时间同步传送技术及其应用，浙江：电信技术，2010

作者简介：黄启邦，男，中睿通信规划设计有限公司（原广东省通信产业服务有限公司咨询设计分公司）核心网络设计院项目经理。主要从事电信网络交换、传输方面工程设计。