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本地承载网北斗授时同步时钟改造研究

潘潇1，徐伟民2，叶红3

四川通信科研规划设计有限责任公司，四川，成都，610041

摘要：同步网是现代通信网的三大支撑网之一，随着宽带数据业务的大规模建设，4G/5G的建设，国家对网络安全的重视，同步网北斗授时的改造也逐渐由全国骨干网、省级骨干网渗透到地市本地网。站在本地承载网的角度，本文从改造和对接两个维度分10个场景进行探讨研究。

关键词：北斗；本地承载网；时钟同步

中图分类号：文献标识码：文章编号：1002-0802(2013)08-0000-00（5号宋体）

digital synchronization network of Local BDS transformation

PanXiao1，Xu Weimin2，Ye Hong3

（Sichuan Communication Research and Design Co., Ltd., Chengdu Sichuan 610041, China）

Abstract：Digital synchironization network is one of the three supporting network of modern communication system,with the large-scale construction of Broadband and 4G/5G, the importance of the state to network security，BDS transformation has gradually reconstructed from national backbone network and provincial backbone network to local networks. From the perspective of local network, this paper is pided into 10 scenarios from two dimensions of transformation and docking.

Key words：BDS; Local Network; Digital Synchronization

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0 引言

关键技术是要不来、买不来、讨不来的，从1993年的银河号事件，2018年美国制裁中兴事件，2019年美国制裁华为事件，再到2022年的俄罗斯乌克兰的战争，只有自己手里掌握关键技术，才能从根本上保障国家经济安全、国防安全和其他安全。

通信网作为国家基础网络的重要组成部分，不仅仅是国家安全的重要基础，也是经济安全、社会安全、民生安全的重要保障，为实现通信领域关键能力自主可控，通信网北斗授时系统的改造势在必行[1]。

1  背景及网络架构

1.1概要

中国北斗卫星导航系统（BDS ，Bei Dou Navigation Satellite System）是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设运行的全球卫星导航系统，经过近20年的发展， 已成为继美国GPS、俄罗斯GLONASS之后的第三个成熟的卫星导航系统。

北斗授时系统提供服务以来，已在交通运输、农林渔业、水文监测、气象测报、通信授时、电力调度、救灾减灾、公共安全等领域得到广泛应用，服务国家重要基础设施，产生了显著的经济效益和社会效益。当前北斗系统的授时精度等关键指标，已经具备全面替代GPS授时系统的能力[2]。

运营商现有时钟同步网、4G 基站等均以GPS 作为主用时钟源，而美国政府从未对GPS信号的质量及使用期限给予任何的承诺和保证，且其还具有对特定区域GPS信号进行严重降质的能力，为进一步保障业务安全性，确保GPS 失效时网络的正常运行，需要重新部署时钟同步网设备和地面同步链路，支持BDS/GPS 双模授时，“时间+频率”统一提供，为4/5G 基站、语音核心网、OTN/SDH网、IT 支撑系统等提供BDS/GPS 双模同步源。

1.2同步时钟授时系统现状

由于铯钟为进口设备，设备造价较高，所以传统同步网架构为全网基准时钟（PRC，Primary Reference Clock）+区域基准时钟（LPR，Local Primary Reference）+本地大楼综合定时供给系统（BITS，Building Integrated Timing Supply）设备构成。此种架构减少了PRC的数量，并以 LPR 为分省 1 级钟，LPR在 GPS 失效时会降级为 2 级钟。其中：

（1）现有频率同步网由骨干（PRC+LPR）和本地BITS 设备构成。同步网设备以卫星定位系统为主用同步源，通过省际和省内SDH 系统进行地面频率同步传递，用于卫星系统故障时，下级时钟设备跟踪上级时钟设备。主要满足语音核心网（TDM 网元）和OTN/SDH 网（基于VC的组网型专线）频率同步需求

[3]。

（2）现有时间同步网采用NTP （Network Time Protocol网络时间协议）时间同步技术（ms 级[4]），由一级服务器和二级服务器构成。时间服务器以卫星系统为主用同步源，通过一干网络进行地面频率同步传递，向各机房的语音核心网（IP 化网元）、IT 支撑系统传递NTP 时间同步信息；同时用于卫星系统故障时，下级时间服务器跟踪上级时间服务器[5]。

2  本地承载网北斗授时改造方案

当前国产铯钟技术已成熟，价格有较大下降，在时钟同步网改造时，应简化同步网结构，由原来的区域+省+本地三级架构，优化为省+本地两级架构。即以省为单位组织时钟同步网建设，负责时钟同步网设备新建和地面同步链路部署，统一为语音核心网、OTN/SDH 系统、4/5G 基站、IT支撑系统提供“时间+频率”地面同步源。

图1  北斗授时示意图

现阶段以省为单位的省级钟PRC和内置铷钟的BITS，以及以本地网为单位部署本地基准钟（MPR，Metro Primary Reference）和相关BITS 内置铷钟的BDS/GPS双模授时已改造完成，而本地承载网北斗授时同步时钟改造也即将提上日程。

在本地承载网北斗授时改造时，可分场景进行改造，实现通过承载网向基站授时。

2.1业务需求

现有同步网主要用于满足交换网频率同步需求和 IT 支撑系统的NTP 时间同步需求，无法支持 BDS，无法提供移动网基站高精度的PTP（Precision Time Protocol精确时间同步协议）时间同步需求。

对移动网基站来说，2G、3G、5G 基站均需要频率和时间同步，其中频率同步为时间同步的基础； 4G 基站本身仅需要频率同步，4/5G 切换场景要求 4G基站也进行时间同步，避免 4/5G 切换失败。在同步精度上，频率同步精度要求为 50ppb， 2G、3G、5G 基站时间同步精度要求为±1.5µs。

目前时钟同步网并未通过本地承载网向 2G、 3G、 4G、 5G 基站提供地面同步（除少数特殊区域基站覆盖）。移动网基站通过安装卫星接收天线和接收卡方式，分基站接收卫星同步信号，其中 2G、3G、4G 基站接收 GPS 同步信号，5G 基站 BDS/GPS 双模接收。若 GPS 失效，2G、3G、4G 会出现业务损伤，影响语音和数据业务，同时 4/5G 基站无法切换，数据业务需重连，对处于连续移动中、处于 4/5G 边界切换的实时响应型应用（如实时对战型手游）会有影响。

2.2改造原则

（1）区分场景，问题导向，按需改造存在问题的段落。对于5G基站和5G 覆盖区域的4G 基站， 时间同步精度要求为±1.5μs，WDM/OTN 不能透传STN 链路， 需考虑承载网改造。

（2）多措并举，根据现网实际情况，按照时间短、投资少、对业务影响尽可能小的原则开展改造工作。

2.2场景分析

为满足移动网基站的地面同步需求，以本地网为单位部署的支持IEEE1588v2协议的同步承载设备MPR应与现有的本地承载网对接，其中频率同步采用同步以太网技术（SyncE，Synchronous Ethernet），时间同步网采用PTP协议，随业务流传递SyncE+PTP（1588v2）信息，向移动网基站提供 BDS“时间+频率”同步信号。而在传递过程中，可以发现，业务流的传递可分为两部分（图1），其中一部分是通过波分承载的部分STN/IPRAN段落，这部分波分系统由于原未按支持PTP进行配置，因此需改造，改造后通过波分系统传递SyncE+PTP（1588v2）信息，向STN/IPRAN设备提供BD“时间+频率”同步信号；而另一部分是各本地网核心机楼MPR与STN/IPRAN-ER 对接，随“城域ER-汇聚ER-B-A”业务流传递SyncE+PTP(1588v2)信息，向基站提供BD“时间+频率”同步信号。

2.3改造维度4个场景方案

从改造维度来看，由于1588v2 协议通过协议包发送与接收的时间戳，即通过主时钟（Master）与从时钟（Slave）之间进行PTP报文交互，完成时延（delay）和时间偏差的测量，精确计算两点间往返信息的时延，从而可以精确传送高精度时间信息，但其基本前提是两点间协议包传送时延相同，因此要求传递路径上的光纤对称，如果光纤不对称，则导致两点间的时延计算错误，则时间信息的传送将引入较大误差。因此对于WDM/OTN 承载的STN/IPRAN 链路， WDM /OTN 透传时间时钟同步信号精度达不到要求，需进行WDM/OTN网络改造，共4个场景：

（1）场景1：IPRAN-B设备上行链路通过波分承载，但在同局址有STN-A2设备，且STN-A2环为裸纤承载。

改造方案：因原有波分系统不支持PTP，所以时间和频率同步信息无法从ER设备经波分系统注入至IPRAN-B设备，此场景可直接通过STN-A2给IPRAN-B设备授时。

在本端IPRAN-B设备与对端STN-A2之间，单独配置1条GE业务通道，带外传递时钟。IPRAN-B端口原则上利旧或腾挪，STN-A2端口可按需扩容。

（2）场景2：IPRAN-B设备上行链路通过波分承载，同局无STN-A2，距离＜80KM，且有空余纤芯。

改造方案：由于分组设备的光口传输距离最长支持为80KM，因此可在IPRAN-B设备与ER设备之间的光缆梳理出一根纤芯。即在本端IPRAN-B设备与对端汇聚ER/城域ER之间，单独配置1条GE业务通道，带外传递时钟。

若对端设备无低速端口，可在ER同局设置一个STN-A1设备。STN-A1通过10G链路与ER对接，同时综合考虑投资及业务接入，可规划提供4个GE接口用于带外授时。

（3）场景3： STN/IPRAN链路均通过波分承载，同局无STN-A2，距离＞80KM，或无纤芯资源。

改造方案：在波分系统中，支持PTP信息传输的同步信息通道（SMC，Synchronization messaging channel）是通过光监控信道（OSC，Optical Supervisory Channel）的带管理的多路OTU（MOTUm，Multi-OTU with management）接口来承载的。

但是，由于PTP协议是建立在Master与Slave之间的收发链路延时对称的基础上，为避免实际网络中的光纤收发物理长度不对称造成的双向延时不对称而导致的同步误差引入可能，需WDM/OTN 逐站点将OSC 通道的光模块更换为单纤双向，并配置相关时钟处理或接口板，通过WDM/OTN 同步信号输出接口给同局站 STN/IPRAN设备授时。

（4）场景4：WDM/OTN无法改造，或时钟链路超过20跳，或基站改造卫星接收机成本低于承载网改造。

改造方案：4G基站侧改造BD卫星接收机（更换蘑菇头+主控板+接收卡）[6]。

2.4对接维度6个场景方案

从对接维度来看，根据BD授时业务流向（图1），涉及BITS至STN系统、BITS至波分系统、STN系统间及STN系统至波分系统对接，共6个场景：

（1）场景1：BITS向城域ER设备授时。

对接方案： BITS设备时钟板GE口与城域ER业务板GE口对接。 若城域ER设备无GE端口，可在ER同局设置一个STN-A1设备。STN-A1通过10G链路与ER对接，同时提供4个GE接口可用于对接BTIS设备及带外授时。

（2）场景2：BITS向市县波分系统授时。

对接方案：BITS设备GE时钟输出口与市县波分时钟板GE口对接。

（3）场景3：市县波分向汇聚ER/B设备授时。

对接方案：市县波分向同局其中1台汇聚ER/B设备授时，再由该汇聚ER/B设备向同局其他B设备授时。市县波分时钟板GE口与汇聚ER/B设备业务板GE口对接，汇聚ER/B设备业务板GE口与其他B设备业务板GE口对接。

（4）场景4：汇聚ER/B设备向县乡波分授时。

对接方案：汇聚ER/B设备业务板GE口与县乡波分时钟板GE口对接。

（5）场景5：STN-A2设备向同局IPRAN-B/A设备授时。

对接方案：STN-A2设备业务板GE口与IPRAN-B/A业务板GE口对接。

（6）场景6：承载网改造后，A设备向4G/5G基站授时。

对接方案：利旧原BBU-A链路，随原有业务流传递SyncE+PTP(1588v2)信息，向基站提供BD“时间+频率”同步信号。

2.5同步链路安排

为保证精确时间传递，整个 1588v2 时间域都需要频率同步作为支持基础，同时其同步规划应遵循频率同步网的组网原则。因此整个网络在定时链路组织、选源机制等方面形成两个相互独立的逻辑层面：频率层和时间层，通常采用 SyncE+PTP 方式（使用范围包括时间服务器与回传网络之间，回传网络内部，回传网络不同设备形态之间，回传网络与基站之间）。其中，频率同步采用同步以太网技术，时间同步遵循PTP协议。

图2  北斗授时同步链路安排示意

根据ITU-T G.803、G.823、G.825，结合运营商时钟同步网部署实际情况，时间链路应为 ITU-TG.8273.2 规定的 ClassC 或更高精度等级， 每两个同步网节点网元之间或最末端同步网节点网元个数最多不应不超过20个，在实际应用中，应尽量不超过10个，保证末端输出。5G 基站和 5G 覆盖区域的 4G 基站时间信号偏差相对于 UTC 不大于±1.5µs，频率信号频偏小于 50ppb。

表1  ITU-TG.8273.2精度等级

改造完成后，1588v2 高精度时间服务器输出的标准频率和时间参考信号通过STN/IP RAN 的城域 ER-汇聚 ER-B-A 链路传递至 4G、5G 基站。时间和频率同步信息在城域 ER 注入， ER 采用 GE 接口分别连接主备本地钟的 BITS，在同一个接口内同时传递 SyncE 和 PTP 消息。时间同步和频率同步信息在 STN/IPRAN 网络内随业务流带内传递，每台 A、B设备通过 最佳主时钟（BMC，Best Master Clock） 算法优选时间同步主 master，通过 SyncE 逐跳锁定频率同步信息。

结语

采用BDS/GPS双模方式，有助于消除通信网络在原有GPS依赖模式下的网络风险，作为北斗授时同步时钟改造最后一环的本地承载网意义重大。通过对同步时钟网、承载网和移动基站进行新建/改造，提供北斗授时，强化信息通信网络的北斗应用支撑能力，显著提升信息通信领域北斗规模应用水平，助力北斗产业发展和“走出去”。

改造后，新建基站采用北斗/GPS授时双模备份，且优先使用北斗授时功能，其中5G基站以STN业务流传送的BD授时作为备用，主用为基站BD卫星接收机；4G基站主用为STN地面授时，承载网无法改造的，或超过20跳的，或改造卫星接收机成本低的，可改造BD卫星接收机。另外对于采用GPS授时的CDMA基站，积极推动其原有2G/3G用户使用4G/5G网络服务，通过网络的迭代升级，逐步实现北斗/GPS双模设备替代单模设备的目标。

参考文献：

[1]工业和信息化部.“十四五”信息通信行业发展规划[EB/OL]. [2021-11-16]https://www.miit.gov.cn/zwgk/

zcwj/wjfb/tz/art/2021/art_3a0b0c726bd94b7d9b5092770d581c73.html:15.

[2]中国政府网.中国北斗 服务全球——写在我国完成北斗全球卫星导航系统星座部署之际[EB/OL]. [2020-06-23]

http://www.gov.cn/xinwen/2020-06/23/content_5521303.htm.

[3]住房和城乡建设部.GB-T 51117-2015 数字同步网工程技术规范[S].北京:住房和城乡建设部,2015.

[4] 赵红,周春福,张春,赵新胜.IEEE1588 在混合网络中性能分析[J].通信技术,2010,43(10):89-91.

[5]中国通信标准化协会. YD/T 2375-2019 高精度时间同步技术要求[S].北京:中国通信标准化协会,2019.

[6]江华.北斗在移动通信中的应用技术研究[J].移动通信,2016,40(4): 64-67.

作者简介：

潘潇（1980-），男，本科，工程师，19年承载网网络规划与工程实践经验，主要研究方向：通信传输网络。

徐伟民（1982-），男，研究生，高级工程师，13年承载网网络规划与工程实践经验，主要研究方向：通信传输网络。

叶红（1984-），女，本科，工程师，15年承载网网络规划与工程实践经验，主要研究方向：通信传输网络。