基于SDH的PTP时间同步技术实现＊

赵庆凯 国网冀北电力有限公司高级工程师

李舒婷 国网福建省电力有限公司高级工程师

潘 峰 中国信息通信研究院通信标准研究所工程师

胡昌军 中国信息通信研究院通信标准研究所高级工程师

1 引言

随着通信、电力、测量与控制、工业制造与自动化、军事、航天等领域对时间同步的要求越来越高，出现了各种高精度的时间同步技术，主要包括IRIG-B、DTI、SNTP、NTP、cc NTP、IEEE1588（PTP）等。结合不同领域对时间同步的性能需求和其自身网络的特点，必须采用合适的时间同步技术才能保证整个网络的安全可靠运行。本文对PTP时间同步技术的相关特点做了简要的介绍，并分析了基于SDH和分组网络采用PTP技术的各自特点。

2 PTP关键技术简介

2.1 时间精度

PTP（Precison Time Protocol）协议能取得高精度对时的主要原因是采用了现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）技术，在物理层通过专用硬件进行时间标记，同时还采用了最佳主时钟（BestMasterClock，BMC）算法。PTP继承了NTP基于局域网的低花费模式，同时又提供了优于IRIG-B的对时精确度，并且PTP能在SDH、PTN、IP-RAN、OTN等多种传输网络中进行传输。

2.2 PTP承载方式

在通信网络中，PTP在网络中可能的时间戳标记点位于物理层或驱动层，其报文在主时钟与从时钟之间双向传递，属于应用层协议。PTP协议传输的承载方式主要包括基于SDH、OTN网络和基于分组（PTN、IP-RAN）网络等进行承载，每种网络环境下进行PTP时间同步均有其各自的特点。本文重点介绍基于SDH网络的PTP同步方式。

3 基于SDH网络的PTP同步技术

3.1 技术背景

目前，SDH网络在我国的公众网和各专网中被大量部署并运行，其本身是严格同步的，从而保证了整个网络稳定可靠，误码少，且便于复用和调整。通过SDH 2M通道即E1来传输PTP时间，组建时间同步网，无疑是一种非常好的解决方式。

3.2 现网测试验证

在现网中，通过如图1所示的配置搭建测试环境，通过两种不同的SDH网络环境分别测试并进行对比。

图1 现网测试配置图

现网测试采用绝对测量与相对测量两种测试方法。其中，绝对测量是以GPS/北斗卫星为参考点，对经过SDH传输网和从时钟设备输出参考点处的时间误差进行测量，这里假设测试时间测试仪和被测Grandmaster设备是同源的，且测试所用天馈线相同，因此进行绝对测量时可认为测量仪表未引入额外的固定时延误差；而相对测量测试的是GM输出参考点与经过SDH传输网和从时钟设备输出参考点处的时间误差以及频率相位差。

其中，测试的SDH传输网分别配置两种场景，其中场景1参照了ITU-T 60个SDH节点的极长链路模型，为ITU-T建议的定时长链路的极端情况，其中有3个SDH节点处于自由振荡状态；场景2选取32个SDH网元的极长链路场景进行测试验证，以反映一般较长的真实网络性能的情形。

表1为某厂家的设备在不同时间精度下的对比情况。从表中可知，在测试环境2的情况下，即所有网元频率同步时，无论是绝对测试还是相对测试，经过从时钟后恢复出的时间精度峰峰值均小于1μs，在测试环境1的情况下，即存在网元不同步的情况下，无论是绝对测试还是相对测试，经过从时钟后恢复出的时间精度峰峰值都大于1μs，可见网元在自由振动的情况下，会出现“指针调整”，这会影响从时钟恢复时间的性能。

同时，通过对从时钟频率的输出测量结果（见图2）可知，在测试环境1的情况下其E1输出会出现2μs左右的跳变，也可推断出“指针调整”会影响从时钟的频率性能恢复。
对于以上两种测试环境，PTP在SDH网络中经过FE/E1协议转换器后存在微秒级的抖动，同时线路中还存在日昼温差变化的低频噪声，从时钟通过其包过滤、包选择算法后能过滤SDH网络中的这些噪声，从而恢复出满足网络要求的时间和频率。

表1 不同环境下时间精度对比结果

4 基于SDH与分组网络的PTP同步技术的区别

4.1 组网应用方式的区别

图2 两种测试场景从时钟的频率输出测试对比

在SDH网络中，由于SDH网络通过STM-N传送频率信号的技术已成熟并广泛应用于实际的网络中，所以SDH网络中物理层的频率同步采用STM-N线路信号进行传送，对于时间信号则可利用PTP报文通过SDH设备的E1通道进行传送。由于PTP同步技术是基于以太网基础上运行的，在SDH网络上传输PTP需要进行协议转换，即在FE与E1间进行转换。

基于分组网络的PTP应用其频率同步包括基于同步以太和PTP报文进行同步，其时间同步采用基于PTP报文进行。其中，采用基于同步以太实现频率同步和基于PTP报文实现时间同步的方式，其输出的同步性能要优于采用基于PTP报文同时实现频率同步和时间同步方式时输出的同步性能，这主要是由分组网络中的分组时延变化所引起。

4.2 同步精度的区别

通过实验室和现网验证可知，在SDH网络中，利用PTP在E1通道中进行时间传递的精度在百纳秒量级。在分组网络中，PTP采用BC模式逐点同步方式，在对不同厂家多个网元进行级联组网测试时，其24h的长期精度均满足规范的要求。具体测试结果见表2。

表2 BC模式下各厂家设备组网测试长期精度

由表2可知，各厂家在BC工作模式下，多个节点级联组网时，网络输出相对时间精度均优于100ns，这将能保证端到端的时间同步性能更优。也说明了分组网络中，采用同步以太传送频率与PTP传送时间方式，其恢复的时间精度要优于SDH网络中利用E1通道传送PTP报文恢复出的时间精度，因为采用BC模式，逐点处理方式抵消了网络中的分组时延变化尤其是路由的不对称性带来的对同步性能的影响。

4.3 同步性能影响因素的区别

在SDH网络中影响PTP传送频率和时间信号的因素主要包括：协议转换器引起的时延抖动、网络的日昼漂移噪声和SDH网络本身的“指针调整”带来的损伤。在分组网络中影响PTP传送频率和时间信号的因素主要包括：随机延迟变化、低频延迟变化、系统性延迟变化、路由重组和拥塞效应等引起的分组延迟变化。对于不同的性能影响因素，应采用不同的算法和组网方式来减少或避免这些因素引起的同步性能损伤。

5 结束语

在SDH网络中利用PTP技术实现时间同步，为达到更优的时间同步性能，应减小协议转换器引起的固定延时抖动，设计更好的从时钟算法抑制“指针调整”带来的损伤，同时也可以考虑利用更高速率的传输通道来传送PTP报文，例如VC-4、VC-3通道。无论是SDH网络还是分组网络，网络节点数的多少、节点本振的精度、路由的长度都会影响PTP传送频率和时间信号的性能。如何规划和组织相应的频率同步和时间同步网，保证通信网络的同步性能最优，系统运行更稳定，将成为未来同步网的研究重点。

1 IEEE 1588-2008.IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems.2008