PTP在TETRA集群通信系统中的应用研究

林赟，刘洋，王凯

（海能达通信股份有限公司，广东 深圳 518057）

1 引言

移动通信系统均有严格的时钟同步要求，以确保系统的正常工作，因此移动通信系统的研发设计和工程实施一直都面临着挑战。

PTP（Precision Time Protocol，精密时钟同步协议）是一种基于分组网络的同步技术，目前在公用移动通信网络中应用较为广泛，而在专用移动通信网络中的应用则严重滞后。在专用移动通信领域，海能达公司率先将PTP同步技术应用到了新的TETRA 2代基站产品上。文章对比了传统同步方式和PTP同步方式的优劣，阐述了PTP 同步技术在海能达TETRA 数字集群通信系统中的实际应用情况，并对PTP同步机制、性能及网络要求等方面进行了测试验证。海能达TETRA 2代基站如图1所示。

2 PTP及时钟同步技术简介

2.1 时钟同步的概念

时钟同步包括频率同步和时间同步两个方面。

频率同步指信号之间的频率保持某种严格的特定关系，以此维持各个节点以相同的频率运行。例如基站的载波频率要满足一定的精度。

时间同步，又称为相位同步，是指各个节点的时刻保持一致。例如，基于协调世界时（UTC），通信网络上各个节点的时间偏差需要保持在允许的范围内。

图1 海能达TETRA 2代基站

2.2 PTP简介

IEEE 1588标准第一版于2002年发布，全称是“网络测量和控制系统的精密时钟同步协议标准（Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems）”，是一种基于分组网络的同步技术，支持频率同步和时间同步，采用MAC层处理时间戳的方式，可达到亚微秒级的同步精度，主要应用于工业控制领域，IEEE 1588也被称作PTP。

IEEE 1588 v2标准于2008年发布。与第一版相比，第二版针对通信网络的应用环境作了相应的修改，例如缩短并统一了报文长度，允许单播传播，并引入了透明时钟机制。IEEE 1588 v2为代替GPS提供了可能的解决方案，PTP在通信行业中开始迅速商用。

PTP同步的基本原理：

一个PTP 同步系统由许多节点（设备）组成，节点之间通过网络互联，周期性地发布带有时间戳的信息，使各个节点的时钟得到同步。PTP设备包括普通时钟（Ordinary Clock）、边界时钟（Boundary Clock）、透明时钟（Transparent Clock）。

PTP采用主从（Master-Slave）模式，通过BMC最佳主时钟算法（Best Master Clock）确定每个域内的主时钟，其中Grandmaster是整个同步网络的时间源，并通过Sync、Follow_Up、Delay_Request和Delay_Response报文通告精确的时间戳，完成频率和时间同步，原理如图2所示：

图2 PTP同步原理

主时钟周期性地给从时钟发送Sync报文，这个同步报文包括该报文离开主时钟的时间估计值。紧接着发送Follow_Up消息通告上个消息的实际发送时间t1；从时钟记录Sync消息的到达时间t2。从时钟向主时钟发送一个延迟请求Delay_Request报文，同时记录该报文的实际发送时间t3；主时钟记录延迟请求报文到达的时间t4，并发送延迟请求响应报文Delay_Response把t4告知从时钟。从时钟根据4个时间信息计算出两个时钟的偏差和传输延迟。

假设主从之间的消息往返延迟是对称的，则有从时钟与主时钟的时间偏差Offset为：

从时钟与主时钟之间的传输延迟Delay为：

从时钟根据计算出来的偏差修正本地时间，从而达到与主时钟同步。

2.3 时钟同步技术的对比

移动通信系统的同步需求包括频率同步和时间同步两个方面，频率和时间的偏差会影响终端在基站间的切换成功率，影响频谱利用率。

NTP（Network Time Protocol，网络时间协议），是设计用来使网络上的计算机保持时间同步的一种协议，主要用于Internet，在电信系统中主要应用于网管、计费系统，其同步精度只能达到毫秒级，并不能满足移动通信系统的时钟同步要求。

公用移动通信网络的传统同步解决方案：对于只有频率同步需求的系统，主要靠BITS＋SDH解决同步要求，如GSM、WCDMA；对于有频率同步和时间同步要求的系统，通过给每个基站配备GPS模块来进行同步，如TD-SCDMA、CDMA2000、T D-LTE。近几年，公用移动通信网络已开始采用基于PTN 的IEEE1588同步方案来替代GPS。

TETRA（Terrestrial Trunked Radio，陆上集群无线电）系统的传统同步解决方案：TETRA系统也是采用GPS同步方式来提供精确的频率同步和时间同步。

可见，在公用移动通信网络或专用移动通信网络中，传统方案主要都是采用GPS作为时钟同步的解决方案。GPS同步方式的优点是精度高，但是也存在不少问题：每个基站都需要安装GPS天线，而且GPS天线需要安装在视野良好的露天环境，如果基站部署在地下或者隧道，那么就需要铺设较长的馈线，增加工程的复杂性，维护起来也比较困难。另外，这种同步方式依赖美国GPS系统，存在一定的政治和安全风险。

几种同步技术的对比如表1所示。

通过对比可以看出PTP同步技术具有精度高、支持频率同步和时间同步等优点，并且针对移动通信系统从电路交换向全IP化演进过程中出现的同步问题，PTP也是可靠有效的解决方案。

3 PTP系统集成及测试方案

3.1 TETRA系统的同步要求

根据TETRA标准要求，基站必须具备精度较高的频率同步和时间同步，频率精度方面要满足±0.2ppm（±0.2ppm for 400MHz，±0.1ppm for 800 MHz）；时间精度方面，同一基站内不同载波之间的时间偏差不能超过125/9μs。

表1 同步技术的对比

3.2 PTP系统集成方案

海能达TETRA 2代基站采用基于硬件的PTP集成方案，即内置PTP芯片来实现PTP功能，将PTP芯片、支持PTP的交换芯片和PHY芯片、OCXO高精度恒温晶振集成到基站的控制器单元，配合系统软件实现PTP功能，将基站配置为PTP Slave，并通过基站内部的分发机制进行时钟同步，保证系统满足TETRA标准的相关要求。基站可配置两个控制器单元，互为备份冗余，以实现PTP同步的冗余。

另外，TETRA 2代基站支持同时配置GPS同步和PTP同步，此时GPS优先级更高，当GPS信号失效时可切换到PTP模式。

3.3 测试环境搭建

海能达TETRA系统的PTP部署方式主要基于IP传输网，并根据实际情况对网络进行优化，确保时钟同步的精确性和稳定性。为实际验证海能达TETRA 2代基站的PTP功能和性能，以及测试网络对PTP同步的影响，搭建了如下的测试环境。

（1）测试设备

TETRA 2代基站：海能达TETRA系统为全IP架构，支持弹性的部署方式，根据SCF（交换控制节点功能）和BSF（基站节点功能）部署位置的不同分为集中式和分布式。在本次测试中，TETRA 2代基站为集中式配置。

PTP Grand ma ster：PTP Grandmaster为整个TETRA网络的时间源，基于PTP（IEEE 1588）协议提供精确的时间同步。PTP模式配置为Unicast、PTP over IP、Two-Step。

层三交换机：由于TETRA系统的业务功能需要接入不同的外部网络，例如语音、调度录音、分组数据业务等，这些不同的数据流量必须分到不同的VLAN中，因此需要在层三交换机上完成相关配置。

层二交换机：为了模拟网络环境对PTP同步的影响，使用了数量较多的层二交换机进行测试，实际工程情况中网络环境可能会更加复杂。

测试电脑：安装PTP监控软件和Wireshark软件，主要用于对PTP状态进行监控和对PTP数据进行抓包。

GPS模块：提供1PPS输出，作为测量PTP同步精度的参考源。

示波器：主要用于测量PTP同步精度、基站不同载波之间的相位差。

测试设备数量及配置如表2所示：

表2 测试设备数量及配置

（2）测试环境拓扑图

PTP Grandmaster必须连接GPS天线，并保证能够接收到5颗以上卫星，通过CAT5网线连接到层三交换机或层二交换机。TETRA 2代基站连接到层三交换机（对应VLAN）。使用PTP监控软件时，测试电脑连接到层三交换机，使用与基站相同的VLAN；使用Wireshark软件时，测试电脑连接到层三交换机的监听端口，层三交换机需做相应的镜像端口和监听端口配置。示波器连接到基站信道机的测试端口。在进行网络测试时，将层二交换机连接到PTP Grandmaster和层三交换机之间，数量从0到12个逐步增加。测试环境拓扑图如图3所示：

图3 测试环境拓扑图

4 测试结果分析

4.1 PTP同步测试

为了验证TETRA 2代基站的PTP功能及性能，在完成测试环境的搭建和系统的各项配置之后，进行了以下的测试项目：

（1）检查基站PTP状态：主备2个控制器单元的PTP端口状态均为Slave，即基站控制器单元与PTP Grandmaster通信正常；并且PTP同步状态为Locked，其判定标准为Phase Error优于±1000ns，锁定表明PTP工作正常。

（2）测量PTP时间同步的精度：以GPS模块的1PPS输出为参考，使用示波器测量基站控制器单元1PPS输出的上升沿与GPS模块的1PPS上升沿的偏差，得到PTP模式下基站控制器单元1PPS输出的相位差（时间偏差）为：-664～170ns，-304～154ns，如图4所示：

图4 基站1PPS精度测量结果

（3）测量载波之间的相位差：将信道机的调试端口连接到示波器，测量信道机的Multi-frame信号上升沿的偏差，得到载波之间的相位差都优于±600ns，满足TETRA系统的需求。

4.2 PTP message rate及网络指标测试

（1）PTP message rate测试

不同的PTP message rate下PTP同步数据所占用的网络带宽不同，同时也会影响PTP的同步性能，本次测试主要包括32Hz、16Hz、8Hz三种速率。

使用Wireshark进行抓包：当PTP message rate为32Hz时（Announce: 2s，Sync: 32Hz，Delay: 32Hz），Master-Slave数据传输速率（带宽）为70kbps，Slave-Master数据传输速率（带宽）为22kbps，如图5所示。

当PTP message rate为16Hz时，Master-Slave数据传输速率（带宽）为34kbps，Slave-Master数据传输速率（带宽）为11kbps；当PTP message rate为8Hz时，Master-Slave数据传输速率（带宽）为17kbps，Slave-Master数据传输速率（带宽）为5kbps。可见PTP同步所占用的网络带宽并不大，现在的传输网基本都可以满足。

（2）网络指标测试

ITU-T G.826x及G.827x相关标准对PTP的部署做了一些规范和建议，理想的情况是网络中的每一级节点都支持IEEE 1588协议，即网络中的传输设备都支持IEEE 1588，在这种情况下，可以保证基站获取到精确的PTP 同步。对于网络中的传输设备不支持PTP的透传方式，标准中定义了PTP必须具备PDV（Packet Delay Variation，分组时延变化）的过滤算法来减少PDV的影响，为确保在整个网络中保持PTP的精确性和稳定性，要求传输网络必须为对称性（Symmetry），网络产生的PDV必须限制在一定的范围内。

以下测试主要关注网络的Delay（时延）和PDV（时延变化），通过增加网络中的交换机来改变网络指标。通过PTP监控软件进行监控，观察时间为16小时，以1个交换机、10个交换机时、13个交换机时的网络指标和PTP同步情况为例，如表3和图6所示，可以看到，当网络中接入13个交换机，且PTP message rate为8Hz时，M-S delay/S-M delay达到了160μs，M-S Filtered PDV/S-M Filtered PDV达到了400ns（过滤之后的PDV），PTP同步的Phase Error出现了一次超过-1000ns的情况，导致PTP失锁，因此，可以认为此时的网络指标为PTP可以容忍的指标。由于链路非对称性可控，而PDV具有随机性，因此对PTP同步影响最大的因素应该是PDV，在部署中必须控制好网络的PDV。

本次测试验证了PTP 部署于IP 传输网中的可行性，并且研究了网络指标对PTP同步性能的影响，为PTP的部署提供了理论支撑和方法指导。

图 5 PTP（32Hz）数据传输速率

图6 PTP性能监控

表3 网络指标测试结果

综上所述，海能达TETRA 2代基站成功实现了基于PTP同步技术的同步方案，同步精度达到亚微秒级，完全能够满足TETRA系统的要求，PTP同步方式下的基站工作正常、稳定，并且具备大规模部署的可能性，因此，PTP可以替代GPS作为系统的同步方案。在地铁行业中，基站需要部署在地下或者隧道，传统GPS方案的工程实施非常困难，而PTP方案的部署则更加灵活，PTP Grandmaster可以部署在TETRA网络中合适的地方（如控制中心），而基站可以部署在其他地方，只需保证PTP Grandmaster与基站之间的网络通信正常即可。

5 结束语

TETRA 系统是国际上技术最成熟、功能最丰富的数字集群通信技术体制，广泛地应用于各行各业，特别在轨道交通行业中，TETRA系统更是列车指挥调度和日常行车管理的核心。随着城市轨道交通建设规模的不断扩大，轨道交通行业对TETRA系统的需求也将持续增长。

PTP 同步技术使得基站的部署更加灵活，更适合应用于轨道交通行业。海能达ACCESS NET-TIP 系统是基于全IP 架构的TETRA数字集群通信系统，采用PTP同步方案，具备组网灵活、成本节省、维护方便等优势。海能达将在理解行业客户专有性需求的基础上，持续创新，为客户提供满足行业应用的优质产品和端到端解决方案，助力轨道交通行业的发展建设。

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