IEEE1588精确时间协议的研究与应用

0引言在对时间同步精度要求较高的领域，比如CDMA2000、TD-SCDMA 网络，系统中基站之间需要准确的时间同步。在软切换中，如果BTS (基站)和BSC (基站控制器)没有时间同步，可能导致在选择器中发生指令不匹配，导致通话连接不能建立起来。

CDMA2000和TD-SCDMA 系统对时间同步的精度要求是3us 。一般的同步协议如NTP ，目前精度只能达到ms 级，不适用于电信高精度时间同步领域。TD 网络目前是由GPS 完成同步，而GPS 存在政治和安全风险。IEEE 1588精确时间协议

[1-2]

(precision time protocol ，PTP )的出现，为替代GPS 提

供了极大的可能。PTP 能达到亚微秒级的同步精度，满足通信网的精度要求。此技术的最大优点是除了提供频率同步还提供时间同步。PTP 为减少网络组件的抖动延迟的影响提供了很好的解决方法。另外，IP 化是大势所趋，城域以太网的同步需求是全网IP 化的拦路虎。而PTP 是基于包交换网的，很容易在IP 网上实现同步，为全网IP 化解决了一大难题。同时，PTP 也为分布式网络化测控系统的实时性问题提供了解决方法[3-4]。

11588基本原理

1.1

工作原理

PTP 通过主从设备间消息传递，计算时间偏差来达到主从同步。PTP 系统属于自组织式的管理方式

[5]

。最佳主时钟

算法(best master clock algorithm ，BMC 算法)根据各个PTP 端口提供的质量信息，确定每个域内的主时钟。BMC 算法利用状态决定算法确定每个端口的主从状态，称为建议状态。主时钟周期性地组播包含时间戳的消息，需要同步的从时钟向主时钟发送消息，从时钟根据收到的时间信息和自身发送消息的时间，计算出与主时钟的偏差和线路延迟。同步消息传递的机制为延时-请求响应机制(如图1所示)。

主时钟周期发送包含时钟质量的Sync 消息，紧接着发送Follow_Up 消息通告上个消息的实际发送时间t1(本文提到的时间都是指时钟的本地时间)；从时钟记录Sync 消息的到达时间t2，紧接着在t3时刻发送Delay_Req 消息；主时钟记录消息到达时间t4，并发送消息Delay_Resp 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

收稿日期：2008-10-28；修订日期：2009-02-05。

网络与通信技术

Offset =[(t2

t1)+(

t4

图2状态机

初始化

监听

Pre_Master

建议状态=Slave

建议状态=Slave 建议状态=Master

Slave

建议状态=Slave

超时

Master

建议状态=Master

3.3.1E2E透明时钟

E2E透明时钟用在主从时钟之间，它像一个普通的桥、路

由器或中继器那样转发所有的消息；对于PTP事件消息，驻留时间桥会测量PTP事件消息的驻留时间；这个时间会写入到这个PTP事件消息或者其后续消息(Follow_Up消息)的特定字段correctionField中，如图5所示。驻留时间是消息穿越透明时钟所需要的时间。从时钟做同步校正时，会根据correction-Field字段中的值修改时间，提高精确度。

图5中，总的驻留时间T

r为

T r=(t2

t0correctionField

路径延时Delay由延时-请求响应机制测量。

3.3.2P2P透明时钟

E2E透明时钟只测量PTP事件消息穿越它的时间。P2P 透明时钟除此之外，对于每一个端口有一个额外的模块，这个模块用来计算每个端口和与它分享这条链接的另一端(也要支持P2P透明时钟)的链路延迟。P2P透明时钟使用对等延迟机制测量端口与对端之间的链路延迟，如图6所示。

链路延迟的计算基于端口与其链路对端交换Pdelay_Req、Pdelay_Resp和Pdelay_Resp_Follow_Up消息。

P2P透明时钟只能与支持对等延时机制的时钟工作。图6中，端口A在t1时刻发送Pdelay_Req消息，端口B在t2时刻收到该消息；端口B紧接着在t3时刻发送Pdelay_Resp消息；Pdelay_Resp_Follow_Up消息是可选的，t2和t3可以分开或者一起在这两个消息任选其一发送给端口A。假设端口A和端

口B的传输时间是对称的，也就是t

AB和t BA是相等的，则可计算出传输延迟Delay

Delay=[(t2t3)]/2

对于PTP时间消息，E2E透明时钟更正和转发所有的PTP时间消息，而P2P透明时钟只更正和转发Sync和Fol-low_Up消息。这些消息中的correctionField字段会被Sync 消息的驻留时间和链路延迟时间更新。E2E透明时钟只测量驻留时间，P2P透明时钟测量消息的驻留时间、链路延迟，如图7所示。

图7中，总的驻留时间T

r仍为

T r=(t2t3)+(t6

t0

2

4

6

1

35

7 1234

得到与主时钟的偏差，对于一阶时钟

T offset=T Syncin

T SyncoutF T correctS

t3)+(T recResp T correctSync

t3)+(T recResp T correctSync T correctResp]/2 4.2.2对等延时机制

对等延时机制测量的传输延迟，对于一阶时钟

T Pdelay=[(t4T correctPresp]/2

式中：t4，t1对应于该机制原理图中的标注；T

Pdelay——执行对等延迟机制的两个端口之间的平均延迟；T

correctPresp

——Pdelay_ Resp消息中correctionField的值。

对于二阶时钟

T Pdelay=[(t4T recPreq)T correctPrespF]/2

式中：T

Presp——响应Pdelay_Resp消息的时间；T recPreq——接收到Pdelay_Req消息的时间；T correctPrespF——Pdelay_Resp_Follow_Up 中correctionField的值。

5组网方案设计

在传统网络IP化的过程中，大量的PSTN等TDM业务遗留下来需要统一接入和传送。以IP为基础的异步网络架构如何保证通信网络的时钟同步将成为亟待解决的问题。目前，基于PSN传时钟的方法有多种技术[8]，比如以太物理层同步，CES，TOP，PTP。

以太物理层同步只能恢复频率而不能同步时间。CES性能与承载网络密切相关，受到网络传输延时变化影响较大，恢复时钟的质量依赖于承载的PSN网络，不能保证精度。TOP 受到数据网络延迟抖动、丢包、失序的影响非常大，也不能保证精度。

PTP时间同步技术，它凭借统一的标准，良好的时间和频率同步质量将成为时钟同步技术的主流方向。此技术的最大的优点是除了提供频率同步，还提供时间同步，也为目前主要依靠GPS授时来解决时间同步的通信网(特别是无线基站)提出了全新的解决方案。

电信网空口同步方案如图8所示。BCS可通过GPS接收器获得精确时间，也可以通过铯时钟获得。BCS通过边界时钟和P2P透明时钟，同步相连的BTS。P2P透明时钟用来减少非对称性影响。边界时钟主要是连接不同底层技术的网络；提供多个端口；另外，将两个边界时钟连接起来，可以起到备份的作用，当某个主时钟失效时，与之相连的边界时钟可以作为另一个边界时钟的从时钟，同步时间。

6结束语

IEEE1588提出的PTP技术同时提供频率同步和时间同步，能达到亚微秒级的精度，适用于包交换网络。PTP技术在提高同步精度上做了很多改进，降低了网络抖动延迟引起的非对称性影响。

通过对厂商的实验产品测试，能达到TD-SCDMA和CDMA2000系统的时间同步精度要求。PTP技术在时间同步精度上的优异表现，使得基站不再惟一依靠GPS进行时间同步成为可能，为解决电信等对时间同步精度的高要求提供了新的方案。

参考文献:

[1]IEEE.Precision clock synchronization protocol for networked

measurement and control systems[S].IEC61588,2004.

[2]NIST.Introduction to IEEE1588[EB/OL].http://ieee1588.nist.

gov/,2008.

[3]John Eidson.The application of IEEE1588to test and measure-

ment systems[R].AGILENT,2005:1-2.

[4]John C Eidson,Michael C Fischer,Joe White.IEEE instrumenta-

tion and,measurement society[R].1588IEEE Standard for a Pre-cision Clock Synchronization Protocol for Networked Measure-ment and Control Systems,IEEE,2002:1-10.

[5]Hans Weibel.IEEE1588Tutorial[C].Conference on IEEE1588,

2006.

[6]IEEE.Draft Standard for a Precision Clock Synchronization Pro-

tocol for Networked Measurement and Control Systems[S].

IEEE P1588TM D2.2,2007.

[7]NIST.IEEE1588-2008is now available from the IEEE Stan-

dards Association[EB/OL]./,2008.

[8]华为技术有限公司.时钟透传技术白皮书[Z].2007.

图8电信网设计方案

GPS

GPS

BCS:主时钟

BCS:主时钟

BC

BC

BTS:从时钟

P2P

P2P

P2P

P2P

P2P

P2P

P2P

BTS:从时钟

BTS:从时钟