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西安景驰电子科技有限公司
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摘要：随着基于1588v2同步协议的时间同步网在电信网络开始部署和应用,如何有效实现时间同步网络的自动监测和管理成为关键
摘 要：随着基于1588v2同步协议的时间同步网在电信网络开始部署和应用,如何有效实现时间同步网络的自动监测和管理成为关键。本文基于1588v2协议和同步网络架构的特点,提出了相应的监测和管理手段。
1引言
TD-SCDMA、cdma2000及TD—LTE等移动通信系统具有高精度时间同步需求,基站空口信号需满足的时间精度在微秒级别,传统解决方式为基站安装GPS等授时模块。IEEE1588v2精确时间同步协议的提出,为组建高精度时间同步传送网络提供了可能。通过时间组网,不再需要每个基站独立安装卫星接收模块,而是通过集中的时间服务器经由传输网络为下游各个基站传递时间信息,满足基站时间精度需求,具体参见图1。
图1 1588v2时间同步传送组网示意图
以中国移动为例,目前以每个地市本地网为单位建设1588v2时间同步网络。1588v2时间同步网络相比GPS同步有集中的特点,同一个1588时间域(Domain)中的所有设备节点,都跟踪上游时间服务器。如果某个中间节点的时间精度或1588报文出现问题,可能会影响其下游节点的同步性能。而电信网应用必须保证安全可靠性、可管可控。为了提高高精度时间同步网络的可用性,一方面要充分考虑出现节点故障和链路故障时的安全可靠性,可以通过配置主备用时间服务器、为设备配置冗余时钟板卡等多种手段来提高同步网可靠性;另一方面,如何有效监测和管理时间同步网络成为关键,需要有技术手段对设备和网络的同步性能进行监控,设备和网络能够自动感知异常和故障情况,产生相应的维护和告警信息。1588v2协议属于主从时间同步协议,从时钟与主时钟进行周期性的报文交互,根据主时钟提供的时间校正本地时间,逐级时间同步,形成溯源上游时间服务器的时间同步网络。根据1588v2协议和网络的特点,时间同步网络的监测和管理有以下几种主要的技术手段和方向:
●时间状态传递机制
在时间同步的传送路径上,除了时间信息,时间同步状态也需要在不同设备、不同接口之间传递,这样末端的基站可以依据上游传递下来的时间同步状态有效判断当前同步网络的情况和时间信息的准确度。
●基于周期性报文分析方法
1588v2报文以一定周期(小于Is)在主从时钟之间交互，从时钟周期性地计算和调整自身时间。对周期性报文进行实时和深入地分析，有可能获知设备和网络实时的同步情况。
●选取参考源监测比对方法
对时间精度监测效的方法即用参考时间源进行测量和比对。虽然在1588v2时间同步网络中，设备一般难以获得参考时间源，但通过与网络中多个参考源进行比对，仍可以获取一定的同步性能情况。本文将分别对以上几种时间同步监测管理手段进行详细分析和介绍。
2时间状态传递机制
1588v2的消息可分为事件消息和普通消息。事件消息包括Sync消息、Delay_Req消息、Pdelay_Req消息、Pdelay_Resp消息；普通消息包括Announce消息、Follow—uP消息、Delay_Resp消息、Pdelay_Resp_Fol1ow-uP消息、Management消息、Signaling消息。
其中，Sync消息、Delay_Req消息、Follow_Up消息、Delay_Resp消息用来产生和传达时间信息，这些时间消息在延时请求响应机制里用来同步普通时钟和边界时钟。
除传递时间信息的消息之外，Announce消息是1588v2中一个关键消息，用来建立同步层次。主时钟定时发出Announce消息，这个消息包含Grandmaster ID、时钟质量等参数，接收节点执行主时钟算法(BMCA)时用到这些信息。
图2列出了Announce报文的内容和结构。其中，包含了以下多个和时间状态有关的参数：
●时钟等级：Clockclass，取值范围0~255，数值越小，等级越高。
●时钟精度：Accuracy，定义了不同时间精度对应的数值。
●时钟抖动：OffsetScaledLogVariance，通过阿伦方差计算表征时钟抖动。
●Priority2：优先级2，取值范围0~255，数值越小，优先级越高。
●GMID：Grandmasterldentity。
●传递跳数：StepsRemoved，时间源到本节点的传递跳数，每传递一条加1。
●时间源：TimeSource，表征时间来源为卫星、内部时钟等。
在设备跟踪外部时间源时，所有方向的输出信号Announce报文发送选用时间源的参数信息。在设备自身为时间源，或者无法跟踪外部时间源时，所有方向的输出信号Announce报文发送设备自身的参数信息。因此，Announce报文参数携带了上游时间源的各种信息，包括时间状态等，可用于下游节点判断当前同步状况。
Announce报文携带的参数中，Clockclass用来表征时间质量等级。为了实现时间同步状态在网络中不同设备、不同接口之间传递，首先需要分析和明确同步网络中包含哪些时间同步状态，这些时间同步状态应该表征不同的时间精度。
分析图l时间同步网络中通常可能出现的影响时间精度的状态包括：
●时间服务器正常接收卫星时间源信息，输出时间信号。
●时间服务器无法接收到卫星时间源信息，利用溯源至PRC的频率同步信号守时，输出时间信号。
●时间服务器无法接收到卫星时间源信息，利用内置2级钟或3级钟保持，输出时间信号。
●时间服务器或者传输承载设备出现故障，时间信号不可用。
以上5种情况时间精度逐级递减，因此这些时间状态有必要予以区分并告知下游。
如果基于1588v2接口传递，选择用1588Announce报文中携带的Clockclass参数来表征这些时间同步状态；如果基于1PPS+ToD接口传递，在ToD时间信息消息中预留一个字节来表示秒脉冲状态。
表1对以上5种时间同步状态对应的PTPClockclass等级编码和ToD秒脉冲状态编码提出了具体的数值建议。
不同类型时间接口之间的状态传递需要相应转换。如果设备输人源来自1PPS+ToD接口，而输出端口类型为1588v2接口，或反之时，设备应支持ToD秒脉冲状态到PTP Clockclass等级的相互数值转换，具体对应关系见表1，从而保证不会发生不同接口之间时间状态信息的丢失。
通过统一定义以上状态数值和转换机制，使得上游时间同步状态信息能够自动携带至下游网络，为时间状态传递以及相应的同步告警和性能监测功能奠定了协议基础。
3基于周期性报文分析方法
1558v2通过主从时钟之间周期性交互报文达到主从时间同步，具体过程如图3所示。
主时钟在tl时刻发送Sync消息，包含有发送时间tl。
从时钟记下收到Sync消息的时间t2；然后在t3时刻发送Delay．Req消息。
主时钟记下收到DelayReq消息的时间t4，然后发送Delay．Resp消息，携带t4时间告知从时钟。
假设从时钟超前主时钟的值为Offset，则有：
t2-t1-Offset=Delay1 (1)
t4-(t3-Offset)=Delay2 (2)
假设双向时延对称，可计算出，从时钟与主时钟的时间偏差量为：
Offset=[(t2-t1)+(t3-t4)]／2 (3)
从时钟与主时钟之间的平均链路延迟为：
Delay=[(t2-t1)+(t4-t3)]／2 (4)
从时钟纠正本地时间，值为本地时间值减去计算出来的Offset值。
由于以上报文交互过程是周期性进行的，如Syn c报文的默认发送周期为每秒16次，因此从时钟可以实时计算和调整自身时间。如果上游主时钟的时间戳是准确的，则每次计算出来的链路延迟和时间偏差Offset的变化可以反映主从链路和从时钟设备内部处理带来的误差和抖动。如果对这些数据进行图形化显示，则如图4所示，可以根据曲线的趋势，作进一步的精度和稳定度的分析。
为了进行同步性能监控，目前可以对周期性报文和计算结果进行以下统计和分析：
(1)1588v2报文统计，支持周期(默认15min)的1588v2报文的发送／接收报文个数的统计计数。
(2)1588v2时间偏差实时监控，支持实时监控设备同步采用的PTP时间偏差(Offset)，并在网管上提供性能监测曲线。
(3)1588v2延时实时监控，支持实时监控PTP链路的PTP时戳T2、T1相减获得的单向延时信息、PTP时戳T4、T3相减获得的单向延时信息，以及Meanpathdelay平均延时，并在网管上提供性能监测曲线。
(4)1588v2时间偏差累加和越限分析，在时间周期里用于系统时钟调整的时间偏差补偿值，计算其累加和，超过预定范围，上报时间偏差累加和越限告警。
4 选取参考源监测比对方法
基于周期性报文的分析方法属于间接性的分析方法，如果能够获得参考时间源对设备1588v2同步性能进行比对，则可以直接获知同步性能。因此，为了进行同步网络的性能监测，可以考虑在某些重要节点配置卫星接收机等时间参考源，这时设备支持直接比较外部参考时间和l588v2时间，并支持上报两者时间差值，当差值超过预定范围时上报外部参考时间和1588v2时间差值越限告警，实现重要节点的监控。
在1588v2时间同步网络中，大部分节点设备除了从网络获取1588v2同步源之外，无法获取参考时间源。不过，在1588v2网络中一般提供了多条可选的同步路径，如果将备用同步路径获取信号作为参考，可以对当前同步路径进行监测。
基于Passive端口的时间同步性能监测方法主要用于环网监测。利用l588v2选源机制，环网注入一个时间源时，环网远端的某个节点其中一个方向的端口将成为Passive端口，不收发1588报文，该节点跟踪另外一个方向传送的时间信息，如图5中的BC3节点。如果利用Passive节点，使它可以接收两个方向的报文，则可以比对环网两个方向传送过来的时间信息。正常情况下，从左环和右环方向均得到和时间服务器同步的时间，两者基本一致；如果其中一个方向存在链路不对称或者节点故障，则此方向存在时间偏差，导致两方向获得时间偏差值较大。在Passive节点测得环网两个方向时间偏差值较大时，则提示需要检测该环网是否存在故障情况。
参考源和参考链路除了选取Passive节点之外，可以进行更灵活的选择。当同步网建立1588v2同步拓扑后，对于一个需要检测性能的节点，为其网络中任意一个时间参考点(如备用时间服务器)，并在检测点和参考点之间的节点配置TC(1588透明时钟)探测通道，探测报文以TC方式通过中间网元，则可以根据需要对同步链路上的任一段链路进行时间故障检测，在检测点通过探测路径获取和参考点之间的时间差值，与正常同步路径获取的时间进行比对(见图6)。该方法可以越过中间节点，直接以上游准确源作为参考，提高了时间监测的灵活性。
5 结束语
1588v2时间同步网络可以提供满足移动通信要求的时间精度，并且通过地面组网实现了集中的时间同步系统，使运营商对时间同步可管可控。为了使时间同步网更加可靠和易于运营维护，需要研究时间同步的监测和管理机制。本文提出并介绍了1588v2时间状态传递机制、基于周期性报文分析方法、选取参考源监测比对方法等三大类解决方案和手段。利用这些技术，时间同步网络的状态、性能等可以通过报文、告警、性能曲线等形式予以呈现，使用方可以自动得知网络的异常情况，大大提高了1588v2时间同步网络的可用性。
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