学文网摘要：介绍IEEE1588v2协议的基本原理，以及IEEE1588v2协议在铁路通信网中的传送方案。
关键词：1588v2协议；铁路通信网；传送方式
1、IEEE1588v2协议概述
铁路数据通信网络作为基础承载网络，除了承载各类信息系统业务数据的需求，往往还需要给各类业务提供同步参考源。随着全网向IP化的演进，各类应用系统对于时间信号精度的要求越来越高，很多已经达到μs级别，这就对承载网提出高精度时间同步的需求。传统时间同步方式是采用NTP方式，该协议最高只能支持ms级别的时间精度。或者通过在用户侧设置***的GPS设备来解决高精度频率和时间同步的问题，但是GPS存在以下问题：1）安装困难，尤其是大型车站等室内场景，需要敷设长距离馈线，加装放大器并考虑供电；2）维护困难，GPS缺乏远程维护的手段；3）安全隐患，全网同步完全依赖于GPS系统；4）成本高，需要在所有终端用户侧部署GPS系统。因此，IEEE协议组织推出IEEE1588精确时间传送协议（IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and ControlSystem）。2002年底1588V1正式。随着1588在工业控制的广泛应用，以及逐渐引入电信网络，为修订1588V1版本存在的一些缺陷，IEEE组织又于2006年6月份输出1588V2版本草稿，并在2007年完成修订，在2008年3月份正式IEEE1588V2版本协议。IEEE1588V2协议可以实现亚微秒级精度的时间同步，其主要存在以下优势：1）支持局域网或广域网通信；2）同步精度达到ns级别；3）对网络资源和处理器计算资源占用小。
2、IEEE1588v2节点模型
IEEE1588v2定义了5种网络节点模型：普通时钟（Ordinary clock，OC）、边界时钟（Boun-dary clock，BC）、E2E透明时钟（End-to-end-transparent clock，E2E TC）、P2P透明时钟（Peer-to-peer transparent clock，P2P TC）、管理节点。OC：普通时钟，包含本地时钟设备，只有一个物理接口，通常作为是时间同步网络的首节点主时钟或末节点从时钟，如BITS设备一般配置为OC模式，作为整个网络的主时钟，而端点站作为最末端的从时钟设备，也配置为OC模式。BC：边界时钟，BC节点有多个物理接口，每个物理端口都类似于普通时钟端口，可同时连接多个同步域，BC设备同步于上游时钟设备，同时将设备时间向下游分发。E2E TC：端到端透传时钟，E2E TC节点有多个物理接口，负责转发PTP消息，测量PTP事件消息的驻留时间，并进行修正。驻留时间的修正值应该对应到设备的每一个输出端口和每一个消息。P2P TC：点对点透传时钟，与E2E TC设备相比，它还支持测量每个端口相连链路的延迟时间，并进行修正。管理节点：仅用于同步节点的配置管理，本身不提供同步功能。
3、1588v2典型组网拓扑
3.1全网同步（BC模式）
1588v2全网同步（BC模式）组网拓扑结构应用场景如***1所示。时钟/时间源BITS作为OC设备向承载设备注入频率/时间，承载设备作为BC设备，逐级恢复频率和时间，以达到将频率和时间传送给基站的目的，车站作为OC设备，也必须支持频率和时间恢复功能。
3.2时间透传（TC模式）
全网同步方式的优势在于每一个站点都进行频率和时间恢复，同步精度高，但同时对承载设备要求也较高，要求每个站点必须支持完整的IEEE1588v2协议，必须支持BMC算法。1588v2时间透传（TC模式）组网拓扑结构应用场景如***2所示。时间透传场景中，承载设备作为TC设备，无需恢复频率和时间，只需要计算自身驻留时间（E2E TC）或计算自身驻留时间和链路延时（P2P TC），基站作为OC设备，必须支持频率和时间同步。时间透传方式下，承载设备无需支持完整的IEEE1588v2协议，无需支持BMC算法，对软硬件要求较低，但透传方式同步精度不如全网同步方式，问题定位手段也不如全网同步方式丰富。
4、IEEE1588v2信号在铁路通信网中的传送方案
IEEE1588v2协议的同步精度在实际网络应用中受到多方面因素的影响，在测试环境中可以达到100 ns级精度。但是在实际网络环境中，由于网络时延复杂性和双向路径非对称性等因素，导致传送精度不可控。例如在网络流量较大时，1588v2报文的传送产生抖动，从而对时延精度产生很大的影响；由于双向光纤不对称导致的误差，需要逐点进行非对称性补偿。或者是利用OTN系统带外OSC通道方式实现单纤双向传输，消除光纤不对程引入的时延误差。
4.1组网方式
在铁路通信网中传送1588v2信号，需要铁路通信传送网支持IEEE1588v2协议，可以采取2种组网方式。1）1588v2在OTN+数据通信网络中传送。目前铁路总公司已完成骨干网及部分局干层建设OTN网络建设。从长远来看，在骨干网以及路局区域网骨干层中OTN+数据通信网中的组网将非常常见。时钟源位于总公司或路局的核心节点，通过OTN网络将1588V2信号采用带外方式将时钟信号传递至数据通信网区域网核心或汇聚层节点，然后再通过数据通信网络分发至各接入层节点。2）1588v2在数据通信网络中传送。主要应用于路局骨干汇聚层尚未建设OTN网络的地区。时间源位于路局数据通信网核心节点，利用数据通信网的双归结构，尽可能地保证所有接入层节点都同时具备2条不同的跟踪路径接入主备时间源。
4.2网络节点时钟配置
1588信号目前主要有BC和TC2种同步传送模式，其物理拓扑基本相同，主要的区别在PTP协议的处理机制上。1）BC模式BC模式下每个节点终结PTP报文并于主时钟同步，会引入漂移，且这种漂移会随着跳数的增加而不断累积。BC模式下的从时钟无需进行人工时间跟踪路径配置，只需要启动最佳主时钟（BMC）算法，跟踪链路就能自动生成；在网络故障时，由于BMC算法会自行计算最优跟踪链路。2）TC模式TC模式下PTP报文采用透明传送方式，理论上，TC模式下同步信号传送精度应更好。TC模式下则需预先进行人工配置从时钟的工作保护时间链路；在网络故障时，则是需要进行整条跟踪链路的切换。3）比较但在实际现网测试中，由于BC模式下节点时钟恢复中所引入的漂移会呈现出一定的正负抵消效应，因此端到端时间传送精度并不比TC模式差，在某些场景下还优于TC模式；采用BC模式利用BMC算法可大大减少时钟跟踪路径的变化，从而降低因底层链路故障所引发的时间震荡发生的频率。因此，在实际的现网配置中，考虑到BC模式在配置、倒换等方面较TC模式有一定的优势，铁路通信网建议采用BC模式进行1588V2信号的传送。
4.3光纤自动补偿机制
由于现网中光缆的收发光纤基本无法做到对称，因此在采用双纤双向进行1588V2传送方式，会存在时延差异逐段补偿的问题，只能预先进行全路径的时延误差测量，并进行预补偿。在OTN网络中，除了要考虑各区段的预补偿，还必须考虑OLP保护倒换后所带来的时延补偿问题。导致目前传送网中1588v2信号的承载很难获得真正的应用。为解决以上的问题，提出了单纤双向技术。1）在OTN网络中的应用目前，OTN网络中1588V2传送的主要问题是OLP保护倒换，当OLP因线路侧故障发生保护倒换，尤其是单芯倒换导致的收发纤芯不一致引入时延误差。试验表明，若收发纤芯长度差异在1 km以上，倒换前后引入的误差将大于8 000 ns，而基于光监控通道（OSC）的单芯双向传送方案能完全解决以上问题，如***3所示。1588V2报文经时钟板处理后，利用主用收发2芯中的1芯，并通过不同波长实现A、B OTN节点间的1588报文交互和同步。无论线路侧发生双芯倒换还是单芯倒换，1588V2信号始终在同一根光纤中进行传送，OLP保护倒换不会影响1588V2信号传送。2）在数据通信网络中的应用在路由设备的线路侧使用单纤双向模块，并通过不同波长实现路由节点间的1588报文交互和同步。由于光模块成对使用，路由设备可自动监测并计算出单向传播时延，实现时延的自动预补偿，可以从根本上解决双纤双向技术导致时延差异无法自动预补偿问题。在数据通信网的接入层，采用单纤双向技术允许接入环随意进行调整，同时还节约了宝贵的接入光纤资源。在数据通信网的汇聚以及核心层，考虑到目前基本有同址的OTN设备，可以由OTN网络提供1588v2同步信号，目前市场上支持10 GE以上的单纤双向光模块型号也比较少。因此目前可以在接入层以下进行单纤双向模块进行组网的组网试验，在汇聚层以上建议由OTN网络进行1588v2信号的传送。
5、结束语
随着铁路信息化的发展，对高精度时间信号的承载是传送网必然的要求，且优点突出，值得我们对采取的技术路线深入进行探讨。在具体的工程应用中，应结合工程实际情况，综合考虑系统性能、建设成本、运营维护成本的平衡，选择合适的产品来满足工程应用需要。
参考文献
[1]中华人民共和国国家质量监督检验检***总局，中国国家标准化管理委员会.GBT25931-2010网络测量和控制系统的精确时钟同步协议.北京：中国标准出版社，2011.
[2]华为技术有限公司.1588v2技术白皮书[Z].北京：华为技术有限公司，2013.
[3]唐庆涛，袁野，应赟.1588V2技术在城域网中的应用与实现[J].邮电设计技术，2012（2）：43-47.
[4]曲博.铁路时间同步网概述[J].铁路通信信号工程技术，2010（4）：43-45.
[5]何国彪.OTN互联互通及组网技术研究[D].北京：北京交通大学，2014.
[6]程华.关于铁路频率同步网与时间同步网的融合解决方案.电信网技术，2012（9）：51-53.
作者：蒋明华 单位：南宁铁路局电务处
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