100ns量級高精度時間同步技術要求

100ns量級高精度時間同步技術要求本文件規(guī)定了100ns量級時間同步的技術要求，包括組網(wǎng)要求、性能要求、傳送技術、接口要求、可靠性要求及相關設備基本要求等。本文件適用于采用精確時間協(xié)議(PTP)技術地面?zhèn)魉偷?00ms量級時間同步網(wǎng)的規(guī)劃、建設和維護。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件，不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。YD/T1479-2006一級基準時鐘設備技術要求及測試方法YD/T2879-2015基于分組網(wǎng)絡的同步網(wǎng)操作管理維護(OAMD)技術要求YD/T3770-2020軟件定義同步網(wǎng)技術要求YD/T4445-2023增強型基準主時間(ePRTC)設備技術要求YD/T4504-2023超高精度時間同步接口要求YD/T4505-2023增強型同步設備從時鐘技術要求ITU-TG.8275.1支持全網(wǎng)時間同步的電信級精確時間同步協(xié)議配置集(PrecisiontimeprotocoltelecomprofileforphasetimesynchronizationwithfillimingsupportfromIEEE158-2019網(wǎng)絡測量和控制系統(tǒng)的精確時鐘同步協(xié)議(StandardforaPrecisionClockSynchronizationProtocolforNetworkedMeasurement3術語和定義本文件沒有需要界定的術語和定義下列縮略語適用于本文件。BMC:最佳主時鐘(BestMasterClock)ePRC:增強型全國基準時鐘(enhancedPrimaryReferenceClock)ePRTC:增強型基準主時間(enhancedPrimaryReferenceTimeClock)GMC:祖時鐘(GrandmasterGNSS:全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GlobalNavigationSatelliteSystem)2GPS:全球定位系統(tǒng)(GlobalPositioningSystem)PDV:分組時延變化(PacketDelayVariation)PTSF:分組定時信號失效(PacketTimingSignalFailurePTP:精確時間協(xié)議(PrecisionTimeProtocol)T-BC:電信邊界時鐘(TelecomBoundaryClock)隨著移動通信技術的不斷發(fā)展，5G協(xié)同增強業(yè)務提出了±130ns甚至±65ns的高精度時間同步需求，同時基于50基站的高精度定位業(yè)務提出了±3ns(米級)的時間同步雷求。為了適應這些業(yè)務的發(fā)展需求，本文件主要規(guī)定基于PTP技術實現(xiàn)高精度時間傳送，進行高精度時間同步組網(wǎng)，目標是滿足高精度同步網(wǎng)絡端到端±130ns時間精度的要求6100ns量級時間同步組網(wǎng)要求6.1時間同步組網(wǎng)總體原則100ns量級時間同步網(wǎng)由時間同步設備、承載設備和被同步設備組成。在衛(wèi)星信號可用情況下，時間同步設備應優(yōu)選衛(wèi)星授時接收機的信號作為時間和頻率參考，實現(xiàn)同步信號的獲取及下發(fā)。在衛(wèi)星信號不可用的情況下，時間同步設備應能支持地面時間測源功能或利用地面物理層頻率同步輸入信號進行守時在條件允許的情況下，時間同步網(wǎng)可通過專用的比對手段溯源到國家UTC時間基準。承載設備逐點跟蹤時間同步設備的同步信號，實現(xiàn)同步信號的高精度傳送。被同步設備從承載設備接收時間同步信號，滿足高精度時間同步需求。6.2時間同步網(wǎng)與頻率同步網(wǎng)的關系時間同步網(wǎng)與頻率同步網(wǎng)原則上在定時鏈路組織、選源機制等方面邏輯上應相互獨立時間同步應以頻率同步為基礎。頻率同步可采用最少跳數(shù)優(yōu)先或環(huán)網(wǎng)優(yōu)先等策略進行組網(wǎng)，應符合YD/T3770-2020第6.1.1,1節(jié)要求，時間同步可采用BMC算法方式進行組網(wǎng)，應符合C3的要求。時間同步網(wǎng)與頻率同步網(wǎng)的關系示意如圖1所示。58.2局間時間傳送技術局間傳送技術應采用逐點支持PTP方式，時間同步路徑所涉及的承載網(wǎng)元設備均應支持PTP功能，頻率從物理層信號獲取。影響局間傳送精度的關鍵因素參見附錄B。PTP協(xié)議及其BMC算法的要求應符合附錄C。8.3局內(nèi)時間分配技術局內(nèi)分配技術可采用PTP技術或其它時間同步技術。當采用PTP技術進行局內(nèi)分配時，頻率從物理層信號獲取。9100ns量級時間同步接口要求100ns量級組網(wǎng)的高精度時間同步接口主要為PTP接口，PTP接口可以同時用于局間和局內(nèi)時間分配。9.2PTP時間接口要求PTP時間接口要求包括報文封裝、報文傳送模式、報文類型、報文發(fā)送間隔、延時機制和One-step/Two-step模式等，應滿足YD/T4504-2023中6.2和63節(jié)要求。PTP時鐘等級(clockClass)應符合YD/T2879-2015第5.2.2、5.2.節(jié)要求。10100ns量級時間同步網(wǎng)絡可靠性要求10.1時間源頭的可靠性要求時間源頭的可靠性要求如下a)時間同步網(wǎng)的時間同步設備可跟蹤不同的衛(wèi)星授時系統(tǒng)；b)在衛(wèi)星信號不可用的情況下，應能利用地面時間信號作為整個時間同步網(wǎng)的時間源)在相關技術條件具備的情況下，應通過地面手沒溯源至國家UTC時間基準，作為整個時間同步網(wǎng)的根本保障。10.2時間同步設備及時間鏈路設置要求時間同步設備及時間鏈路設置要求如下：a)主備時間同步設備應設置在不同的物理局址；b)時間同步設備應放置在溫度受控的機房內(nèi)，遠離機房內(nèi)的空調(diào)設備、電源機柜、強電磁設備；c)主備用地面時間鏈路應采用不同的物理路由610.3時間同步設備冗余配置要求時間同步設備冗余配置應滿足YD/T4445-2023第9.1節(jié)要求。10.4時間參考源選擇要求本章主要適用于T-BC模式的時間參考源選擇，OC模式的可參考使用。10.4.2時間參考源倒換條件高精度時間同步網(wǎng)應支持故障自動倒換，以便在同步鏈路發(fā)生故障時可以自動倒換到備用參考源或者鏈路上，實現(xiàn)同步鏈路和性能自愈，滿足業(yè)務的同步需求。BMC算法倒換條件應包括C.3及以下3個自動倒換條件的要求：a)ITU-TG.8275.1定義的分組報文定時失效PTSF;b)PTP鏈路LOSLOF:c)PTP鏈路故障。10.4.3時間參考源選擇機制時間參考源選擇機制采用BMC算法，應符合C.3的要求。11100ns量級時間同步相關設備基本要求11.1時間同步設備基本要求時間同步設備由銫鐘或銣鐘或高穩(wěn)品振和衛(wèi)星授時接收機組成，支持地面時間溯源功能和地面頻率信號守時功能?？赏ㄟ^專用的比對手段。溯源到國內(nèi)更高等級的國家UTC時間基高精度時間同步設備應具備以下基本功能：a)參考源選擇功能●時間同步設備在衛(wèi)星信號可用情況下應跟蹤衛(wèi)星授時接收機信號：在衛(wèi)星信號不可用的情況下，可跟蹤地面時間信號在衛(wèi)星信號和地面時間信號均不可用的情況下，應利用地面頻率輸入信號進行守時●時間同步設備的地面頻率輸入接口應支持SSM功能，宜利用SSM等級優(yōu)于等于QL-ePRC的地面頻率信號作為時間守時1)頻率同步輸入和輸出接口種類：2048kHz、2048kbits和同步以太網(wǎng)接口2)時間同步輸入和輸出接口種類：PTP接口，具體應符合9.2節(jié)的要求c)PTP物理接口類型：GE光口或10GE光口：7d)振蕩器種類：可選擇配置銫鐘、銣鐘或者高穩(wěn)晶振)時標：PTP接口應采用PTP時標：f)時延補償功能，應支持路徑延遲不對稱補償、天饋系統(tǒng)補償：不對稱補償時間范圍-100us~+100us,補償?shù)牟介L不大于1ns;天饋補償?shù)臅r間范圍0ns~2500ns;h)性能及故障管理功能：性能監(jiān)測應符合YD/T2879-2015的5.4節(jié)的要求，故障管理功能應符合YD/T2879-2015的5.3節(jié)的要求。11.1.3.1頻率同步性能時間同步設備的頻率準確度應優(yōu)于±1×10+2,噪聲產(chǎn)生、相位不連續(xù)性應滿足YD/T1479-2006第6.2和6.3節(jié)要求。11.1.3.2時間同步性能時間同步性能如下：a)在正常跟蹤于衛(wèi)星授時接收機的情況下，時間輸出接口相對于UTC的時間偏差應滿足YD/T4445-2023第7.1和7.2節(jié)要求：b)在正常跟蹤PTP接口輸入信號的情況下，時間輸出接口相對于輸入口的時間偏差應)對于時間參考源輸入信號倒換和設備冗余保護倒換，在1000之內(nèi)的時間變化應在11.2承載設備時間同步基本要求對于采用逐點支持PTP方式的承載網(wǎng)設備，應具備以下基本功能：a)參考源選擇功能：承載網(wǎng)設備在正常情況下應跟蹤時間同步設備；在主用時間同步設備不可用的情況下，應跟蹤備用時間同步設備；在主用和備用時間同步設備均不可用的情況下，應利用頻率輸入信號進行守時；1)頻率同步輸入和輸出接口種類：2048kHz、2048kbit/s和同步以太網(wǎng)接口2)時間同步輸入和輸出接口種類：PTP接口，應符合9.2節(jié)要求；c)PTP時間協(xié)議應符合9.2節(jié)要求，PTP工作方式要求如下2)PTP端口應支持通過BMC算法自動決策端口狀態(tài)，并可在不使用BMC算法情況下支持人工強制配置端口狀態(tài)為Master、Slave或Passive;3)PTP端口可設置為Enable和Disable;8e)時延補償功能：PTP接口應支持路徑延遲不對稱補償，補償?shù)牟介L不大于1ns;對于PTP接口，補償范圍為-100μs~+100us,其中OTN設備的補償范國為-1000us~g)性能及故障管理功能：PTP端口應具備性能監(jiān)控和故障檢測功能，性能監(jiān)測應符合YD/T2879-2015的6.4.3節(jié)要求，故障管理功能應符合YD/T2879-2015的6.4.2節(jié)要求。11.2.2性能要求11.2.2.1頻率同步性能承載設備時鐘的頻率準確度、牽引入牽引出范圍、噪聲產(chǎn)生、噪聲容限、噪聲傳道、瞬變響應和保持性能均應滿足YD/T4505-2023第6、7、8、9、10及11章要求。11.2.2.2時間同步性能時間同步性能要求如下：a)在承載設備時鐘正常跟蹤PTP信號的情況下，時間輸出接口相對于輸入口的時間偏b)對于時間參考源輸入信號倒換和設備冗余保護倒換，在1000s之內(nèi)的時間變化應在11.3被同步設備時間同步基本要求被同步設備支持高精度時間同步應具備以下基本功能：a)參考源選擇功能被同步設備在正常情況下，可通過地面時間輸入信號獲得時間同1)頻率同步輸入和輸出接口種類：2048kHz、2048kbit/s和同步以太網(wǎng)接口：2)時間同步輸入和輸出接口種類：PTP接口，具體應符合9.2節(jié)要求；c)PTP時間協(xié)議應符合92節(jié)要求，PTP工作方式要求如下2)被同步設備應支持PTP狀態(tài)信息提取，可選支持BMC算法：3)被同步設備支持PTP端口，應可設置為Enable和Disable,并應可配置Slave_Only功能使能和不使能d)時標：PTP接口，應采用PTP時標：)時延補償功能：PTP接口應支持時延補償功能。補償?shù)牟介L不大于Ins,其中PTP接g)性能及故障管理功能PTP端口應具備性能監(jiān)控和故障檢測功能，具體要求待研究9(資料性)工程可實施性要求A.1時延不對稱補償方法和要求由于實際網(wǎng)絡中的光纖存在收發(fā)物理長度不對稱造成的雙向時延不對稱(包括單纖雙向和雙纖雙向),在IEEE1588時間同步網(wǎng)部署中，應嚴格保證雙向光纖時延相等，進行光纖時延不對稱補償。因此對于PTP端口，設備應支持對光纖時延的不對稱補償。A.1.2時延不對稱補償方法補償方法如下：a)對于環(huán)形組網(wǎng)、MESH組網(wǎng)和鏈形組網(wǎng)中的所有PTP接口，均應逐點對雙向時延不對稱進行測量：b)按照EEE1588標準，在相關設備的對應端口進行補償。A.2驗收方法和要求A.2.1高精度時間同步網(wǎng)的驗收方法和步疆驗收方法和步驟如下：a)跟蹤拓撲檢奮查詢?nèi)W(wǎng)跟蹤拓撲是否正確并符合設計要求。檢查所有的節(jié)點是否都有多徑保護。并對所有的單徑節(jié)點進行確認，若不滿足要求，重新設計跟蹤拓撲b)告警檢測，查詢?nèi)W(wǎng)節(jié)點(時間同步設備、承載網(wǎng)、基站)是否有告警。若有告警，一一進行排查；c)保護倒換檢查：人為觸發(fā)保護倒換，看保護倒換是否正確：1)測量方法：采用帶有GNSS的IEEE1588時間分析儀或無線信號分析儀分別測試時間同步設備、承載網(wǎng)設備邊綠節(jié)點及基站的時間或空口時間與GNSS的時間偏差：2)精度要求；同第7章性能要求；A.2.2高精度時間同步網(wǎng)的驗收要求驗收要求如下：a)跟蹤拓撲符合設計預期：b)保護倒換正常：c)性能指標滿足要求(資料性)影響時間傳送精度的關鍵因素B.1鏈路方面B.1.1雙向固定時延不對稱光纖雙向固定傳輸時延不對稱是由現(xiàn)網(wǎng)收發(fā)雙向光纖物理長度的不對稱造成，是影響PTP高精度時間同步部署的最大困難。光纖雙向固定傳輸時延不對稱是靜態(tài)誤差，影響PTP時間同步的絕對精度，無法通過時間恢復算法來濾除。光纖傳輸時延的計算公式如下：Delay(L)=L×n/e其中；L為光纖距離，n為光纖折射率，c為真空中光速。在一般工程應用中，折射率的典型推薦值為1.458,c為299,792,458m/s,因此1m的時延根據(jù)PTP原理，收發(fā)光纖不對稱引入的誤差是絕對不對稱值的1/2。例如5G網(wǎng)絡，分配給承載網(wǎng)的時間同步精度就是±80ns,那么40m長的光纖不對稱誤差就將引入100ns時間誤差，超出對承載網(wǎng)的同步精度要求。通過現(xiàn)網(wǎng)多個局點實際測試，大多數(shù)站點的不對稱實際小于40m,然而確實存在超過40m的站點。因此實際工程部署中，需要考慮收發(fā)雙向光纖的不對稱，并進行有效的測量和補償。B.1.2單向時延變化單向時延變化主要由光纖環(huán)境溫度、物理應力等變化引起的光纖傳輸速率變化引起，不過這種變化本身非常小，相對物理長度的不對稱，幾乎可以忽略不計。另外，由于PTP協(xié)議規(guī)定采用硬件打時間戳方式，因此設備內(nèi)部引起的PDV也非常小，可以通過單站設備的同步精度指標分配來約束設備的內(nèi)部實現(xiàn)。B.1.3鏈路頻率漂移變化網(wǎng)絡漂移變化主要是指頻率同步的漂移影響時間同步精度。ITU-TG.8262和G.8261分別規(guī)定了單網(wǎng)元和組網(wǎng)環(huán)境下鎖定狀態(tài)的頻率漂移產(chǎn)生指標，單網(wǎng)元在1000s的觀察間隔內(nèi)頻率漂移將不超過150ns,多網(wǎng)元組網(wǎng)條件下末端輸出可達到5330ns。但PTP時間同步是一個實時閉環(huán)系統(tǒng)，可以通過相互之間不停地交互PTP報文和計算時間戳發(fā)現(xiàn)頻率漂移引起的時間誤差，從而得到實時的時間調(diào)整，避免頻率漂移引起過大的時間差。因此，理論上可以通過提高PTP報文發(fā)包頻率的方式來提高時間同步的精度。B.1.4鏈路業(yè)務流量變化PTP時間同步通過相互之間交互以太報文實現(xiàn)時間同步，且PTP報文和業(yè)務報文是共物理端口的，因此設備內(nèi)部業(yè)務流量的變化，將會造成PTP報文的轉(zhuǎn)發(fā)延時，從而帶來PTP報文的傳輸時延變化，影響PTP時間同步精度。PTP協(xié)議充分考慮了這一因素，規(guī)定PTP時間戳處理應在物理層PHY和MAC之間實現(xiàn)，且應采用硬件打時間戳方式，以獲得最高的同步精度。由于在物理接口上采用硬件打時間戳方法，且采用逐跳同步的組網(wǎng)方式，經(jīng)過多次實際測試，業(yè)務流量對PTP時間同步精度幾乎沒有影響。PTP時間同步網(wǎng)的規(guī)模，是影響PTP時間同步的一個重要因素。一是網(wǎng)絡規(guī)模過大，必然導致地理空間大，光纖物理鏈路過長，從而帶來的收發(fā)雙向時延不對稱變大二是網(wǎng)絡規(guī)模過大，可能造成同步鏈路過長，中間節(jié)點數(shù)過多，從而劣化PTP時間同步精度。由于每一個節(jié)點的處理都會引入誤差(如內(nèi)部處理的采樣誤差、時間戳計算誤差等),因此需要規(guī)定單網(wǎng)元的時間同步精度，從而確定時間同步鏈接上的節(jié)點數(shù)。網(wǎng)絡拓撲主要影響同步鏈路長短和保護倒換。環(huán)形組網(wǎng)可以在相同的網(wǎng)絡規(guī)模下，使同步鏈路的跳數(shù)最短，是推薦的組網(wǎng)方式，尤其適合核心層和匯聚層。同時環(huán)形或者MESH組網(wǎng)可以形成多點保護，避免同步鏈路單點故障。鏈形組網(wǎng)主要用于少量末端節(jié)點。只有規(guī)劃好網(wǎng)絡拓撲，才能獲得一個高性能和高可靠性的時間同步網(wǎng)。B.2.3網(wǎng)絡保護方式時間同步需要實現(xiàn)完善的保護方式，避免單點故障引起的整網(wǎng)癱疾。通常有參考源保護、跟蹤路徑保護和設備內(nèi)部的重要時鐘單元主備保護。每種保護方式，在發(fā)生保護倒換時，都可能引起時間同步性能的短期劣化。a)參考源保護倒換引入的誤差：主備時間同步設備跟蹤北斗/GPS的精度差異會造成參考源倒換前后的精度誤差。b)跟蹤路徑保護倒換的誤差鏈路倒換前后光纖不對稱的誤差以及鏈路節(jié)點數(shù)目不一樣可能帶來的末端基站的誤差。疆疆PTP協(xié)議基于同步數(shù)據(jù)包被傳播和接收時的最精確的匹配時間，每個從時鐘通過與主時鐘交換同步報文而與主時鐘達到同步)PTP報文基本交互流程：主時鐘(Master)與從時鐘(Slave)之間進行PTP報文交互，完成時延(Delay)和時間偏差的測量，并實現(xiàn)時間同步，基本交互流程如圖C.2PTP報文基本交互流程1)主時鐘向從時鐘發(fā)送一個Sync報文，并記錄此報文發(fā)送的時刻TI;2)從時鐘接收到來自主時鐘Syne報文，并記錄接收到的時刻T2;3)主時鐘可以通過以下兩種方式將時間戳T1傳送到從時鐘：i.將時間戳放在Sync報文中，這要求非常精確的底層硬件處理，這種方式i.將時間踐T1放在Follow_Up報文中傳送，這種方式稱之為twostep4)從時鐘向主時鐘發(fā)送DelayReq報文，并記錄其發(fā)送時刻T3;5)主時鐘接收到Deay_Reg報文，井記錄接收到的時刻T4;6)主時鐘通過Delay_Resp將T4傳送到從時鐘；7)從時鐘根據(jù)TI、T2、T3和T4可計算出其與主時鐘之間的時延Delay以及時間偏差Offset,并實現(xiàn)與主時鐘的時間同步。b)用于鏈路時延測量的報文交互：用于兩個端口之間進行鏈路時延測量的報文交互流程，如圖C.3所示。圖C.3用于鏈路時延測量的報文交互1)端口1向端口2發(fā)送Pdelay_Req報文，并記錄發(fā)送時刻T1;2)端口2接收到Pdelay_Reg報文，產(chǎn)生時間戳T2;然后返回一個PdelayResp報文，并產(chǎn)生相應時間截T3,為了減小兩個端口之間頻率偏差造成的誤差，端口2收到Pdelay_Reg報文后應盡可能快地返回Pdelay_Resp報文，端口2返回報文方式如下；i.將T2和T3之間的時間偏差通過Pdelay_Resp報文返回；i.將T2和T3之間的時間偏差通過Pdelay_Resp_Follow_Up報文返回：ii.將時間戳T2和T3分別通過文返回。3)端口1收到Pdelay_Resp報文后，產(chǎn)生時間戳T4,然后通過TI、T2、T3和T4計算出兩個端口之間的時延Delay.BMC算法由兩部分組成；一是數(shù)據(jù)組比較算法，比較兩組數(shù)據(jù)的優(yōu)劣，可能一組是代表本地時鐘的缺省特性的數(shù)據(jù)，一組代表從某端口接收的同步報文所包含的信息，這個比較算法要對各種數(shù)據(jù)組進行比較：二是根據(jù)數(shù)據(jù)組比較結(jié)果計算每個端口的推薦狀態(tài)(主站、從站、待機、未校正、只聽、禁止、初始化、故障狀態(tài))。在現(xiàn)網(wǎng)中BMC草法可采用以下3種算法之一。C.3.2IEEE1588-2019標準定義的BMC算法標準定義的BMC算法包括以下兩步：a)數(shù)據(jù)集比較算法用于確定兩個時鐘端口中哪一個更好，具體算法流程如圖C4和M上M一對C0的N個端口的每一個，根據(jù)Ebest、Erbest和缺省數(shù)據(jù)組D0,用BMC狀態(tài)決定算法和應用端口的狀態(tài)機決定端口的狀態(tài)。對于PTP子域中每個時鐘，每一個端口都運行BMC算法，這個運算是連續(xù)不斷的，因此能適應時鐘和端口的變化。C.3.3ITU-T0.8275.1標準定義的BWC算法ITU-TG.8275.1定義的為替代BMC算法，其與IEEE1588規(guī)定的默認BMC算法的主要區(qū)別如下：a)動態(tài)BMCA考慮每個端口的布爾屬性值masterOnly。如果masterOnly為TRUE,masterOnly為FALSE,則可以將端口