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LTE-M系统高稳定主从时间同步设计

王翔 魏佳鹏

Summary：介绍了IEEE1588v2精确时间同步在LTE-M系统中的发展情况，分析了LTE-M系统高稳定时间同步的应用需求及实际工程中需要解决的技术问题，提出了双环网双源异主主从时间同步的系统总体设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，描述了方案中的关键技术及具体实现并进行了测试。测试结果表明，双环网双源异主主从时间同步的方案在稳定性、抗扰性及故障恢复上均表现出较好的性能，验证了设计方案的可行性。

Key：LTE-M;IEEE1588v2;主备倒换;链路倒换

：TN98文献标志码：A：1008-1739（2021）04-59-5

0引言

当前，LTE-M系统发展迅速，技术及产业链有了很大的发展，已经形成了规模产业，成為地铁领域车地无线通信系统建设的首要选择。而LTE-M系统要可靠运行和提供稳定的服务，首要条件是采用一个高稳定高精度的时间同步系统为整个系统提供频率和相位同步。根据3GPP 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的规定，频率同步精度达到0.05 ppm、相位同步精度达到2.5μs内，才能保证系统长久地为用户提供高效、稳定和可靠的服务。

目前LTE-M系统有2种同步方式可供选择，一种是使用GPS同步方式;另一种是使用IEEE1588v2精确时间同步方式。IEEE1588v2精确时间同步方式具有成本低廉、架设简便等优点，并且其同步精度已经与GPS同步方式相差无几[1]。而高稳定的IEEE1588v2时间同步方式可以同时满足LTE-M系统对同步精度和同步可靠性的需求。本文阐述了 IEEE1588v2精确时间同步 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 的基本原理，根据LTE-M系统对于时间稳定性的需求提出了双环网双源异主主从时间同步解决方案。

1 IEEE1588v2及LTE-M稳定性

1.1 IEEE1588v2同步原理

IEEE1588v2中存在主时间、从时间以及中间节点三部分，各部分通过网络连接彼此形成一个主从同步系统。主时间将自身的时间转换成网络数据包时间戳T1的形式发送到网络中。中间节点识别到时间数据包后将其转发给下一级节点，直到时间数据包被从节点捕获。从节点捕获到时间数据包后通过提取发送时间戳T1和接收时间戳T2以及测量链路时延T3和T4后，通过计算可以得到链路延时Delay和时间偏移Offset。从时间根据Delay和Offset修正本地时间达到与主时间时间同步的目的[2]，同步过程如图1所示。

1.2稳定性影响分析

在使用IEEE1588v2同步方式的LTE-M系统中，时间同步的稳定性取决于IEEE1588v2时间同步的稳定性。由于IEEE1588v2中所有消息都是通过光纤网络传输，而网络传输中存在一定的不确定性，可以认为影响LTE-M系统时间稳定性的最大因素就是网络传输的稳定性。

影响网络传输稳定性的因素主要有：网络传输抖动、网络传输不对称和网络风暴。由于所有的从时间都同步于主时间源，所以主时间对于LTE-M系统时间同步稳定性也起到决定性的作用。

2需解决的问题

针对上述影响分析，为提升LTE-M网络时间同步系统的稳定性，需解决如下几个技术问题：

①主时间冗余设计：在单主时间的情况下，由于主时间本身故障或与交换机所接光纤出现故障，可能造成全线基站丢失时间源，出现全线基站无法保持时间同步的问题[3]。

②抗倒换设计：考虑到主时间源可能发生故障以及数据传输路径改变的可能，当发生链路倒换时，从时间可能会出现较大的时间调整，从而引起基站时间同步出现短时间的失步状态[4]。

③抗抖动及传输不对称设计：由于网络风暴属于极大的网络抖动，同时因为概率较小的网络传输抖动，以及传输光纤长度不对称和PHY芯片收发时延不对称[5-6]等因素，会引起时间同步相位偏差或突变的问题。

3总体设计

基于上述问题，提出双环网双源异主主从时间同步应用设计方案。该方案采用双传输环网、双主时间设计，除传输环网进行物理隔离双路配置外，在不同地点分别部署2个独立的主时间。采用双传输环网和双主时间的设计，解决了单主时间故障引起全线时间同步异常的问题，达到了降低故障范围的目的。采用基站倒换算法的设计，解决了主备时间倒换和链路倒换引起的时间同步失步的问题，达到了提高时间同步稳定性的目的。同时基站平滑算法以及时延补偿，解决了时间抖动和传输不对称的问题，达到了提高时间同步抗扰性的目的。

双环网可以称为A/B网，双主时间可以称为A/B主时间，方案原理如图2所示。

A/B主时间各有两路1588输出端口，称为A1，A2，B1，B2，分别接入A/B网中，即A1，B1接入A网中，A2，B2接入B网中。2台时间服务器符合了主时间冗余设计方案。每个环网中都有主备时间服务器的时间信息。A传输环网下游基站选择主架时间服务器作为主时间，B传输环网下游基站选择备架时间服务器作为主时间，这样在A/B传输环网下的基站就与不同的时间服务器进行同步，而主备架时间服务器都与GPS/BD进行同步，所以A/B网的基站时间实际上也是相互同步的。A/B传输环网的意义在于限制故障范围和操作范围，如当主架时间服务器不可用时，只有A网下游基站会进行时间倒切到备架时间服务器，而B网基站时间同步完全不受影响，从而将故障范围限制在单独一个网中。对于网络风暴的故障范围限制也是同样的道理，因为A网和B网物理隔离，当其中一个传输网受网络风暴影响不可用时，另一个传输网完全不受影响，可以保证LTE-M系统继续提供服务。

基站本身具有对主备时间倒换和链路倒换的抗扰功能，符合抗倒换的方案设计。根据主备切换算法和时间保持过滤算法，基站可以快速识别主备时间的可用性和链路的异常变化，并且采取重置主时间和链路时延的方法进行快速恢复，保证本地时间调整在允许的范围内。主时间故障并倒切可以在3 s内识别并恢复，链路倒换的故障可以在1 s内识别并恢复。

在基站倒切主备时间的过程中，可能出现因主备架时间服务器相位不一致导致的相位突变。为了防止基站时间出现突变，基站设计了平滑算法。平滑算法可以保证基站时间每次调整不大于50 ns，实现本地时间的平滑过渡。平滑过渡的意义在于，无论主备架时间服务器相差多少相位，基站都可以缓慢调整到与主时间保持一致，并且在调整过程中仍然可以保证基站正常工作，减小甚至避免LTE-M系统服务质量受到任何影响。

为了解决基站PHY数据传输收发时延不一致引入的同步误差，通过修改Indelay和Outdelay参数修正基站从时间的同步相位。平滑算法以及参数修正符合抗抖动及传输不对称的方案设计。

4关键技术

本方案应用的关键技术包括：

（1）双主时间异主设计

IEEE1588v2可以通过配置优先级的方式设置主时间的优先级，使得从时间可以优先选择高优先级的主时间[7]，避免2个主时间优先级一致引起同步混乱。

配置A1优先级为（1，3），A2优先级为（1，128），B1优先级为（1，128），B2优先级为（1，3）。此时在A网中A1的优先级高于B1，而A网中下挂的从时间会同时捕获A1，B1的时间信息。由于A1的优先级高于B1，所以A网从时间只会选择A1同步。同样B网也是如此。在B网中，B2优先级高于A2。B网从时间同时捕获A2，B2的时间信息，但从时间只选择B2同步。

当A主时间发生故障时，A网从时间因丢失A1主时间信息从而倒切到B1，B网从时间此时同步于B2，不会发生倒切。同理，当B主时间发生故障时，B网从时间因丢失B2主时间信息从而倒切到A2，A网从时间同步于A1，不会发生倒切。整网IEEE1588v2配置如表1所示。

（2）从时间抗倒换设计

倒换包括链路倒换和主备倒换，由于A/B主时间分别部署在两地，在环网中从时间由跟踪A主时间倒换到跟踪B主时间势必会发生数据链路的变化，所以从时间只需进行抗链路倒换设计即可，而主时间的选择由IEEE1588v2协议中BMC算法决定。当A网或B网环路断开或A/B主时间其中一个发生故障时，时间信息从主时间到从时间的数据传输路径会发生变化。在从时间侧会发现链路时延发生改变，此时从时间会中断时间同步流程，更新数据平滑算法，之后重新发起时延测量流程。在重新完成时间同步流程之前，从时间以保持方式继续运行;只需2 s从时间就可以重新完成时间同步过程。经过从时间抗倒换设计后可以将主备倒换或链路倒换引起的时间抖动限制在150 ns以内。抗倒换设计原理如图3所示。

（3）抖动保护与时延不对称补偿

当从时间已经锁定主时间后，从时间与主时间的时间偏移offset会稳定保持在某一范围内，一般在正负50 ns以内。当从时间解析到与主时间的时间偏移offset突变时，从时间将抛弃本次同步，直到时间偏移offset恢复。从时间PHY芯片收发具有不同的收发时延，这部分会加大链路时延测量的误差。将PHY芯片的收发时延补偿到同步流程中，这样就可以降低链路时延测量的误差，减少相位误差。SGMII模式下PHY芯片收发时延如表2所示。

5实验结果

5.1测试内容

为了验证本方案是否实现既定设计要求，模拟某城市轨道交通项目实际应用场景，使用相同的设备搭建LTE-M系统。通过模拟现场可能出现的情况验证双环网双源异主时间同步设计的稳定性。测试设备如表3所示，主要包含一套LTE-M系统设备，其中有2台核心网、2台核心交换机、6个基站、传输交换机10台、时间服务器主钟2台、6台LTE终端以及3 km长光纤10根。

测试拓扑如图4所示。

整套測试环境业务模拟与轨道交通现场保持一致，8台传输交换机组成A/B双环网，2台传输交换机分别与环网相连共同组成LTE-M系统数据传输网络，交换机之间使用3 km长光纤相连，主时间A/B分别接入环网中为网络提供时间同步。基站作为从时间下挂在传输交换机中，此时A网下挂从时间与主时间A1同步，主时间B1作为备用钟。B网下挂从时间与主时间B2同步，主时间A2作为备用钟。

时间稳定性测试主要包括时间同步精度测试、时间同步抗扰性测试以及长期同步稳定性测试三部分。时间精度测试主要是在不补偿链路不对称的前提下测量从时间与主时间的相位差，然后在补偿链路不对称后再一次测量从时间与主时间的相位差。

二者进行比较，时间同步抗扰性测试主要是在某一主时间断电或GPS断开、环网断环、网络风暴和时间抖动情况下，测量从时间与主时间的时间差，验证在异常的情况下LTE-M系统时间同步抗扰性能。长期同步稳定性测试主要是测量LTE-M系统时间同步在24，72，168 h内的时间抖动情况，验证时间在无异常时的自身稳定性情况。在3个测试进行的同时，整个LTE-M系统业务也会同时进行测量，主要有UE站间切换性能以及传输时延性能等。测试用例如表4所示。

5.2测试结果

第一部分测试内容经过多次测试，整理结果 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 如表5所示。

测试结果表明，补偿链路不对称后，从时间与主时间的相位差可以大幅度缩小，提高了同步精度，满足了LTE-M系统时间同步精度的要求。

第二部分测试内容经过多次测试，整理结果记录如表6和表7所示。

上述异常测试用例是通过收集实际应用现场信息以及分析系统特性得出的最容易出现的异常情况。测试结果表明，当出现上述异常时，LTE-M系统时间同步仍然能保持相当优良的性能，可以保证LTE-M系统继续提供稳定优质的服务。

第三部分测试内容为长期同步稳定性测试，经过多次测试，整理收集测试结果如表8所示。

长期同步稳定性测试可以看到，在长达168 h的同步時间中，LTE-M系统时间抖动幅度为-100～100 ns，完全满足LTE-M系统对于时间同步性能上频率精度0.05 ppm和时间精度2.5μs的需求。

综上所述，在实际测试结果中可以看出，采用双环网双源异主主从同步设计方案的LTE-M系统时间同步具有高稳定的优异性能，证实了设计方案的实用性。

6结束语

IEEE1588v2技术最大的瓶颈是由于网络传输导致时间服务的稳定性降低问题，而LTE-M系统对于时间同步信号的稳定性又有极高的要求。本文结合IEEE1588v2和LTE-M系统的特性综合考虑后提出双环网双源异主主从时间同步设计方案，对方案的关键技术进行了阐述，通过详细的测试验证了设计方案的可用性，为LTE-M系统时间同步的工程实现提供了依据。

Reference

[1]林德风.1588v2时间同步组网研究[J].信息通信，2015（12）： 225-228.

[2]陈子龙.基于IEEE1588v2的时间同步模块设计[J].声学与电子工程，2017（3）：15-17.