论数字同步网在省级高速公路现代化建设中的应用

引言：

公路建设管理现代化是以高等级公路为主骨架，以四通八达的公路网和以人为本的现代化管理理念、管理手段和管理方法来体现的。随着公路交通检测领域高科技含量的不断增加，综合运用先进的计算机网络、通信、电子、自动检测和交通控制等高新技术组建智能化系统，为公路网规划、建设、管理、信息搜集、监控、计费和媒体信息服务提供可靠的网络系统，已成为公路建设管理现代化的显著标志之一。

公路建设管理现代化综合网络系统对可靠性的要求越来越高，作为网络支撑网之一的数字同步网变得必不可少、至关重要。公路建设管理综合网络应用数字同步网能准确地将基准时钟向网内各同步节点传递，从而调节网中的时钟以建立并保持同步，满足公路建设管理现代化综合网络传递信息所需传输和交换的性能需求，它是保证网络定时性能的关键。

一、数字同步网方式

1．同步概念

(1)同步是指信号之间在频率或相位上保持某种严格的特定关系，即在相对应的有效瞬间以同一平均速率出现。包括比特同步和桢同步。

(2)数字同步网是一个物理网，由同步网时钟节点设备和同步定时链路组成，使全网以同样的频率工作。

(3)网同步是指一种方法，将公共的时间和频率向网络中的所有网元分配的方法。

2．数字通信网的同步方式可分为以下几种：

准同步方式、主从同步方式、互控同步方式和混合同步方式。下面就数字通信网的4种同步方式作简单介绍：

(1)准同步方式

准同步方式是指在网上的各个节点上都设立高精度的独立时钟，这些时钟具有统一的标称频率和频率容差，各时钟独立运行，互不控制。虽然各个时钟的频率不可能绝对相等，但由于频率精度足够高，产生的滑动可以满足指标要求。其优点是简单、灵活，缺点是对时钟性能要求高，成本高，存在同期性滑动。准同步方式如下图所示：

(2)主从同步方式

主从同步方式是指在网内设置主基准时钟和若干从钟，以主基准时钟控制从钟的信号频率。主从同步方式又分为直接主从同步方式和等级主从同步方式。在等级主从同步网中，定时信号从基准时钟向下级从时钟传送，各从钟直接从其上级钟获取同步信号。同步信号可以从传送业务的数字信号中提取，也可以使用专用链路传送定时信号。从钟使用锁相技术将其输出信号的相位锁定到输入信号的相位上，正常锁定时其输出信号具有与基准信号相同的精度。

主从同步的优点是，正常情况下不存在周期性滑动。且对从钟性能要求低，建网费用低；其缺点是传输链路的不可靠会影响时钟传递，同时存在产生定时环路的可能。主从同步方式时钟信号的传输呈现树状结构，如下图所示：

(3)互同步方式：

在采用互同步方式的系统中，不分时钟等级。不单设主基准时钟，所有时钟形成互联，即所有时钟通过锁相环路受所有接收到的定时基准信号的共同加权控制，在各时钟相互作用下，可使网中时钟达到一个稳定的系统频率。其优点是可靠性较高，缺点是网络参数较难确定。

(4)混合同步方式

混合同步方式是准同步方式和主从同步方式两者混合的组网方式。结合两者的优势，即把网络划分成几个同步区，在同步区之间采用准同步方式，在每个同步区内采用主从同步方式。混合同步方式是一种投资省、安全性高、稳定性好且滑动指标分配与漂移指标分配都能满足邮电部标准《数字同步网的规划方法与组织原则》的组网方式。我国的同步网建设就是基于混合同步网方案，依据若干个基准时钟，划分若干个同步区组成混合同步网。如下图所示：

3．根据邮电部标准《数字同步网的规划方法与组织原则》，全国公路数字同步网分为以下三级。其定义如下：

(1)一级节点时钟

一级节点时钟采用一级基准时钟。目前全国同步网内的基准时钟有两种：一种是含铯原子钟的全国基准时钟(PRC)，它产生的定时基准信号通过定时基准传输链路送到各省中心；另一种是在同步供给单元上配备全球定位系统GPS(或其他卫星定位系统)组成的区域基准时钟(LPR)，它也可接受PRC的同步。原则上每个同步区应有一个LPR，而且为加强可靠性，有条件时可以设置主备用两个LPR。全国公路数字同步网以PRC产生的定时信号作为同步网定时基准的根本保证，在特殊情况下，也可首先同步于GPS定时信号作为基准信号，一旦条件具备应首选全国基准时钟(PRC)。

(2)二级节点时钟

二级节点时钟采用加强型二级时钟。各省的长途局应设置加强型二级时钟。重要的汇接局(例如有图象业务、高速数据业务、STP等1亦应设置加强型二级时钟。

(3)三级节点时钟

三级节点时钟是指除采用加强型二级时钟的主要汇接局以外，其他汇接局应设置加强型三级时钟。端局根据需要(例如高速数据业务、SDH设备等)也可以设置加强型三级时钟。

4．目前我国数字同步网采用主从同步方式：

网内交换机时钟受省级BITS专用时钟同步系统中的基准时钟源的控制，各交换机的时钟为从钟。从钟亦为备用独立时钟。

省级BITS专用时钟同步系统中的基准时钟源(一般省长途局内)通过传输媒体将定时基准时钟传递到网内各分中心交换节点。各节点通过锁相环使本地时钟的相位锁定到收到的定时基准上。如图5所示：

BITS—Building Intergrated TimingSupply(ANSI)。

主基准时钟PRC(Primary ReferenceClock)。

主钟，网内所有设备的时钟信号均直接或间接取自PRC。

PRC的长期准确度优于1×10^-12。

PRC的构成：

铯钟(1或2个)

卫星接收机(1或2个)，如GPS接收机等

SSU(铷钟)

本地基准参考LPR(Local PrimaryReference)提供同步区的同步基准频率。是经济可靠且广泛应用的本地频率基准源。

LPR的构成：

SSU+卫星接收机

当锁定于GPS时长期准确度优于1×10^-12。

LPR可跟踪于PRC

同步供给单元SSU(SynchronizationSupply Unit)是数字同步网的节点从钟，具有频率基准选择、处理和定时分配的功能。

SSU的主要功能是跟踪锁定于上游参考信号，并将时钟信号分配到局内设备并传输给下游局。

SSU作为从钟应至少接入两路参考信号。并可在主用参考信号不可用时自动倒换到下一优先级的参考信号。

SSU能滤除参考信号的抖动和漂动。

SSU通常工作于跟踪模式，当所有参考信号均不可用时，SSU应工作于保持模式。

同步链路是指连接各个同步网节点的物

理路由，用来承载定时信号和同步信息。

GPS全球定位系统是美国军方开发研制的卫星系统，可以向全球范围内提供定时和定位信息。

GPS由24颗卫星组成，围绕地球有六条轨道，每条轨道上有四颗卫星。每颗卫星上配置两个铯钟和两个铷钟。

GPS能保证在任何时间、在地球的任何地点上空至少有四颗卫星。一般6～8颗。

用于定时的GPS接收机接收卫星发出的信号，使其跟踪于UTC时间，精度优于100ns，经过处理后可作为主基准频率使用。

UTC——协调世界时，受巴黎国际时间局和国际地球旋转服务机构维护的时标，该时标构成协调播送的标准频率与时间信号的基础。

(1)定时传送方式：

PDH E1专线传送：

采用业务电路跨接方式；

利用SDH线路码流传送定时信号

(2)定时基准链路的选取原则：

定时基准信号传输媒介选择的顺序是地埋光缆，架空光缆，数字微波系统。

定时基准信号传输优先采用PDH制式。

在采用SDH传输系统作为局间定时基准链路时，只能利用SDH线路码STM-N传送并从中提取定时基准信号。

网内定时基准链路原则上不得采用PDH／SDH混合链路。这是由于SDH特有的指针调整技术会在PDH网与SDH网的边界产生很大的相位跃变，当PDH网内用于传送定时基准的2048kbps信号通过SDH网时，会受到指针调整的影响，对定时基准信号影响很大。

在安排主备用局间定时基准链路时，主用链路原则上采用可用性最佳的传输链路，优先采用PDH链路。所谓最佳的含义应是历史故障记录较少的、电路可以灵活安排的、传输距离较短的、具备保护倒换的、介入的再生中继器及复用设备数目较少的系统。备用链路应尽可能选用与主用链路独立的链路，其质量可稍次于主用链路的质量。

(3)SDH链路传送定时基准的要求：

从基准时钟到末端局的定时基准传输链路中介入的符合G．812要求的SSU数量最多不超过10个。

在2个SSU(PRC、LPR)间的符合G．813要求的SETS的数量最多不超过20个。

从基准时钟到末端局的定时基准传输中介入的符合G．813要求的SETSI时钟数量不应超过60个。

(4)在同步网内应避免出现环路，包括主、备用定时基准链路的倒换时不应构成定时环。同步状态信息(SSM)在一定范围内可以避免定时环路，但不能完全避免。SSU应从不同路由获得主用和备用定时基准，其备用定时基准链路应处于随时可以代替主用的工作状态。

(5)二级节点的SSU其主用定时基准从主用基准时钟取得，备用定时基准可以从同级节点时钟取得，也可以从备用基准时钟取得。

(6)三级节点的SSU其主用定时基准从主用二级节点时钟或基准时钟取得，备用定时基准可以从同级节点时钟取得，也可以从备用二级节点时钟取得。

二、构建河北省速公路综合业务数字同步，网的设想和研讨

1根据省高速公路的整体规划，其通信网作为高速公路收费、监控的基础承载平台，与路网一同建设，将覆盖全省多数地区，并且沿线各个节点具有业务量小但语音、数据、图像等多种业务一应俱全的特点，传输、交换、接入等网络结构也将呈现出复杂性、多样性和规模性的特点，并逐步向推动高速公路信息化建设、建设智能化交通信息系统ITS的方向演进。根据国内外同步网的建设经验，要建设支撑如此广阔地域、如此复杂业务的数字同步网，从保证同步性能和可靠性的目的出发，应采用等级主从同步方式。

2．目前，基准钟可利用的时钟有省长途局BITS系统、铯钟、美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、铷钟和我国的北斗双星等。铯钟投资成本太高，北斗双星系统尚未商用化，省长途局BITS、GPS、GLONASS、铷钟的定时应用在性能、经济性、可维护性和使用便利等方面都具有优势，因此，在高速公路同步网中要以1个GPS接受机、2个二级钟(铷钟)和2路引自省长途局BITS结合的区域基准钟(LPR)构成基准钟系统。正常情况下，以引自省长途局LPR BITS为主用，卫星GPS、铷钟为备用的时钟冗余系统，且主备切换不能产生频率漂移，保证输出时钟分配的高精度稳定。

3．高速公路数字同步网的目标网分为两级结构，基准钟LPR和从钟ST3E。基准钟LPR负责向全省高速公路通信网的干线传输业务节点提供统一的同步基准源信号，从钟ST3E对上接受基准钟LPR传来的基准源信号，消除传输过程中的漂移积累和净化同步信号，对下给通信网的其他业务节点提供同步信号。从基准源设备的可靠性和安全性角度来考虑。拟在全省不同地点设置一主一备PRC。引自省长途局LPR应分配不同的物理路由，同时根据时钟同步信号的走向，一般每隔5～7个干线传输网元设置一从钟ST3E。

4．数字同步网系统的规划方案如图6所示：

ADM：(add drop multipleser)分插复用器特殊的传输设备，它将承载的输入信息分为两部分：一部分直接上传；一部分卸载本地。然后通过复用功能将转发部分和本地上传部分复合作为输出信息。

5．省高速公路网数字同步时钟系统组网原则采用主从同步方式，以省中心专用BITS系统或省中心程控数字交换机的基准时钟作为全网的同步基准来同步干线传输系统各网元设备的时钟。干线传输设备采用线路定时方式，从上游的STM-16／STM-4线路信号中提取定时信号供自身定时使用，同时发送到下游。当来自外部的定时信号失效时，各干线传输设备工作在内部定时方式，其内部时钟可以在保持模式下工作24h。此模式下，同步质量基本与外部定时信号相当，24h后，如果外部定时信号仍未恢复，则转入自由振荡模式。此模式下，频率精确度优于46×10^-6

重要节点设备除接受线路定时信号及本地时钟源外，还可以接受来自省长途局至少1路时钟同步信号输入及具备2路时钟信号输出的能力，其信号接口为同轴2．048Mb／s。

6根据全省高速公路通信网络结构及节点数量，河北省高速公路通信系统在省通信中心1套LPR区域基准时钟。LPR区域基准时钟由省长途局同步时钟、BITS系统、双铷钟、GPS、同步时钟网管设备等部分组成。

7省通信中心BITS数字同步系统以来自中国网通长途局的信号源作为系统主基准定时钟，以接受空中GPS7卫星信号和三级铷钟作为系统定时钟备用。定时信号采用2．048Mb／s，以树状结构分配局间定时基准信号，节点间利用干线传输系统STM-N信号自上游向下游进行时钟同步信号的传递，传输链路为树状，网内定时信号采用并行方式分配。

各路段干线SDH同步数字传输，综合业务接入网、程控交换等系统主设备必须提供2048Kb／s时钟信号接口。

8网同步实现方式为：

(1)SDH同步数字传输系统采用主从同步方式，即各路段中心(分中心)的传输设备同步于省通信中心的传输设备，定时信息通过SDH的STM-N线路信号传递下游设备，沿线中继器采用通过定时方式。

(2)程控交换系统采用主从同步方式：即各中心交换机(或二、三区地区汇接交换机)同步于省通信中心的传输设备。其余交换机同步于路中心交换机或地区汇接交换机。

(3)综合业务接入网系统采用等级主从同步方式：石黄、青银、京石三条高速公路的OLT分别由省通信中心BlTS系统分配2路2048Kb／s同步信息，其他路的OLT设备由本路实现了同步的程控交换系统提供同步信息或由本站的ADM设备提供外同步信息，ONU设备同步于OLT或上游的ONU设备。如下图所示：