基于GPON和EPON的時間同步技術(shù)

1 引言

　　無線業(yè)務(wù)對于回傳網(wǎng)絡(luò)(Wireless Backhaul，基站和無線交換設(shè)備之間的鏈路)的帶寬需求，隨著無線業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展而快速增加。過去，由于無線語音和低速無線數(shù)據(jù)是無線的主要業(yè)務(wù)，無線基站對帶寬需求較小，租用E1/T1線路就能夠滿足需求?，F(xiàn)在，隨著3G時代的到來，無線數(shù)據(jù)以及視頻業(yè)務(wù)的快速發(fā)展促使無線網(wǎng)絡(luò)對覆蓋和帶寬的需求持續(xù)增長。

　　然而由于帶寬的增長速度遠(yuǎn)高于收入的增長速度，運(yùn)營商面臨著增量不增收的矛盾。在運(yùn)營商的OPEX總成本中，回傳租用線約占45%。對于傳統(tǒng)語音業(yè)務(wù)而言，2G基站傳輸1～2個E1/T1已基本上可以滿足需求，此時帶寬與收入的矛盾還不突出;但是到了3G時代，基站通常需要4～5個E1接口，支持HSDPA的基站甚至可能需要8～16個E1/T1。因此，如果仍舊采用租用E1/T1的傳送方式，其網(wǎng)絡(luò)的OPEX將因?yàn)閹捫枨蟮脑鲩L而不斷上升，這就迫使運(yùn)營商尋找價格低廉而且有業(yè)務(wù)安全和質(zhì)量保證的無線回傳的解決方案。

　　PON作為可以滿足上述運(yùn)營商需求的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一，越來越受到運(yùn)營商以及標(biāo)準(zhǔn)組織的重視。GPON/10G GPON的時間同步解決方案在ITU-T相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)系列中已完成并公布，IEEE也正在制定EPON/10G EPON時間同步解決方案的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并即將發(fā)布。

　　2 無線回傳網(wǎng)絡(luò)的時間同步需求

　　對于WCDMA，由于采用了異步基站技術(shù)，因而不需要無線回傳網(wǎng)提供時間同步。對于 cdma2000以及TD-SCDMA，由于采用了同步基站技術(shù)，所以需要無線回傳網(wǎng)提供時間同步。4G的LTE也傾向于采用同步基站技術(shù)。根據(jù) 3GPP2標(biāo)準(zhǔn)(cdma2000國際標(biāo)準(zhǔn))的要求，時間同步的精度要優(yōu)于±3?s，因此基站與基準(zhǔn)時鐘時間同步的精度要優(yōu)于±1.5?s。根據(jù)3GPP 標(biāo)準(zhǔn)(TD-SCDMA以及WCDMA的國際標(biāo)準(zhǔn))對TD-SCDMA的要求，時間同步精度要優(yōu)于±3?s;同理，基站與基準(zhǔn)時鐘時間同步的精度要優(yōu)于±1.5?s。因此，基站與基準(zhǔn)時鐘相位同步的精度要求要優(yōu)于±1.5?s。

　　由上述分析可知，時間同步需求是cdma2000，TD-SCDMA，LTE等無線制式對回傳網(wǎng)絡(luò)的基本需求。如果PON不支持高精度的時間同步，則將無法作為這幾種無線制式的回傳網(wǎng)絡(luò)。

　　3 GPON/10G GPON時間同步標(biāo)準(zhǔn)

　　GPON/10G GPON的時間同步機(jī)制參見圖1。

　　圖1 GPON/10G GPON時間同步機(jī)制

　　圖1所示方法的具體步驟為：

　　(1)OLT首先與上一級設(shè)備完成時間同步。

　　(2)OLT計(jì)算出第X個Super Frame到達(dá)ONUi時對應(yīng)的ToDx,i(TIme of Day，時間)。

　　(3)OLT通過OMCI消息告知ONUi，當(dāng)?shù)赬個 Super Frame到達(dá)ONUi時對應(yīng)的ToDx,i。

　　(4)ONUi收到該OMCI消息后，對ToDx,i進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，得到精確的第X幀到達(dá)時間real_ToDx,i。

　　(5)ONUi在第X幀到達(dá)時，將其本地時間設(shè)置為 Real_ToDx,i即完成時間同步。

　　該方案的誤差主要由3部分引入：上/下行波長不同，Serdes，測距。

　　GPON的下行中心波長為1490nm，上行中心波長為1310nm。對于典型的 SMF-28光纖，下行的折射率n1490 = 1.4682，上行的折射率n1310 = 1.4677，兩者之差為0.0005，因此得到矯正因子為 。如果使用0.5作為近似值進(jìn)行計(jì)算，則引入的誤差約為170ppm，在最大的物理距離20km的情況下，大約為17ns。因?yàn)?0km的單向傳輸時延約為100?s，乘以這個170ppm，可以得到誤差約為17ns。這個值是可以通過計(jì)算補(bǔ)償?shù)摹?/span>

　　Serdes串并轉(zhuǎn)換的時延在ONU每次激活時都是不確定的，具體誤差取決于 Serdes位寬。對于目前比較常用的16bit位寬的Serdes，此處在相鄰兩次激活時引入的最大誤差可達(dá)±16bits。對于GPON來說，下行速率為2.488Gbit/s，則該誤差換算成時間約為±6.4ns。這個誤差的補(bǔ)償理論上也是可以由MAC芯片完成，但是實(shí)現(xiàn)相對困難：這要求ONU的 MAC芯片在ONU每次上線激活以后，提取Serdes具體偏移，然后再對其補(bǔ)償。

　　GPON測距時，不同ONU的Response TIme不定，可引入±1?s的誤差，從而使測出的單向時延的誤差為±0.5?s，從極端惡劣情況下對時間同步精確度的影響來看，這個補(bǔ)償必須做，否則將導(dǎo)致較大的精確度劣化。不過這個補(bǔ)償也是很容易實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樵谛酒龊靡院螅@個值相對固定，只需要加/減相應(yīng)的固定值即可。

　　GPON的EqD誤差：GPON的DoW告警觸發(fā)門限為±4bits，GPON的上行速率為1.244Gbit/s，換算為時間±3.2ns，則在單向時延上引入的最大誤差為±1.6ns。這個誤差在不改變現(xiàn)有GPON標(biāo)準(zhǔn)的前提下是無法補(bǔ)償?shù)摹?/span>

　　綜上所述，對于上下行波長不同引入的誤差，在20km的極限情況下約為17ns，這個誤差可以通過簡單計(jì)算補(bǔ)償;對于串并轉(zhuǎn)換引入的誤差，在使用16bit位寬的Serdes的情況下，約為±6.4ns，這個誤差也可以補(bǔ)償，但是實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，不推薦做;對于測距引入的誤差，在實(shí)現(xiàn)了response time補(bǔ)償?shù)那闆r下，為±1.6ns，這個誤差在不改變現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的情況下，無法補(bǔ)償：所以，在補(bǔ)償都實(shí)現(xiàn)的情況下，理論精度可以達(dá)到±1.6ns;在不做任何補(bǔ)償?shù)那闆r下，精度在±25ns以內(nèi)。10G GPON的誤差分析類似。

　　該方案在2008年12月的ITU-T SG15 Q2會議上首次提出即得到了廣大運(yùn)營商和設(shè)備商的認(rèn)可，認(rèn)為該方案利用了GPON本身的測距的結(jié)果以及GPON本身的下行幀同步機(jī)制，實(shí)現(xiàn)也較為簡單。后續(xù)Q2對此方案進(jìn)行了深入討論。2009年10月ITU-T SG15全會上，Q2與Q13就此問題進(jìn)行了聯(lián)合討論，該方案獲得認(rèn)可并正式寫入到了G.984標(biāo)準(zhǔn)(GPON的國際標(biāo)準(zhǔn))中。

　　對于10G GPON，由于測距以及下行幀同步等時間同步相關(guān)的機(jī)制跟GPON相同，因此10G GPON的時間同步方案沿用了G.984標(biāo)準(zhǔn)的方案，目前已經(jīng)寫入G.987.3(10G GPON的TC層標(biāo)準(zhǔn))以及G.988(10G GPON的OMCI標(biāo)準(zhǔn))的草稿中，近期就會正式發(fā)布。

　　華為積極參與了GPON以及10G GPON標(biāo)準(zhǔn)的制定，提出了大量有價值的技術(shù)方案，上述的GPON/10G GPON的時間同步方案就是由華為最先提出的。華為的專家Frank Effenberger為ITU-T SG15 Q2(負(fù)責(zé)GPON/10G GPON標(biāo)準(zhǔn)的制定)的大會報告起草人(Rapporteur)，并兼任G.984.3(GPON國際標(biāo)準(zhǔn)的TC層部分)的標(biāo)準(zhǔn)合編者(co- editor)， Yuanqiu Luo為G.987.3(10G GPON國際標(biāo)準(zhǔn)的TC層部分)的co-editor，林薇為G.988(10G GPON國際標(biāo)準(zhǔn)的OMCI部分)的co-editor，為推動GPON/10G GPON標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)展做出了重要的貢獻(xiàn)。