GPON系統(tǒng)1588時(shí)間同步技術(shù)的研究與應(yīng)用

摘要：GPON作為移動(dòng)通信的基站回傳方案需要支持高精度的時(shí)間同步，本文首先簡(jiǎn)單介紹了IEEE 1588v2協(xié)議基本機(jī)制，然后分析了在GPON系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)1588的幾大難點(diǎn)，并介紹了烽火GPON特殊系統(tǒng)框架下的時(shí)間同步實(shí)現(xiàn)方案架構(gòu)，給出了可靠的測(cè)試數(shù)據(jù)，最后針對(duì)GPON系統(tǒng)時(shí)間同步還存在的問題提出了針對(duì)性的建議。

關(guān)鍵詞：基站回傳;時(shí)間同步;IEEE 1588v2;GPON;內(nèi)部同步機(jī)制

近年來，隨著3G技術(shù)的普及和4G時(shí)代的來臨，無線業(yè)務(wù)出現(xiàn)了爆炸式的增長(zhǎng)。如果仍采用租用E1/T1的回傳方式，網(wǎng)絡(luò)的OPEX將因?yàn)閹挊I(yè)務(wù)的增長(zhǎng)而不斷上升，因此急需成本低廉而且業(yè)務(wù)安全和質(zhì)量有保證的基站回傳解決方案。利用GPON的多業(yè)務(wù)匯聚能力可以實(shí)現(xiàn)基站回傳，并且相對(duì)于PTN和IP RAN方案有著巨大的成本優(yōu)勢(shì)，有望成為未來小型基站回傳的主導(dǎo)模式。在現(xiàn)網(wǎng)的移動(dòng)通信制式中，3G的CDMA2000、TD—SCDMA制式以及4G的 WiMAX/LTE制式，都使用了同步基站技術(shù)，基站工作的切換、漫游等都需要高精度的時(shí)間同步提供精確的時(shí)間控制?，F(xiàn)階段應(yīng)用最為成熟和廣泛的時(shí)問同步技術(shù)是GPS衛(wèi)星授時(shí)方式，但是存在成本高，選址施工困難，故障率高，政治不安全因素等問題，不是大規(guī)模使用的理想方案?；谟布r(shí)間戳技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議的IEEE1588v2時(shí)間同步可以達(dá)到ns級(jí)的時(shí)間同步精度，克服了GPS衛(wèi)星授時(shí)的各種弊端，已經(jīng)被運(yùn)營(yíng)商接受為未來的主流的時(shí)間同步技術(shù)。由此可見，PON必須支持IEEE1588v2時(shí)間同步才能應(yīng)用于回傳網(wǎng)絡(luò)中。

1 IEEE1588v2時(shí)間同步技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 IEEE1588v2協(xié)議簡(jiǎn)介

IEEE1588中文全稱是“網(wǎng)絡(luò)測(cè)量和控制系統(tǒng)的精密時(shí)鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)”，它定義了一種精確時(shí)間協(xié)議PTP(Precision Time Protocol)，用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中不同設(shè)備間的精確時(shí)間同步。協(xié)議共有兩個(gè)版本，v2版本針對(duì)通信網(wǎng)的特點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)，更適合通信領(lǐng)域的應(yīng)用。IEEE1588v2時(shí)間同步需要軟件協(xié)議和硬件高精度時(shí)間戳技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)。

1.2 時(shí)延測(cè)量機(jī)制

時(shí)延測(cè)量機(jī)制是1588時(shí)間同步的最為核心的部分，基本原理是采用主從時(shí)鐘方式，通過節(jié)點(diǎn)之間交換PTP協(xié)議報(bào)文測(cè)量對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)之間的時(shí)延確定主從時(shí)鐘之間的時(shí)間偏差，由此糾正從時(shí)鐘的時(shí)間實(shí)現(xiàn)同步。因此需要軟件協(xié)議和硬件時(shí)間戳技術(shù)的結(jié)合才能完成。時(shí)延測(cè)量機(jī)制幾種報(bào)文交換和時(shí)戳獲取的一般過程如圖1所示。

圖中t1是Master時(shí)鐘發(fā)送Sync報(bào)文時(shí)，Master時(shí)鐘本地的時(shí)間;t2是Slave時(shí)鐘接收Sync報(bào)文時(shí)，Slave時(shí)鐘本地時(shí)間;t3是 Slave時(shí)鐘發(fā)送Delay_Req報(bào)文時(shí)，Slave時(shí)鐘本地時(shí)間;t4是Master時(shí)鐘接收Delay_Req報(bào)文時(shí)，Master時(shí)鐘本地的時(shí)間，并寫入Delay_Resp報(bào)文中發(fā)送給Slave時(shí)鐘。假設(shè)主從時(shí)鐘之間的鏈路時(shí)延是對(duì)稱的，即報(bào)文交互的上下行所用時(shí)間相同時(shí)，從時(shí)鐘根據(jù)已知的 4個(gè)時(shí)間值，可以計(jì)算出與主時(shí)鐘的時(shí)間偏移量和鏈路時(shí)延。設(shè)主從時(shí)鐘之間的鏈路時(shí)延為Delav，主從時(shí)鐘之間的時(shí)間偏差為Offset，可以得到

時(shí)延測(cè)量機(jī)制的前提是：主從時(shí)鐘之間的鏈路時(shí)延是對(duì)稱的，也就是tms=tsm=Delay。如果不對(duì)稱的時(shí)延是固定的，可以在實(shí)際測(cè)試中通過補(bǔ)償來修正，時(shí)延不固定將帶來直接誤差，1588自身機(jī)制無法檢測(cè)和消除這種誤差，并且能夠累積傳送到下游時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

需要注意的是，t1時(shí)戳的獲取方式有one_step模式和two_step模式兩種，one_step模式由Svnc報(bào)文直接獲取，而two_step 模式是由一段時(shí)間后發(fā)送的Follow_Up報(bào)文發(fā)送獲取，如圖1中所示。這兩種模式只與芯片處理能力有關(guān)，不影響時(shí)延測(cè)量計(jì)算方式。

1.3 時(shí)鐘模型

IEEE1588v2將網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)支持1588的節(jié)點(diǎn)設(shè)備定義為一個(gè)時(shí)鐘，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景協(xié)議定義了OC、BC、TC這3種時(shí)鐘模型：

1)普通時(shí)鐘OC(Ordinay Clock)。網(wǎng)絡(luò)始端或終端設(shè)備，該設(shè)備只有一個(gè)PTP端口，只工作在Slave或Master狀態(tài)。

2)邊界時(shí)鐘BC(Boundary Clock)。網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)設(shè)備，該設(shè)備有多個(gè)PTP端口。其中一個(gè)端口可作為Slave，設(shè)備系統(tǒng)時(shí)鐘和時(shí)間通過此端口同步于上一級(jí)設(shè)備，其他端口作為 Master，提供給下一級(jí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的Slave端口用作同步，實(shí)現(xiàn)逐級(jí)的時(shí)間傳遞。

3)透?jìng)鲿r(shí)鐘TC(Transparent Clock)。網(wǎng)絡(luò)中間透?jìng)鲿r(shí)間設(shè)備，該設(shè)備不終結(jié)PTP同步報(bào)文，也不用同步于上一級(jí)設(shè)備。只是對(duì)報(bào)文中修正域數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，并轉(zhuǎn)發(fā)到下一節(jié)點(diǎn)。按照鏈路時(shí)延計(jì)算方式，可分為E2E(END TO END)和P2P(PEER TO PEER)兩種。

E2E模式：在始端和末端交互報(bào)文，進(jìn)行線路時(shí)延的計(jì)算。在中間節(jié)點(diǎn)只計(jì)算駐留時(shí)間并修正correction Field。

P2P模式：在始端到末端的每一段都進(jìn)行線路時(shí)延和節(jié)點(diǎn)駐留時(shí)間的計(jì)算，將計(jì)算的值累加并修正correction Field，傳送給末端。

1.4 BMC算法

IEEE1588v2中定義了最優(yōu)時(shí)間源算法BMCA (Best Master Clock Algorithm)，能夠自動(dòng)選擇時(shí)間同步網(wǎng)中的最優(yōu)時(shí)間服務(wù)器，自動(dòng)選擇同步路徑，并能在時(shí)間源故障和鏈路故障時(shí)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)時(shí)間源和同步路徑的切換。 BMC算法通過每個(gè)PTP端口接收到的Announce報(bào)文獲取每條同步路徑對(duì)應(yīng)的GM(祖父時(shí)鐘)的信息，根據(jù)數(shù)據(jù)集比較算法按照一定的順序依次比較不同GM之間的各項(xiàng)時(shí)鐘信息，選出最優(yōu)的時(shí)鐘，最后通過狀態(tài)決策算法決策最佳的GM對(duì)應(yīng)的PTP端口，完成選源操作。這3個(gè)流程會(huì)根據(jù)設(shè)定的周期重復(fù)進(jìn)行。對(duì)于同一個(gè)域中的時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)設(shè)備，不論網(wǎng)絡(luò)中部署了幾個(gè)不同的時(shí)間服務(wù)器，只要各節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘都是統(tǒng)一于IEEE1588v2的BMC算法，協(xié)議就能根據(jù)GM不同的參數(shù)配置，實(shí)現(xiàn)有條不紊的時(shí)間源選擇和切換。

2 GPON系統(tǒng)時(shí)間同步技術(shù)研究

2.1 OLT與ONU之間的同步機(jī)制

在GPON系統(tǒng)中，OLT和ONU與一般的時(shí)間同步節(jié)點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)景一致，可以直接參考PTN設(shè)備的設(shè)計(jì)理念，OLT與ONU之間的同步則不能參考。OLT下行和ONU上行通過不同的波長(zhǎng)在同一根光纖中實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用(WDM)，但是OLT下行采用廣播方式，時(shí)延較小，ONU上行使用TDMA方式發(fā)送數(shù)據(jù)，依照OLT的授權(quán)時(shí)間片來發(fā)送，因而上行時(shí)延難以控制，對(duì)于鏈路對(duì)稱性有嚴(yán)格要求的1588時(shí)延測(cè)量機(jī)制來說，這是不可容忍的。

在GPON系統(tǒng)中，下行時(shí)延可以通過測(cè)距獲得，因此可以不使用IEEE 1588v2的延時(shí)測(cè)量機(jī)制計(jì)算時(shí)延。OLT從上級(jí)時(shí)間同步源同步了時(shí)間后，OLT與ONU之間可以通過其內(nèi)部機(jī)制進(jìn)行時(shí)間同步，ONU通過由OLT下行某一幀中所帶精確時(shí)間信息，加上通過測(cè)距算得的時(shí)延來同步自身的時(shí)間，其基本原理如圖2所示，GPON基于125us幀傳輸，每個(gè)幀頭固定有一個(gè) super frame指示位，以此來標(biāo)記時(shí)間。

GPON系統(tǒng)中OLT與ONU之間的這種機(jī)制由ITU—T在G.984.3_AMD_2中進(jìn)行了詳細(xì)定義，包含高精度時(shí)間信息的的ToD消息通過OMCI通道發(fā)送給ONU。具體步驟如下：

1)OLT選取未來的super frame計(jì)數(shù)為N的某下行幀發(fā)送時(shí)間作為同步時(shí)間參考點(diǎn)，并計(jì)算出陔下行幀幀頭到達(dá)零距離時(shí)延ONU的時(shí)間TstampN，如式3所示

TsendN表示預(yù)測(cè)的未來超幀計(jì)數(shù)為N的超幀發(fā)送時(shí)的內(nèi)部參考時(shí)間點(diǎn)，△OLT表示在OLT內(nèi)部的時(shí)延。n1310和n1490分別表示波長(zhǎng)為1 310 nm和1 490 nm的上下行光對(duì)應(yīng)的折射率;

2)計(jì)算出該時(shí)間TstampN并存儲(chǔ)同步時(shí)間關(guān)系對(duì)(N，TstampN)，在此后的任意時(shí)刻，OLT都可選取某一下行幀將此關(guān)系對(duì)通過OMCI通道下發(fā)給任意某ONUi;

3)該ONUi根據(jù)自身的EqD以及處理時(shí)間等計(jì)算出序號(hào)為N的下行幀幀頭到達(dá)本地的準(zhǔn)確時(shí)間TrecvN,i，如式(5)所示

△i表示在ONU內(nèi)部的時(shí)延;

4)當(dāng)序號(hào)為N的下行幀到達(dá)ONUi時(shí)，ONUi將本地時(shí)間調(diào)整為TrecvN,i，從而完成與OLT的時(shí)間同步。

2.2 GPON系統(tǒng)的時(shí)鐘模型

GPON系統(tǒng)由于自身架構(gòu)的復(fù)雜，在時(shí)鐘模型的分析上相對(duì)于PTN設(shè)備也有所不同。若將GPON作為一個(gè)整體分析，OLT上接承載網(wǎng)時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)，ONU下接基站，即有Slave端口也有Master端口，應(yīng)該視作一個(gè)BC;但是將GPON各個(gè)部分分開分析，OLT和ONU幾乎是兩個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)，并且 OLT處終結(jié)了1588，ONU處是作為起點(diǎn)發(fā)起1588，這就可以將OLT和ONU視為OC模型。因此，可以將GPON看作一個(gè)由兩個(gè)背靠背的OC組成的BC模型，如圖3所示。

2.3 GPON系統(tǒng)的時(shí)鐘同步

高精度的時(shí)間同步是以高精度的時(shí)鐘同步為基礎(chǔ)的，目前的1588時(shí)間同步方案中，為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的時(shí)間同步性能，都使用了1588+SyncE的混合同步方式。在GPON系統(tǒng)架構(gòu)下OLT可以從上游的物理線路中提取同步以太網(wǎng)時(shí)鐘，也可以通過純1588v2協(xié)議來實(shí)現(xiàn)頻率同步，這個(gè)頻率也是與上游同源的，并且都可以向下游傳遞;OLT到ONU之間也支持SvncE同步以太網(wǎng)時(shí)鐘同步;ONU再將從OLT獲得的時(shí)鐘繼續(xù)向下游基站傳輸，這樣就與核心網(wǎng)組成了不間斷的SyncE頻率同步網(wǎng)絡(luò)。

3 GPON系統(tǒng)時(shí)間同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在整個(gè)GPON系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步需要經(jīng)過3個(gè)部分的流程：OLT與上游設(shè)備的同步、OLT和ONU之間的同步、ONU與下游基站的同步。 OLT作為GPON的時(shí)間接入點(diǎn)，支持帶內(nèi)1588方式同步于上游承載網(wǎng)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，同時(shí)還需要預(yù)留帶外1PPS+TOD接口同步于GPS時(shí)間作為備用;在 ONU側(cè)，ONU作為GPON的時(shí)間輸出點(diǎn)，支持帶內(nèi)1588方式與下游基站進(jìn)行同步，同時(shí)還需要預(yù)留帶外1PPS+TOD接口直接輸出給支持帶外方式的基站使用;OLT與ONU之間則是通過ITU—T在G.984.3_AMD_2中定義的內(nèi)部機(jī)制由OMCI通道下發(fā)ToD給ONU進(jìn)行同步。在頻率同步方面，GPON整個(gè)系統(tǒng)都支持SyncE頻率同步，并且OLT預(yù)留了BITS時(shí)鐘接口，ONU也能直接輸出2 M時(shí)鐘。系統(tǒng)框架如圖4所示。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

文中提出的這套方案已經(jīng)在烽火通信GPON設(shè)備中得到實(shí)現(xiàn)，并且進(jìn)行了全面的系統(tǒng)測(cè)試，獲得了全面的測(cè)試數(shù)據(jù)。使用OLT的帶外接口同步GPS的1PPS+TOD，并由ONU的1PPS+ TOD接口直接輸出，這里主要驗(yàn)證OLT與ONU之間的內(nèi)部機(jī)制，測(cè)試時(shí)間150000 s左右，TIE性能為-0.5～+1.5 ns，曲線如圖5所示，結(jié)果表明內(nèi)部機(jī)制完全符合指標(biāo)。

配置OLT和ONU都使用帶內(nèi)1588方式同步，驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)時(shí)間同步性能，測(cè)試時(shí)間65 000s左右，儀表Slave端口的CTEDTE性能，滑動(dòng)平均窗口10 s，性能為-42～22.5 ns，曲線如圖6所示，系統(tǒng)的時(shí)間同步性能穩(wěn)定，并且符合測(cè)試指標(biāo)，此套設(shè)計(jì)方案可行。

5 結(jié)束語

本文提出的GPON系統(tǒng)時(shí)間同步方案在烽火的GPON設(shè)備中得到實(shí)現(xiàn)，用大量的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試進(jìn)行了驗(yàn)證，目前已經(jīng)在武漢電信、湛江移動(dòng)、福州移動(dòng)等LTE基站回傳現(xiàn)網(wǎng)試點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試性能良好，已具備商用條件。GPON有著優(yōu)異的多業(yè)務(wù)承載能力，時(shí)間同步技術(shù)發(fā)展也十分迅速，相信未來將成為小型基站回傳的主流方案;同時(shí)，GPON對(duì)1588時(shí)間同步的支持，彌補(bǔ)了1588在接入網(wǎng)側(cè)的空白，有助于全網(wǎng)組建1588時(shí)間同步網(wǎng)。