PTN時(shí)鐘同步技術(shù)及應(yīng)用

摘要:時(shí)鐘同步是分組傳送網(wǎng)(PTN)需要考慮的重要問(wèn)題之一?？梢圆捎猛揭蕴W(wǎng)、IEEE 1588v2、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)等多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步。同步以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的同步狀態(tài)信息(SSM)算法存在時(shí)鐘成環(huán)，以及難以對(duì)節(jié)點(diǎn)跟蹤統(tǒng)計(jì)的問(wèn)題。中興通訊提出了一種擴(kuò)展SSM算法可以改進(jìn)時(shí)鐘同步問(wèn)題。在時(shí)間同步方面，由于NTP的精度還無(wú)法滿足電信網(wǎng)的需求，僅采用1588v2又會(huì)帶來(lái)收斂時(shí)間較慢、在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時(shí)時(shí)間延遲精度容易受到影響等問(wèn)題。中興通訊提出了同步以太網(wǎng)基礎(chǔ)的1588v2時(shí)間傳遞方案，對(duì)提高PTN網(wǎng)絡(luò)中時(shí)間同步的精度起到了較好的作用。

關(guān)鍵字:分組傳送網(wǎng)；同步以太網(wǎng)；時(shí)間同步；延遲

英文摘要:Clock synchronization is an important issue in Packet Transport Networking (PTN). Current clock synchronization technologies include synchronous Ethernet, IEEE 1588v2, and Network Time Protocol (NTP). However, challenges such as clock ring and difficulty tracing and counting nodes have arisen in Synchronous Ethernet standard Synchronization Status Message (SSM) algorithm. ZTE therefore proposes using an extended SSM algorithm. In time synchronization, the accuracy of NTP cannot meet the needs of telecommunication networks, and only using 1588v2 slows convergence time. The precision for time delay is easily affected when the network is heavily loaded. ZTE proposes a 1588v2 scheme based on synchronous Ethernet in order to effectively raise the precision of PTN time synchronization.

英文關(guān)鍵字:PTN; synchronous ethernet; time synchronization; delay

當(dāng)運(yùn)營(yíng)商對(duì)分組傳送網(wǎng)(PTN)取代傳統(tǒng)時(shí)分復(fù)用(TDM)傳輸網(wǎng)的需求日益明顯時(shí)，如何解決時(shí)鐘同步成為重要問(wèn)題之一。對(duì)分組傳送網(wǎng)的同步需求有兩個(gè)方面：一是可以承載TDM業(yè)務(wù)并提供TDM業(yè)務(wù)時(shí)鐘恢復(fù)的機(jī)制，使得TDM業(yè)務(wù)在穿越分組網(wǎng)絡(luò)后仍滿足一定的性能指標(biāo)(如ITU-T G.823/G.824規(guī)范)；二是分組網(wǎng)絡(luò)可以像TDM網(wǎng)絡(luò)一樣，提供高精度的網(wǎng)絡(luò)參考時(shí)鐘，滿足網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(如基站)的同步需求。

1 同步技術(shù)

時(shí)鐘同步包括：頻率同步和時(shí)間同步。頻率同步要求相同的時(shí)間間隔，時(shí)間同步要求時(shí)間的起始點(diǎn)相同和相同的時(shí)間間隔。

無(wú)線技術(shù)不同制式對(duì)時(shí)鐘的承載有不同的需求，GSM/WCDMA采用的是異步基站技術(shù)，只需要做頻率同步，精度要求0.05 ppm，而TD-SCDMA/CDMA2000需要時(shí)間同步，TD- SCDMA的精度要求為±1.5 μs。

從2004年開始，國(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)部門(ITU-T)Q13/SG15開始逐步制訂關(guān)于分組網(wǎng)同步技術(shù)的系列建議書，主要有：G.8261(定義總體需求)、G.8262(定義設(shè)備時(shí)鐘的性能)、G.8264(主要定義體系結(jié)構(gòu)和同步功能模塊)。

IEEE在2002年發(fā)布了IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了一種精確時(shí)間同步協(xié)議(PTP)。IEEE 1588是針對(duì)局域網(wǎng)組播環(huán)境制訂的標(biāo)準(zhǔn)，在電信網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜環(huán)境下，應(yīng)用將受到限制。因此在2008年又發(fā)布了IEEE 1588v2(以下簡(jiǎn)稱1588v2)，該版本中增加了適應(yīng)電信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的技術(shù)特點(diǎn)[1-5]。

因特網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議(NTP)實(shí)現(xiàn)了Internet上用戶與時(shí)間服務(wù)器之間時(shí)間同步。

2 同步以太網(wǎng)技術(shù)

物理層同步技術(shù)在傳統(tǒng)同步數(shù)字體系(SDH)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用廣泛。每個(gè)節(jié)點(diǎn)可從物理鏈路提取線路時(shí)鐘或從外部同步接口獲取時(shí)鐘，從多個(gè)時(shí)鐘源中進(jìn)行時(shí)鐘質(zhì)量選擇，使本地時(shí)鐘鎖定在質(zhì)量最高的時(shí)鐘源，并將鎖定后的時(shí)鐘傳送到下游設(shè)備。通過(guò)逐級(jí)鎖定，全網(wǎng)逐級(jí)同步到主參考時(shí)鐘(PRC)被實(shí)現(xiàn)。對(duì)分組網(wǎng)絡(luò)也可采取相似的技術(shù)，其原理如圖1所示。

2.1 同步以太網(wǎng)原理

分組網(wǎng)絡(luò)中的同步以太網(wǎng)技術(shù)是一種采用以太網(wǎng)鏈路碼流恢復(fù)時(shí)鐘的技術(shù)。以太網(wǎng)物理層編碼采用4B/5B(FE)和8B/10B(GE)技術(shù)，平均每4個(gè)比特就要插入一個(gè)附加比特，這樣在其所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)碼流中不會(huì)出現(xiàn)連續(xù)4個(gè)1或者4個(gè)0，可有效地包含時(shí)鐘信息。在以太網(wǎng)源端接口上使用高精度的時(shí)鐘發(fā)送數(shù)據(jù)，在接收端恢復(fù)并提取這個(gè)時(shí)鐘，時(shí)鐘性能可以保持高精度。

同步以太網(wǎng)原理如圖2所示。在圖2中發(fā)送側(cè)設(shè)備(節(jié)點(diǎn)A)將高精度時(shí)鐘注入以太網(wǎng)的物理層芯片，物理層芯片用這個(gè)高精度的時(shí)鐘將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。接收側(cè)的設(shè)備(B節(jié)點(diǎn))的物理層芯片可以從數(shù)據(jù)碼流中提取這個(gè)時(shí)鐘。在這個(gè)過(guò)程中時(shí)鐘的精度不會(huì)有損失，可以與源端保證精確的時(shí)鐘同步。同步以太網(wǎng)傳遞時(shí)鐘的機(jī)制與SDH網(wǎng)絡(luò)基本相似，也是從以太網(wǎng)物理鏈路恢復(fù)時(shí)鐘，因此從恢復(fù)的時(shí)鐘質(zhì)量不受鏈路業(yè)務(wù)流量影響，可提供與SDH/SONET網(wǎng)絡(luò)相同的時(shí)鐘樹部署和時(shí)鐘質(zhì)量，完全滿足G.823規(guī)定的定時(shí)接口指標(biāo)。

2.2 同步以太網(wǎng)SSM算法

同步狀態(tài)信息(SSM)算法源于SDH的時(shí)鐘同步控制，使用規(guī)則和時(shí)鐘選擇算法符合ITU-T G.781的規(guī)范。同步以太網(wǎng)的SSM控制繼承了SDH網(wǎng)絡(luò)特性，在傳統(tǒng)時(shí)鐘網(wǎng)的基礎(chǔ)上通過(guò)增加以太網(wǎng)同步消息信道(ESMC)豐富了同步以太網(wǎng)的支持。G.8264里對(duì)其進(jìn)行了描述。以太網(wǎng)同步消息信道是媒體訪問(wèn)控制(MAC)層的單向廣播協(xié)議信道，用于在設(shè)備間傳送同步狀態(tài)信息SSM。設(shè)備根據(jù)ESMC報(bào)文的SSM信息選擇最優(yōu)的時(shí)鐘源。

雖然標(biāo)準(zhǔn)SSM算法能夠很好地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘的同步，但是它有兩個(gè)不足之處：一是不能很好地處理同步時(shí)鐘成環(huán)的問(wèn)題。需要在工程上和時(shí)鐘配置的時(shí)候特別注意，保證避免出現(xiàn)時(shí)鐘成環(huán)的情況。二是時(shí)鐘信號(hào)的衰減問(wèn)題。隨著同步鏈路數(shù)的增加，同步分配過(guò)程的噪聲和溫度變化所引起的漂移都會(huì)使定時(shí)基準(zhǔn)信號(hào)的質(zhì)量逐漸劣化，因此在同一個(gè)同步鏈路上實(shí)際的可同步網(wǎng)元的數(shù)目是受限的，而通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)SSM難以對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行跟蹤統(tǒng)計(jì)。

中興通訊PTN設(shè)備采用了改進(jìn)的擴(kuò)展SSM算法，在ESMC報(bào)文里使用兩個(gè)類型-長(zhǎng)度-取值(TLV)傳遞SSM信息。第一個(gè)TLV傳遞原SSM字節(jié)的信息為同步質(zhì)量等級(jí)，遵循ITU－T標(biāo)準(zhǔn)；另外一個(gè)TLV用于路徑保護(hù)。改進(jìn)的算法具有如下優(yōu)勢(shì)：

從根本上防止了時(shí)鐘成環(huán)。

當(dāng)存在多條時(shí)鐘路徑時(shí)，自動(dòng)選擇最優(yōu)(最短)路由。

只要存在到達(dá)主時(shí)鐘的路由，網(wǎng)元就會(huì)跟蹤主時(shí)鐘，而不會(huì)進(jìn)入自由振蕩狀態(tài)。

算法為低層分布式處理，因此各網(wǎng)元地位等同，操作簡(jiǎn)單。

標(biāo)準(zhǔn)的S1字節(jié)可以直接使用，不影響與其他廠家設(shè)備的對(duì)接。