PTN時(shí)鐘同步技術(shù)及應(yīng)用

3 時(shí)間同步技術(shù)

時(shí)間同步技術(shù)是頻率同步的進(jìn)一步發(fā)展。分組時(shí)間同步技術(shù)采用分組協(xié)議數(shù)據(jù)單元作為時(shí)鐘或時(shí)間信息的載體，是實(shí)現(xiàn)主時(shí)鐘與從時(shí)鐘時(shí)間之間同步比較好的方式。其基本原理如圖3所示。

3.1 網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議

在IEEE 1588v2技術(shù)出現(xiàn)以前，在分組網(wǎng)絡(luò)中用于時(shí)間同步的協(xié)議主要的有3種：時(shí)間協(xié)議、日時(shí)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)。NTP由純軟件實(shí)現(xiàn)，精度比較低。目前廣泛使用的NTPv3可以達(dá)到10 ms左右的同步精度。IETF正在進(jìn)行NTPv4的標(biāo)準(zhǔn)工作，支持IPv6和動態(tài)發(fā)現(xiàn)服務(wù)器，預(yù)計(jì)同步精度可達(dá)到10 μs級。NTP的穩(wěn)定性和精度還不能滿足電信網(wǎng)的高要求。

3.2 1588v2協(xié)議

3.2.1 1588v2協(xié)議的實(shí)現(xiàn)原理

1588v2是未來統(tǒng)一提供時(shí)間同步和頻率同步的方法，能適合于不同傳送平臺的局間時(shí)頻傳送，既可以基于1588v2的時(shí)間戳以基于分組的時(shí)間傳送(TOP)方式單向傳遞頻率，也可使用IEEE 1588v2的協(xié)議實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，在PTN設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。

1588v2時(shí)間同步的核心思想是采用主從時(shí)鐘方式，對時(shí)間信息進(jìn)行編碼，利用網(wǎng)絡(luò)的對稱性和延時(shí)測量技術(shù)，通過報(bào)文消息的雙向交互實(shí)現(xiàn)主從時(shí)間的同步。

1588v2協(xié)議原理如圖4所示。圖中，Delay=(T2-T1+T4-T3)/2，Offset=(T2-T1-T4+T3)/2。
主時(shí)鐘(Master)與從時(shí)鐘(Slave)之間發(fā)送Sync、Follow_Up、Delay_Req、Delay_Resp消息。通過T1、T2、T3、T4這4個(gè)值，主從時(shí)種可計(jì)算出Master與Slave之間延遲(Delay)，以及Master與Slave的時(shí)間差(Offset)。

同步消息類型有一般消息和事件消息。一般消息(例如Follow_Up)本身不進(jìn)行時(shí)戳處理，它可以攜帶事件消息(如Sync)的準(zhǔn)確發(fā)送或接收時(shí)間，還具有完成網(wǎng)絡(luò)配置、管理，或PTP節(jié)點(diǎn)之間通信的功能。事件消息本身需要進(jìn)行時(shí)戳處理，并可攜帶或不攜帶時(shí)戳。從時(shí)鐘根據(jù)事件消息的時(shí)戳或由一般消息攜帶的時(shí)戳計(jì)算路徑延遲和主從時(shí)鐘之間的時(shí)間差。

3.2.2 時(shí)鐘類型

1588v2基于Ethernet/IPv4/v6/UDP等協(xié)議之上，共定義了3種基本時(shí)鐘類型：普通時(shí)鐘(OC)、邊界時(shí)鐘(BC)和透明時(shí)鐘(TC)。

普通時(shí)鐘是單端口器件，可以作為主時(shí)鐘或從時(shí)鐘。一個(gè)同步域內(nèi)只能有唯一的主時(shí)鐘。主時(shí)鐘的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性直接關(guān)系到整個(gè)同步網(wǎng)絡(luò)的性能。一般可考慮PRC或同步于全球定位系統(tǒng)(GPS)。從時(shí)鐘的性能決定時(shí)戳的精度以及Sync消息的速率。

邊界時(shí)鐘是多端口器件，可連接多個(gè)普通時(shí)鐘或透明時(shí)鐘。邊界時(shí)鐘的多個(gè)端口中，有一個(gè)作為從端口，連接到主時(shí)鐘或其他邊界時(shí)鐘的主端口，其余端口作為主端口連接從時(shí)鐘或下一級邊界時(shí)鐘的從端口，或作為備份端口。

透明時(shí)鐘連接主時(shí)鐘與從時(shí)鐘，它對主從時(shí)鐘之間交互的同步消息進(jìn)行透明轉(zhuǎn)發(fā)，并且計(jì)算同步消息(如Sync、Delay_Req)在本地的緩沖處理時(shí)間，并將該時(shí)間寫入同步消息的CorrectionField字節(jié)塊中。從時(shí)鐘根據(jù)該字節(jié)中的值和同步消息的時(shí)戳值Delay和Offset實(shí)現(xiàn)同步。TC又可分為E2E TC和P2P TC。

3.2.3 1588v2協(xié)議的延遲

延遲是影響1588v2精度的主要因素之一。延遲主要有時(shí)戳處理延遲、節(jié)點(diǎn)緩沖延遲和路徑延遲。

(1)時(shí)戳處理延遲

1588v2的時(shí)戳處理由硬件完成，時(shí)戳處理單元的位置處于物理層與MAC層之間。如圖5所示。

硬件時(shí)戳處理可以補(bǔ)償1588v2協(xié)議幀通過協(xié)議棧時(shí)消耗的時(shí)間，保證端口消息發(fā)送和接收時(shí)戳的精度。

(2)節(jié)點(diǎn)緩沖與路徑延遲

1588v2定義兩種透明時(shí)鐘，用于節(jié)點(diǎn)緩沖延遲補(bǔ)償：E2E TC和P2P TC。對于傳輸路徑的補(bǔ)償，有兩種方式：時(shí)延請求反應(yīng)方式和點(diǎn)對點(diǎn)時(shí)延方式。

時(shí)延請求反應(yīng)方式結(jié)合E2E TC使用。TC只需要在入口和出口處在報(bào)文上標(biāo)記處理時(shí)戳，時(shí)間延遲補(bǔ)償?shù)挠?jì)算全部由Slave完成。

點(diǎn)對點(diǎn)時(shí)延方式結(jié)合P2P TC使用。TC參與端點(diǎn)間的時(shí)間延遲計(jì)算，每個(gè)端點(diǎn)分別與TC交互，并計(jì)算P2P之間的時(shí)間延遲。Slave利用計(jì)算結(jié)果計(jì)算延遲補(bǔ)償。

3.2.4 1588v2協(xié)議在PTN上的實(shí)現(xiàn)

1588v2的同步精度在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署中受到多方面因素的影響，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境(如微波和交換網(wǎng)絡(luò)的混合組網(wǎng))的使用目前還在研究當(dāng)中。在純分組的測試網(wǎng)絡(luò)中，1588v2可以達(dá)到100 ns級的精度，但是由于網(wǎng)絡(luò)時(shí)延復(fù)雜性和1588v2的雙向路徑非對稱性的不可控，導(dǎo)致單純依賴1588v2協(xié)議和數(shù)理分析算法去適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，存在著難以預(yù)知的風(fēng)險(xiǎn)。例如在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較重時(shí)，由于單純1588v2報(bào)文發(fā)包頻率很高，在網(wǎng)絡(luò)中1588v2報(bào)文容易受到業(yè)務(wù)報(bào)文的影響，對時(shí)間延遲精度產(chǎn)生很大的影響。而降低報(bào)文發(fā)包頻率，又會導(dǎo)致時(shí)間收斂速度較慢。另外在實(shí)際工程中，需要對1588v2算法進(jìn)行雙向路徑非對稱性補(bǔ)償。非對稱性主要來源于光纖不對稱。測量光纖不對稱通常做法是采用昂貴的時(shí)間同步測試儀和示波器進(jìn)行時(shí)間誤差測量，再進(jìn)行非對稱性時(shí)延補(bǔ)償。由于PTN接入節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，工作量大且需要專業(yè)人員操作，而且時(shí)間同步測試儀和示波器等相關(guān)儀器工程人員攜帶不方便，難以普遍推廣實(shí)施，導(dǎo)致1588v2在工程可實(shí)施性上存在爭論。

中興通訊的PTN產(chǎn)品針對上述問題，提出了同步以太網(wǎng)基礎(chǔ)的1588v2時(shí)間傳遞方案。方案核心思想是建立時(shí)鐘和時(shí)間分離且高度可控的網(wǎng)絡(luò)，排除了不可預(yù)知的風(fēng)險(xiǎn)。在同步以太網(wǎng)物理層穩(wěn)定頻率同步的基礎(chǔ)上實(shí)施1588v2，有助于時(shí)間同步的快速收斂，而且可以降低1588v2報(bào)文發(fā)送頻率，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較重時(shí)，也不影響時(shí)間精度，使PTN時(shí)間同步具有更高可靠性和更高精度。為了解決PTN非對稱性測量的工程問題，接入層PTN設(shè)備上集成了時(shí)間誤差測量功能，迅速準(zhǔn)確，不需要專業(yè)儀表，容易操作實(shí)施。

4 典型應(yīng)用

4.1 同步以太網(wǎng)應(yīng)用

同步以太網(wǎng)的組網(wǎng)應(yīng)用和SDH類似，支持環(huán)網(wǎng)和樹狀網(wǎng)組網(wǎng)，通常由無線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)提供時(shí)鐘源，時(shí)鐘信息通過同步以太網(wǎng)傳送后到達(dá)各個(gè)基站，從而保持全網(wǎng)同步狀態(tài)。在樹狀組網(wǎng)中，無時(shí)鐘路由保護(hù)；在環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)中，如果當(dāng)前時(shí)鐘路由發(fā)生故障，通過告警、SSM信息等相關(guān)網(wǎng)元可以從其他方向跟蹤源時(shí)鐘，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘路由保護(hù)。同步以太網(wǎng)組網(wǎng)實(shí)例如圖6所示。