PTN網(wǎng)絡(luò)中同步技術(shù)的應(yīng)用探討

童克波 梅儀國 錢科能等

[摘要]PTN作為傳輸與分組技術(shù)的融合產(chǎn)物，越來越受到關(guān)注，中國移動部署PTN網(wǎng)絡(luò)，在初期主要承載TD-SCDMA業(yè)務(wù)，時鐘是PTN需要考慮的重要問題之一。文章首先介紹兩種PTN網(wǎng)絡(luò)的同步技術(shù)，然后說明PTN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用同步技術(shù)的重要意義，最后提出基于PTN同步技術(shù)的典型應(yīng)用，并指出PTN網(wǎng)絡(luò)同步技術(shù)的應(yīng)用關(guān)鍵。

[關(guān)鍵詞]PTN時間同步IEEE1588v2協(xié)議GPS替代

1基于PTN網(wǎng)絡(luò)的同步技術(shù)

時鐘同步技術(shù)包括頻率同步和時間同步。頻率同步要求相同的時間間隔，時間同步要求時間的起始點相同和相同的時間間隔。無線技術(shù)不同制式對時鐘承載有不同的需求，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0.05ppm，而TD-SCDMA/CDMA2000需要時間同步，TD-SCDMA的精度要求為±1.5μs。

從2004年開始，國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)部門(1TU-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2001年發(fā)布IEEE1588標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了一種精確時間同步協(xié)議(PTP)。IEEE1588是針對局域網(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2008年又發(fā)布了IEEE1588v2(以下簡稱1588v2)，該版本增加了適應(yīng)電信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的技術(shù)特點。

因特網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議(NTP)實現(xiàn)了Internet上用戶與時間服務(wù)器之間的時間同步。在基于PTN分組網(wǎng)絡(luò)中，同步技術(shù)可以通過同步以太網(wǎng)G.8261和精確時間同步協(xié)議IEEE1588v2來實現(xiàn)。

1.1同步以太網(wǎng)技術(shù)G.8261

G.8261通過以太網(wǎng)物理層PHY芯片從串行數(shù)據(jù)碼流中恢復(fù)出發(fā)送端的時鐘，這種方式與SDH時鐘恢復(fù)方式是相同的，并且可以獲得類似SDH的時鐘精度，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時鐘同步。時鐘同步質(zhì)量接近SDH，不會受到數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)擁塞、丟包、時延等問題的影響。但目前同步以太網(wǎng)只能支持頻率信號的傳送，不支持時間信號的傳送，所以單純的同步以太網(wǎng)方案只適用于不需要時間同步要求的場景。

1.2時間同步技術(shù)IEEE1588v2

IEEE1588v2是未來統(tǒng)一提供時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頻傳送，既可以基于IEEE1588v2的時間戳以基于分組的時間傳送(TOP)方式單向傳遞頻率，也可使用IEEE1588v2的協(xié)議實現(xiàn)時間同步，在PTN設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。

IEEE1588v2時間同步的核心思想是采用主從時鐘方式，對時間信息進行編碼。利用網(wǎng)絡(luò)的對稱性和延時測量技術(shù)，通過報文消息的雙向交互實現(xiàn)主從時間的同步。

2PTN滿足移動網(wǎng)絡(luò)同步要求的意義

移動網(wǎng)絡(luò)對高精度同步有嚴格的要求，基站工作的切換、漫游等都需要精確的時間控制，避免用戶在基站之間切換過程中出現(xiàn)掉線、影響其他用戶的現(xiàn)象。目前各種無線技術(shù)對同步的要求如表1所示。

2.1同步網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)略意義

目前中國移動已經(jīng)部署的TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)，均采用GPS方案來解決移動網(wǎng)絡(luò)同步問題。但GPS天線安裝需要滿足120°的凈空要求，工程安裝有難度，且GPS成本較高，維護困難，中國移動一直積極尋求替代GPS的新技術(shù)：一方面通過有線傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送精確時間同步信號；另一方面利用我國自主發(fā)射的北斗衛(wèi)星作為時間信號源，使用北斗衛(wèi)星與GPS衛(wèi)星雙模授時，并互為主備用，最終從時間信號的來源和傳輸兩個方面相結(jié)合，徹底擺脫對GPS的依賴。

隨著PTN技術(shù)的發(fā)展，業(yè)界紛紛把目光投向PTN，尋求通過PTN分組網(wǎng)絡(luò)上提供高精度同步的解決方案，從而實現(xiàn)GPS替代。而IEEE1588v2有效解決了GPS同步成本高、安裝困難等問題，已成為承載TD-SCDMA/LTE網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.2PTN技術(shù)

PTN是基于分組傳送的新一代多業(yè)務(wù)傳送網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)對分組業(yè)務(wù)的高效傳送，同時能夠兼容對傳統(tǒng)TDM、ATM等業(yè)務(wù)的承載。

PTN作為一種面向連接的傳送技術(shù)，基于分組架構(gòu)，借鑒了SDH完善的保護倒換、豐富的OAM、良好的同步性能，同時融合了MPLS/Ethernet技術(shù)分組交換、QoS管理以及統(tǒng)計復(fù)用等思路，為運營商建設(shè)可管理、可運維的統(tǒng)一融合的傳送網(wǎng)提供了良好的解決思路。

2.3PTN網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的IEEE1588v2技術(shù)

IEEE1588v2技術(shù)采用主從時鐘方案，對時間進行編碼傳送，利用網(wǎng)絡(luò)鏈路的對稱性和延時測量技術(shù)，實現(xiàn)主從時鐘的頻率、相位和絕對時間的同步。

(1)IEEE1588v2協(xié)議原理

IEEE1588v2協(xié)議原理如圖1所示。圖中，延遲(Delay)=(T2-TI+T4-T3)/2，時間差(Offset)=(T2-T1-T4+T3)，2。主時鐘與從時鐘之間發(fā)送Sync、Follow_Up、Delay_Req、Delay_Resp消息。通過T1、T2、T3、T4這4個值，主從時鐘可計算出主時鐘與從時鐘之間的延遲(Delay)，以及主時鐘與從時鐘的時間差(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)本身不進行時戳處理，它可以攜帶事件消息(如Sync)的準(zhǔn)確發(fā)送或接收時間，還具有完成網(wǎng)絡(luò)配置、管理、或PTP節(jié)點之間通信的功能。事件消息本身需要進行時戳處理，并可攜帶或不攜帶時戳。從時鐘根據(jù)事件消息的時戳或由一般消息攜帶的時戳計算路徑延遲和主從時鐘之間的時間差。

延遲是影響IEEE1588v2精度的主要因素之一。延遲主要有時戳處理延遲、節(jié)點緩沖延遲和路徑延遲。

時戳處理由硬件完成，硬件時戳處理可以補償IEEE1588v2協(xié)議幀通過協(xié)議棧時消耗的時間，保證端口消息發(fā)送和接收時戳的精度。

而對于傳輸路徑的補償，有兩種方式：時延請求反應(yīng)方式和點對點時延方式。時延請求反應(yīng)方式結(jié)合E2ETC使用。TC只需要在入口和出口處在報文上標(biāo)記處理時戳，時間延遲補償?shù)挠嬎闳坑蓮臅r鐘完成。點對點時延方式結(jié)合P2P TC使用。TC參與端點間的時間延遲計算，每個端點分別與TC交互，并計算P2P之間的時間延遲。從時鐘利用計算結(jié)果計算延遲補償。

(2)IEEE1588v2時鐘類型和模式

IEEE1588v2定義了3種時鐘模式：普通時鐘(OC)、邊界時鐘(BC)和透明時鐘(TC)。OC通常是網(wǎng)絡(luò)始端或終端設(shè)備，該設(shè)備只有一個1588端口，該端口只能作為SLAVE或MASTER；BC是網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點時鐘設(shè)備，該設(shè)備有多個1588端口，其中一個端口可

作為SLAVE，設(shè)備系統(tǒng)時鐘的頻率和時間同步于上一級設(shè)備，其他端口作為MASTER，可以實現(xiàn)逐級的時間傳遞；TC是網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點的時鐘設(shè)備，可分為E2E TC和P2P TC兩種。

IEEE1588v2最重要的技術(shù)是BMC算法(最佳主時鐘算法)，其作用為建立主從同步鏈，保證時鐘路由不成環(huán)；支持多個時間源的自由選擇和自動切換；主用時鐘鏈路出現(xiàn)故障后，能自動快速倒換到備用時鐘鏈路。本地時鐘通過BMc算法來決策哪個時鐘是最好的。并據(jù)此來決定端口的下一個狀態(tài)值是MASTER、SLAVE還是PASSIVE。

在PTN網(wǎng)絡(luò)中，IEEE1588v2實現(xiàn)時間同步主要有兩種模式，即BC模式和TC模式。BC和TC模式均可實現(xiàn)時間同步，兩種模式的進一步比較如表2所示：

從表2來看，BC模式顯然更適合PTN。目前，中國移動關(guān)于PTN和時間同步的規(guī)范均要求首推BC模式。

(3)IEEE1588v2的優(yōu)點和缺點

從上述原理中可以總結(jié)出IEEE1588v2的主要優(yōu)點：

◆支持時間和頻率同步；

◆同步精度高，可達亞微秒級；

◆網(wǎng)絡(luò)PDV影響可通過逐級的恢復(fù)方式解決；

◆統(tǒng)一的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。

而IEEE1588v2的缺點主要有：

◆不支持非對稱網(wǎng)絡(luò)；

◆需要硬件支持IEEE1588v2協(xié)議和工作原理。3基于PTN同步技術(shù)的典型應(yīng)用

隨著PTN技術(shù)的正式商用，同步以太網(wǎng)技術(shù)以及IEEE1588v2協(xié)議都作為PTN的同步技術(shù)得到了應(yīng)用。而IEEE1588v2協(xié)議的應(yīng)用更是利用其優(yōu)勢實現(xiàn)了替代基站GPS和頻率恢復(fù)等問題。

3.1替代基站GPS

中國移動TD-SCDMA基站需要高精度的時間同步，以確保不同TD-SCDMA基站問的時間偏差在3μs以內(nèi)。TD-SCDMA基站之間必須要保持時間同步，目前TD-SCDMA基站主要通過加裝GPS天線模塊獲取時間同步信號。但是TD-SCDMA基站的GPS天線存在天線和饋線安裝難、安全隱息高、維護成本高等問題。

舉例來說，GPS使用時施工難度大，很多基站往往存在GPS沒有合理位置安裝的問題。如果GPS凈空受到遮擋，就會使得GPS搜尋困難，存在失步的可能，而一旦失步，該站將無法正常工作并會對周圍站點形成嚴重干擾。而室內(nèi)地下等應(yīng)用場景，GPS安裝更加困難，故障頻率更高。

再次，由于每個基站都需要安裝一套GPS系統(tǒng)，當(dāng)TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)規(guī)模日益龐大，GPS系統(tǒng)的成本會逐漸增多，同時維護成本也會隨之增高。

為此，TD-SCDMA系統(tǒng)GPS替代方案的在不斷研究，而PTN技術(shù)的出現(xiàn)引起了廣泛關(guān)注。如果PTN傳送網(wǎng)可以為基站提供時間同步，替代GPS的功能或者作為GPS的備份使用，無疑將會為移動網(wǎng)絡(luò)提供更高的安全保障。

通過組網(wǎng)測試發(fā)現(xiàn)，在PTN網(wǎng)絡(luò)中，只需其中一個網(wǎng)元輸入時間信息，例如通過1PPS+TOD借口從GPS接收時間信息，PTN網(wǎng)絡(luò)通過IEEE1588v2協(xié)議將時間信息分發(fā)到其他網(wǎng)元，再通過以太網(wǎng)接口或者其他接口到達基站，從而實現(xiàn)各TD-SCDMA基站之間的時間同步?；緜?cè)需要支持IEEE1588v2協(xié)議或者支持時間接口。如果支持IEEE1588v2協(xié)議，則PTN可工作在透明時鐘方式；如不支持，PTN需要工作在邊界時鐘方式。

由此可見，基于PTN的IEEE1588v2時間同步替換GPS方案使得每個TD-SCDMA基站不再需要安裝復(fù)雜的GPS系統(tǒng)，節(jié)省了大量成本，避免了安裝GPS困難的問題，維護更方便，也便于今后移動網(wǎng)絡(luò)的快速擴容。

大量研究數(shù)據(jù)和部分已使用基于PTN的IEEE1588v2時間同步替換GPS的地區(qū)的現(xiàn)網(wǎng)測試結(jié)果也表明，PTN傳輸網(wǎng)絡(luò)可以給TD-SCDMA基站傳輸穩(wěn)定的時鐘信號。PTN承載基站的各項指標(biāo)與GPS時鐘源的基站基本沒有差別。另外，PTN作為新一代的傳輸技術(shù)具備極大的優(yōu)勢，支持Iub接口IP化。

3.2頻率恢復(fù)

1588v2技術(shù)的另外一個主要用途是以TOP方式進行頻率恢復(fù)。在運營商現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境中，很多網(wǎng)絡(luò)是普通數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，不支持同步以太網(wǎng)。需要穿越該普通網(wǎng)絡(luò)獲取時鐘頻率時可使用1588v2技術(shù)。

圖2為頻率恢復(fù)1588v2組網(wǎng)實例。當(dāng)分組傳送網(wǎng)絡(luò)兩個設(shè)備(A和B)的中間網(wǎng)絡(luò)同為普通數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)時，從A點穿越普通數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳遞1588v2的Sync報文到網(wǎng)絡(luò)出口B點。B點通過1588v2恢復(fù)出A點的時鐘，恢復(fù)的時鐘作為B點的參考源，然后再根據(jù)該參考源恢復(fù)業(yè)務(wù)時鐘。

4PTN網(wǎng)絡(luò)同步技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵問題

PTN時間同步方案在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，有幾個關(guān)鍵問題值得探討：

4.1精度問題

一般來講，基于物理層同步的G.8261可以提供較高質(zhì)量的參考時鐘，但不能實現(xiàn)時間的同步。而IEEE1588v2同步方式既可以實現(xiàn)頻率同步，也可以實現(xiàn)時間同步，但1588報文經(jīng)過復(fù)雜的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，抖動和非對稱性的不可控，導(dǎo)致從1588報文中恢復(fù)時鐘和時間精度難以保證。因此在實際應(yīng)用中可以考慮兩種同步方式相結(jié)合的方法，通過G.8261完成精確的頻率同步。在G.8261基礎(chǔ)上實現(xiàn)1588v2時間同步，硬件實現(xiàn)1588協(xié)議中精確時戳的插入和提取，減少1588報文發(fā)包頻率，加快收斂速度，有效提高時間同步精度。

4.2補償問題

1588的關(guān)鍵在于延時測量。同步時間源一般是通過帶外線纜將1PPS和TOD信息傳遞給PTN設(shè)備，另外目前現(xiàn)網(wǎng)中大部分基站都不具備1588能力，PTN設(shè)備也需要通過帶外的方式，將1PPS和TOD傳遞基站，如果時間源和基站不具備延時補償能力，需要將PTN設(shè)備完成這部分線纜引入的延時補償，將補償結(jié)果加到TOD信息。

4.3可靠性問題

為保證PTN網(wǎng)絡(luò)對時間信息的可靠傳輸，必須對輸入時間源和傳輸鏈路實行可靠保護設(shè)計。

首先對PTN設(shè)備通過1PPS+TOD接口采用高精度時間源進行授時，保證系統(tǒng)在一定的時間內(nèi)可靠穩(wěn)定地運行，條件允許的情況下，可采用主備兩個高精度時間源，增加時間源的冗余備份能力。

PTN傳送網(wǎng)物理鏈路一般采用環(huán)形組網(wǎng)，匯聚層和接入層采用相交或相切環(huán)實現(xiàn)互聯(lián)，每個外時間源通過環(huán)形鏈路中不同兩電接入主用鏈路和備用鏈路。在PTN網(wǎng)絡(luò)中啟用BMc算法，BMC算法可給予時鐘質(zhì)量和最短節(jié)點路徑選擇最優(yōu)的時間源，有效減少時鐘質(zhì)量的累加誤差，增加時鐘源的冗余備份能力。

5結(jié)束語

PTN技術(shù)逐漸大規(guī)模商用已是大勢所趨，而同步技術(shù)又是PTN需要重要考慮的問題之一，因此對PTN時鐘同步技術(shù)深入研究相當(dāng)有必要。目前，IEEE1588v2協(xié)議的同步精度已達到TD-SCDMA/LTE網(wǎng)絡(luò)對時鐘同步的精度要求，而利用基于PTN的時間同步技術(shù)，更可以應(yīng)用于TD-SCDMA基站GPS替代和頻率恢復(fù)等?？梢姡琍TN同步技術(shù)的研究和應(yīng)用對于未來增強網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的可擴展性、節(jié)省成本、減少重復(fù)投資和維護方便等方面都有著重要的意義。

作者簡介

童克波：畢業(yè)于南京郵電學(xué)院信號與信息處理專業(yè)，工學(xué)碩士。任職于中國移動通信集團浙江有限公司，從事移動通信網(wǎng)絡(luò)、傳輸網(wǎng)絡(luò)的維護管理工作。組織編寫了多部通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備工程建設(shè)規(guī)范，數(shù)據(jù)城域網(wǎng)及干線網(wǎng)、WLAN網(wǎng)絡(luò)、GPON網(wǎng)絡(luò)設(shè)備維護規(guī)范，牽頭制定全國移動通信網(wǎng)絡(luò)代維管理規(guī)范。

梅儀國：畢業(yè)于北京郵電大學(xué)電子與通信工程，工學(xué)碩士，任職于華信郵電咨詢設(shè)計研究院，工程師，獲得注冊咨詢工程師(投資)、一級建造師，長期從事光網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的規(guī)劃設(shè)計工作。

錢科能：工學(xué)碩士，畢業(yè)于北京郵電大學(xué)電子與通信工程，任職于華信郵電咨詢設(shè)計研究院，工程師，長期從事通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計工作。