基于SDH的PTP時間同步技術(shù)實現(xiàn)＊

趙慶凱 國網(wǎng)冀北電力有限公司高級工程師

李舒婷 國網(wǎng)福建省電力有限公司高級工程師

潘 峰 中國信息通信研究院通信標準研究所工程師

胡昌軍 中國信息通信研究院通信標準研究所高級工程師

1 引言

隨著通信、電力、測量與控制、工業(yè)制造與自動化、軍事、航天等領(lǐng)域?qū)r間同步的要求越來越高，出現(xiàn)了各種高精度的時間同步技術(shù)，主要包括IRIG-B、DTI、SNTP、NTP、cc NTP、IEEE1588（PTP）等。結(jié)合不同領(lǐng)域?qū)r間同步的性能需求和其自身網(wǎng)絡(luò)的特點，必須采用合適的時間同步技術(shù)才能保證整個網(wǎng)絡(luò)的安全可靠運行。本文對PTP時間同步技術(shù)的相關(guān)特點做了簡要的介紹，并分析了基于SDH和分組網(wǎng)絡(luò)采用PTP技術(shù)的各自特點。

2 PTP關(guān)鍵技術(shù)簡介

2.1 時間精度

PTP（Precison Time Protocol）協(xié)議能取得高精度對時的主要原因是采用了現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）技術(shù)，在物理層通過專用硬件進行時間標記，同時還采用了最佳主時鐘（BestMasterClock，BMC）算法。PTP繼承了NTP基于局域網(wǎng)的低花費模式，同時又提供了優(yōu)于IRIG-B的對時精確度，并且PTP能在SDH、PTN、IP-RAN、OTN等多種傳輸網(wǎng)絡(luò)中進行傳輸。

2.2 PTP承載方式

在通信網(wǎng)絡(luò)中，PTP在網(wǎng)絡(luò)中可能的時間戳標記點位于物理層或驅(qū)動層，其報文在主時鐘與從時鐘之間雙向傳遞，屬于應(yīng)用層協(xié)議。PTP協(xié)議傳輸?shù)某休d方式主要包括基于SDH、OTN網(wǎng)絡(luò)和基于分組（PTN、IP-RAN）網(wǎng)絡(luò)等進行承載，每種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進行PTP時間同步均有其各自的特點。本文重點介紹基于SDH網(wǎng)絡(luò)的PTP同步方式。

3 基于SDH網(wǎng)絡(luò)的PTP同步技術(shù)

3.1 技術(shù)背景

目前，SDH網(wǎng)絡(luò)在我國的公眾網(wǎng)和各專網(wǎng)中被大量部署并運行，其本身是嚴格同步的，從而保證了整個網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠，誤碼少，且便于復(fù)用和調(diào)整。通過SDH 2M通道即E1來傳輸PTP時間，組建時間同步網(wǎng)，無疑是一種非常好的解決方式。

3.2 現(xiàn)網(wǎng)測試驗證

在現(xiàn)網(wǎng)中，通過如圖1所示的配置搭建測試環(huán)境，通過兩種不同的SDH網(wǎng)絡(luò)環(huán)境分別測試并進行對比。

圖1 現(xiàn)網(wǎng)測試配置圖

現(xiàn)網(wǎng)測試采用絕對測量與相對測量兩種測試方法。其中，絕對測量是以GPS/北斗衛(wèi)星為參考點，對經(jīng)過SDH傳輸網(wǎng)和從時鐘設(shè)備輸出參考點處的時間誤差進行測量，這里假設(shè)測試時間測試儀和被測Grandmaster設(shè)備是同源的，且測試所用天饋線相同，因此進行絕對測量時可認為測量儀表未引入額外的固定時延誤差；而相對測量測試的是GM輸出參考點與經(jīng)過SDH傳輸網(wǎng)和從時鐘設(shè)備輸出參考點處的時間誤差以及頻率相位差。

其中，測試的SDH傳輸網(wǎng)分別配置兩種場景，其中場景1參照了ITU-T 60個SDH節(jié)點的極長鏈路模型，為ITU-T建議的定時長鏈路的極端情況，其中有3個SDH節(jié)點處于自由振蕩狀態(tài)；場景2選取32個SDH網(wǎng)元的極長鏈路場景進行測試驗證，以反映一般較長的真實網(wǎng)絡(luò)性能的情形。

表1為某廠家的設(shè)備在不同時間精度下的對比情況。從表中可知，在測試環(huán)境2的情況下，即所有網(wǎng)元頻率同步時，無論是絕對測試還是相對測試，經(jīng)過從時鐘后恢復(fù)出的時間精度峰峰值均小于1μs，在測試環(huán)境1的情況下，即存在網(wǎng)元不同步的情況下，無論是絕對測試還是相對測試，經(jīng)過從時鐘后恢復(fù)出的時間精度峰峰值都大于1μs，可見網(wǎng)元在自由振動的情況下，會出現(xiàn)“指針調(diào)整”，這會影響從時鐘恢復(fù)時間的性能。

同時，通過對從時鐘頻率的輸出測量結(jié)果（見圖2）可知，在測試環(huán)境1的情況下其E1輸出會出現(xiàn)2μs左右的跳變，也可推斷出“指針調(diào)整”會影響從時鐘的頻率性能恢復(fù)。
對于以上兩種測試環(huán)境，PTP在SDH網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)過FE/E1協(xié)議轉(zhuǎn)換器后存在微秒級的抖動，同時線路中還存在日晝溫差變化的低頻噪聲，從時鐘通過其包過濾、包選擇算法后能過濾SDH網(wǎng)絡(luò)中的這些噪聲，從而恢復(fù)出滿足網(wǎng)絡(luò)要求的時間和頻率。

表1 不同環(huán)境下時間精度對比結(jié)果

4 基于SDH與分組網(wǎng)絡(luò)的PTP同步技術(shù)的區(qū)別

4.1 組網(wǎng)應(yīng)用方式的區(qū)別

圖2 兩種測試場景從時鐘的頻率輸出測試對比

在SDH網(wǎng)絡(luò)中，由于SDH網(wǎng)絡(luò)通過STM-N傳送頻率信號的技術(shù)已成熟并廣泛應(yīng)用于實際的網(wǎng)絡(luò)中，所以SDH網(wǎng)絡(luò)中物理層的頻率同步采用STM-N線路信號進行傳送，對于時間信號則可利用PTP報文通過SDH設(shè)備的E1通道進行傳送。由于PTP同步技術(shù)是基于以太網(wǎng)基礎(chǔ)上運行的，在SDH網(wǎng)絡(luò)上傳輸PTP需要進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，即在FE與E1間進行轉(zhuǎn)換。

基于分組網(wǎng)絡(luò)的PTP應(yīng)用其頻率同步包括基于同步以太和PTP報文進行同步，其時間同步采用基于PTP報文進行。其中，采用基于同步以太實現(xiàn)頻率同步和基于PTP報文實現(xiàn)時間同步的方式，其輸出的同步性能要優(yōu)于采用基于PTP報文同時實現(xiàn)頻率同步和時間同步方式時輸出的同步性能，這主要是由分組網(wǎng)絡(luò)中的分組時延變化所引起。

4.2 同步精度的區(qū)別

通過實驗室和現(xiàn)網(wǎng)驗證可知，在SDH網(wǎng)絡(luò)中，利用PTP在E1通道中進行時間傳遞的精度在百納秒量級。在分組網(wǎng)絡(luò)中，PTP采用BC模式逐點同步方式，在對不同廠家多個網(wǎng)元進行級聯(lián)組網(wǎng)測試時，其24h的長期精度均滿足規(guī)范的要求。具體測試結(jié)果見表2。

表2 BC模式下各廠家設(shè)備組網(wǎng)測試長期精度

由表2可知，各廠家在BC工作模式下，多個節(jié)點級聯(lián)組網(wǎng)時，網(wǎng)絡(luò)輸出相對時間精度均優(yōu)于100ns，這將能保證端到端的時間同步性能更優(yōu)。也說明了分組網(wǎng)絡(luò)中，采用同步以太傳送頻率與PTP傳送時間方式，其恢復(fù)的時間精度要優(yōu)于SDH網(wǎng)絡(luò)中利用E1通道傳送PTP報文恢復(fù)出的時間精度，因為采用BC模式，逐點處理方式抵消了網(wǎng)絡(luò)中的分組時延變化尤其是路由的不對稱性帶來的對同步性能的影響。

4.3 同步性能影響因素的區(qū)別

在SDH網(wǎng)絡(luò)中影響PTP傳送頻率和時間信號的因素主要包括：協(xié)議轉(zhuǎn)換器引起的時延抖動、網(wǎng)絡(luò)的日晝漂移噪聲和SDH網(wǎng)絡(luò)本身的“指針調(diào)整”帶來的損傷。在分組網(wǎng)絡(luò)中影響PTP傳送頻率和時間信號的因素主要包括：隨機延遲變化、低頻延遲變化、系統(tǒng)性延遲變化、路由重組和擁塞效應(yīng)等引起的分組延遲變化。對于不同的性能影響因素，應(yīng)采用不同的算法和組網(wǎng)方式來減少或避免這些因素引起的同步性能損傷。

5 結(jié)束語

在SDH網(wǎng)絡(luò)中利用PTP技術(shù)實現(xiàn)時間同步，為達到更優(yōu)的時間同步性能，應(yīng)減小協(xié)議轉(zhuǎn)換器引起的固定延時抖動，設(shè)計更好的從時鐘算法抑制“指針調(diào)整”帶來的損傷，同時也可以考慮利用更高速率的傳輸通道來傳送PTP報文，例如VC-4、VC-3通道。無論是SDH網(wǎng)絡(luò)還是分組網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)的多少、節(jié)點本振的精度、路由的長度都會影響PTP傳送頻率和時間信號的性能。如何規(guī)劃和組織相應(yīng)的頻率同步和時間同步網(wǎng)，保證通信網(wǎng)絡(luò)的同步性能最優(yōu)，系統(tǒng)運行更穩(wěn)定，將成為未來同步網(wǎng)的研究重點。

1 IEEE 1588-2008.IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems.2008