DTI在通信網(wǎng)中的應(yīng)用研究

呂博,陳學(xué)鋒,周曉東,潘峰,胡昌軍

(1.工業(yè)和信息化部電信研究院,北京 100191; 2.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司,福州 350003)

?

DTI在通信網(wǎng)中的應(yīng)用研究

呂博1,陳學(xué)鋒2,周曉東2,潘峰1,胡昌軍1

(1.工業(yè)和信息化部電信研究院,北京 100191; 2.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司,福州 350003)

摘要:對(duì)將廣電網(wǎng)中采用的DTI(有線電纜數(shù)據(jù)服務(wù)定時(shí)接口)時(shí)間同步技術(shù)應(yīng)用到通信網(wǎng)中進(jìn)行了探索性研究,結(jié)合DTI的技術(shù)特點(diǎn),分析了DTI在通信網(wǎng)中所需解決的關(guān)鍵問題,得出DTI技術(shù)在進(jìn)行參數(shù)轉(zhuǎn)換后可移植到通信網(wǎng)中成為UTI(通用定時(shí)接口)技術(shù)的可行性結(jié)論,最后對(duì)UTI技術(shù)在通信網(wǎng)中的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了分析與展望。

關(guān)鍵詞:時(shí)間同步;頻率同步;有線電纜數(shù)據(jù)服務(wù)定時(shí)接口;通用定時(shí)接口;通信網(wǎng)

0　引 言

通信技術(shù)的發(fā)展和新業(yè)務(wù)的不斷驅(qū)動(dòng)對(duì)同步技術(shù)提出了更高的要求,如利用基站提供定位服務(wù)要求時(shí)間精度在±200 ns內(nèi)[1],LTE-A(改進(jìn)的長(zhǎng)期演進(jìn))的關(guān)鍵技術(shù)Co MP-JP(多點(diǎn)協(xié)同傳輸處理)中要求相鄰基站間的相對(duì)時(shí)間精度在±500 ns內(nèi)[1]。隨著5G移動(dòng)通信技術(shù)的深入研究,在同步方面也比目前的3GPP(第三代合作伙伴計(jì)劃)對(duì)空中接口提出的50 ppb頻率準(zhǔn)確度要求和±1.5μs時(shí)間精度指標(biāo)更加嚴(yán)格[2]。目前對(duì)所采用的C-RAN(集中式無線接入網(wǎng))FH(前傳)技術(shù)中的CPRI(通用無線接口)提出了50 ppb頻率準(zhǔn)確度、5μs最大往返絕對(duì)時(shí)延以及65 ns的時(shí)間精度要求[3]。

從實(shí)現(xiàn)原理與協(xié)議設(shè)計(jì)的角度講,同步技術(shù)的實(shí)現(xiàn)具有多樣性,在高精度時(shí)間同步方面,DTI(有線電纜數(shù)據(jù)服務(wù)定時(shí)接口)具有一定的代表性。目前在有線電視標(biāo)準(zhǔn)J.211[4]中將DTI協(xié)議用于MCMTS(模塊型電纜調(diào)制解調(diào)終端系統(tǒng))、EQAM(邊緣型正交幅度調(diào)制器)和上下行接收機(jī)進(jìn)行頻率和時(shí)間同步[5],精度可以達(dá)到5 ns。DTI技術(shù)在有線電視網(wǎng)絡(luò)中已得到廣泛應(yīng)用,且DTI本身具備一定的通用性與技術(shù)潛力。本文將針對(duì)DTI在通信網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究與探討。

1　DTI中的關(guān)鍵技術(shù)

J.211標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定DTI協(xié)議在同一根電纜的兩個(gè)方向上采用主從同步的通信方式,DTI服務(wù)器與客戶端的發(fā)送和接收信號(hào)均在同一根同軸電纜中傳輸,通過TDM(時(shí)分復(fù)用)的方式進(jìn)行時(shí)間分割,因此不存在非對(duì)稱時(shí)延誤差,解決了因收發(fā)線路長(zhǎng)度差異所引入的非對(duì)稱固定時(shí)延問題。DTI中采取的關(guān)鍵技術(shù)主要包括ping-pong機(jī)制、Cable Advance補(bǔ)償機(jī)制和時(shí)間戳映射與處理機(jī)制。

1.1ping-pong機(jī)制

通常情況下,DTI通過接收GPS(全球定位系統(tǒng))信號(hào)得到精準(zhǔn)的時(shí)間信息,經(jīng)過校正本地時(shí)鐘后向下游DTI客戶端輸出DTI信號(hào)。服務(wù)器和客戶端采用TDM方式共享傳輸鏈路,通過ping-pong機(jī)制在一根電纜兩側(cè)以半雙工方式無間斷地發(fā)送和接收DTI報(bào)文。DTI協(xié)議運(yùn)行于數(shù)據(jù)鏈路層,信號(hào)的基本單元為DTI信號(hào)幀,并分為服務(wù)器時(shí)隙幀和客戶端時(shí)隙幀,報(bào)文大小固定為256 bit,其中包括234 bit的信息位和22 bit的TGT(反轉(zhuǎn)保護(hù)時(shí)間) 位,來回共512 bit,線路上每秒傳輸104個(gè)來回DTI幀信號(hào)。在此報(bào)文中服務(wù)器端向客戶端傳輸準(zhǔn)確的時(shí)間戳,客戶端則返回收到時(shí)間戳的信息。

1.2Cable Advance補(bǔ)償機(jī)制

Cable Advance補(bǔ)償機(jī)制是DTI協(xié)議中規(guī)定的一種電纜時(shí)延補(bǔ)償機(jī)制。當(dāng)DTI服務(wù)器和客戶端發(fā)送DTI幀時(shí),兩端都精確記錄DTI幀離開本地的時(shí)間,這樣DTI服務(wù)器端可以計(jì)算出數(shù)據(jù)在線路上的延時(shí),在每次發(fā)報(bào)時(shí)做出補(bǔ)償[6],理論上做到了傳輸和接收的都是服務(wù)器端本地時(shí)鐘,保證了ns級(jí)的時(shí)間精度。Cable Advance在DTI中規(guī)定為24 bit,其中前16 bit為Cable Advance值的整數(shù)部分,由149.8 MHz的采樣時(shí)鐘循環(huán)生成計(jì)數(shù),剩余的8 bit為分?jǐn)?shù)部分,經(jīng)過倍頻處理后為149.8 MHz采樣時(shí)鐘周期的1/256。因此可推算出Cable Advance的時(shí)延分辨率為1/256×1/149.8×10-6=26 ps,經(jīng)過Cable Advance處理后能達(dá)到很高的精度。

1.3時(shí)間戳映射與處理機(jī)制

DTI主服務(wù)器跟蹤GPS后,需要將GPS時(shí)間信息轉(zhuǎn)換為DTS(DTI時(shí)間戳),再通過ping-pong機(jī)制與Cable Advance機(jī)制進(jìn)行DTS的傳遞與處理,完成服務(wù)器與客戶端之間的時(shí)間同步。DTS由32 bit組成,其中前22 bit為DTI設(shè)備內(nèi)部的計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù),后10 bit提供了復(fù)幀之間的ToD (Time of Day)信息。在DTI中,為保證DTS與GPS時(shí)間的一致性,需定義DTS的映射機(jī)制,DTS與從GPS衛(wèi)星接收機(jī)上獲取的gpssec(GPS時(shí)間)的映射關(guān)系為

DTI服務(wù)器的衛(wèi)星接收機(jī)收到GPS信號(hào)后根據(jù)式(1)將gpssec轉(zhuǎn)換為DTS,然后在DTI幀中進(jìn)行傳送,從而實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與客戶端之間的時(shí)間同步。

2　DTI在通信網(wǎng)應(yīng)用中的關(guān)鍵問題

2.1傳輸距離的考慮

(1)傳輸帶寬

DTI的長(zhǎng)距離傳輸首先要解決傳輸帶寬問題。J.211中規(guī)定采用RJ45電纜作為傳輸介質(zhì),信號(hào)在電纜中傳輸衰耗較大,并且DTI信號(hào)采用曼切斯特基帶編碼,傳輸帶寬十分有限。為解決DTI長(zhǎng)距離傳輸?shù)膯栴},從傳輸帶寬的角度考慮兩種解決途徑,一是仍將電纜作為傳輸介質(zhì),但采用擴(kuò)頻編碼來增加傳輸帶寬;二是為解決傳輸帶寬及信號(hào)衰減問題,采用光纖作為傳輸介質(zhì)進(jìn)行廣域傳輸。DTI應(yīng)用于通信網(wǎng)時(shí),推薦優(yōu)先采用光纖作為傳輸介質(zhì)。目前已驗(yàn)證可通過80 km光纖直連方式實(shí)現(xiàn)10 ns以內(nèi)的時(shí)間傳送,Microsemi公司報(bào)道了在德國(guó)斯圖加特、紐倫堡和漢堡三地之間采用該技術(shù)在光纖上實(shí)現(xiàn)了時(shí)間同步組網(wǎng),時(shí)間精度為25 ns。

(2)TGT

DTI采用ping-pong的半雙工通信方式,在J.211的DTI幀中規(guī)定了TGT,分別位于DTI服務(wù)器幀和客戶端幀的后22 bit位。目前TGT提供了大約4.3μs的保護(hù)時(shí)間(22 bit/5.12 Mbit/s)。假設(shè)TGT設(shè)定的比特位數(shù)為B,信號(hào)速率為v bit/s, DTI單跨段最大傳輸距離為L(zhǎng) m,線纜的時(shí)延系數(shù)為ρns/m,DTI處理時(shí)延為Δt,,則有

由式(2)可知,在通信網(wǎng)中增大傳輸距離L有3種途徑:一是增加TGT的比特位數(shù)B,二是降低傳輸速率v,三是減少DTI設(shè)備的處理時(shí)延Δt。其中,增加TGT的比特位數(shù)需要重新定義DTI的幀結(jié)構(gòu),新定義的幀會(huì)增加CRC(循環(huán)冗余校驗(yàn))的處理時(shí)間;降低傳輸速率會(huì)減少單位時(shí)間進(jìn)行ping-pong通信的DTI幀數(shù)量,使服務(wù)器和客戶端之間進(jìn)行交互的DTS減少,降低了服務(wù)器對(duì)客戶端頻率與時(shí)間的校準(zhǔn)能力,從而影響到同步精度;而減少DTI的處理時(shí)延對(duì)DTI設(shè)備的硬件處理能力提出了更高的要求。另一種途徑就是將DTI改變?yōu)槿p工方式,規(guī)避單線雙向ping-pong方式引起的時(shí)間碰撞問題,如在電纜中傳輸可將J.211所規(guī)定的RJ45物理接口二線制重定義成四線制,在光纖中可采用單纖雙向的方式。

(3)Cable Advance的補(bǔ)償能力

在J.211中規(guī)定了24 bit用于Cable Advance時(shí)延補(bǔ)償,其中16 bit為整數(shù)位,8 bit為分?jǐn)?shù)位,可推算出DTI Cable Advance的最大時(shí)延補(bǔ)償能力為216×1/149.8×10-6+28×1/149.8×10-6× 1/256≈437.5μs,最多可補(bǔ)償97 km的傳輸距離。進(jìn)一步增大傳輸距離有兩種途徑:一是增加Cable Advance的整數(shù)比特位數(shù),相應(yīng)的DTI幀結(jié)構(gòu)需要調(diào)整重定義;二是降低時(shí)鐘的采樣頻率,但對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償精度會(huì)降低。在通信網(wǎng)中建議分辨率和比特位數(shù)可設(shè),根據(jù)傳輸距離進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

2.2組網(wǎng)要求

(1)DTI設(shè)備級(jí)聯(lián)

DTI采取主從模式組網(wǎng),定義了DTI根服務(wù)器、DTI轉(zhuǎn)接服務(wù)器和DTI客戶端3種設(shè)備類型。在DTI的服務(wù)器幀中定義了設(shè)備類型,但對(duì)級(jí)聯(lián)跳數(shù)只規(guī)定了直連和轉(zhuǎn)接兩種情況。在通信網(wǎng)中需要考慮多跳數(shù)級(jí)聯(lián)的問題,以解決大規(guī)模組網(wǎng)以及長(zhǎng)距離多跳數(shù)的時(shí)間信號(hào)傳送,需要在DTI服務(wù)器幀中設(shè)備類型的級(jí)聯(lián)跳數(shù)中定義更多的字節(jié),并規(guī)定DTI服務(wù)器最大級(jí)聯(lián)跳數(shù)。此外,當(dāng)DTI的客戶端經(jīng)過轉(zhuǎn)接服務(wù)器連接至根服務(wù)器時(shí),根服務(wù)器與轉(zhuǎn)接服務(wù)器的IP地址需同時(shí)記錄在DTI客戶端的路由表中,同時(shí)DTI根服務(wù)器不能跟蹤其他服務(wù)器,以防止成環(huán)。因此在通信組網(wǎng)中還需要考慮每種類型DTI設(shè)備的路由表容量以及跟蹤規(guī)則。

(2)組網(wǎng)保護(hù)

在組網(wǎng)保護(hù)方面,DTI已經(jīng)考慮到參考源、DTI服務(wù)器、鏈路以及卡板的保護(hù)機(jī)制。在通信組網(wǎng)中仍然面臨兩方面的挑戰(zhàn),一是基于多服務(wù)器的選源算法問題。在PTP(精確時(shí)鐘同步協(xié)議)中目前已有成熟的BMC(最佳主時(shí)鐘)算法[7]可解決域內(nèi)的最佳時(shí)鐘源選擇與端口狀態(tài)的決定機(jī)制,而DTI幀中并沒有規(guī)定相應(yīng)的字節(jié)用于自動(dòng)選源與端口狀態(tài)的判決,因此在大規(guī)模組網(wǎng)中還需要進(jìn)一步研究多服務(wù)器的選源問題。二是對(duì)進(jìn)行保護(hù)時(shí)切換恢復(fù)時(shí)間的考慮。進(jìn)行保護(hù)倒換時(shí)相位跳變和相位不連續(xù)性應(yīng)滿足電信級(jí)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的要求,同時(shí)進(jìn)行保護(hù)倒換后應(yīng)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)時(shí)延補(bǔ)償,這些均是在組網(wǎng)保護(hù)方面需進(jìn)一步研究的問題。

(3)與現(xiàn)有通信網(wǎng)的兼容性

目前DTI服務(wù)器的主時(shí)鐘頻率為10.24 MHz, DTI客戶端的時(shí)鐘頻率有10.24與9.216 MHz兩種。DTI設(shè)備的協(xié)議、主頻、接口與有線電視網(wǎng)設(shè)備是兼容的,但在通信網(wǎng)中由于同步實(shí)現(xiàn)機(jī)理的不同, DTI協(xié)議還無法與通信網(wǎng)中所應(yīng)用的PTP、NTP(網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議)兼容統(tǒng)一。此外通信網(wǎng)中多種設(shè)備經(jīng)過電處理后會(huì)引入一定的時(shí)延,經(jīng)過多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)后會(huì)嚴(yán)重影響到DTI的時(shí)間精度,因此進(jìn)行DTI透?jìng)鲿r(shí)需避免經(jīng)過設(shè)備的電處理,目前比較可行的方案是將DTI視為業(yè)務(wù)信號(hào)作透?jìng)魈幚?在主頻方面,通信網(wǎng)中多采用2 Mbit/s與2 MHz的頻率輸入?yún)⒖?因此要求DTI設(shè)備支持相應(yīng)的分頻與倍頻處理;接口方面要求DTI設(shè)備支持2 Mbit/s與2 MHz的頻率接口以及1 pps+ToD等時(shí)間接口,并可實(shí)現(xiàn)多接口及多協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

3　UTI在通信網(wǎng)中的應(yīng)用場(chǎng)景分析

上述分析驗(yàn)證了DTI技術(shù)具備在通信網(wǎng)中進(jìn)行組網(wǎng)應(yīng)用的技術(shù)可行性。本文提出將DTI技術(shù)移植到通信領(lǐng)域中,通過DTI參數(shù)的轉(zhuǎn)化與重定義,進(jìn)行時(shí)間和頻率信號(hào)的統(tǒng)一分配與傳送,并將該技術(shù)初步命名為UTI(通用定時(shí)接口)技術(shù)。為了滿足通信網(wǎng)中各種業(yè)務(wù)設(shè)備的同步及組網(wǎng)需要,提出了3種UTI應(yīng)用場(chǎng)景。

(1)局內(nèi)定時(shí)分配

在場(chǎng)景1局內(nèi)定時(shí)分配中,可通過UTI技術(shù)實(shí)現(xiàn)局內(nèi)設(shè)備或裝置與局內(nèi)同步設(shè)備間的自動(dòng)時(shí)延補(bǔ)償,有效保證同步精度。UTI用于局內(nèi)定時(shí)分配有兩個(gè)實(shí)現(xiàn)目的,一是為局內(nèi)的設(shè)備提供定時(shí)分配,衛(wèi)星接收機(jī)通過天饋線從GPS蘑菇頭獲得衛(wèi)星信號(hào),轉(zhuǎn)換為DTS后由UTI服務(wù)器發(fā)送至定時(shí)分配單元,再由定時(shí)分配單元提供多接口為局內(nèi)的被授時(shí)設(shè)備、UTI客戶端和UTI級(jí)聯(lián)服務(wù)器提供高精度的同步信號(hào);二是為主備用定時(shí)單元提供同步基準(zhǔn),保證系統(tǒng)可靠性。為保證可靠性可在UTI服務(wù)器上配置主備板卡實(shí)現(xiàn)板卡保護(hù),也可設(shè)置主備UTI服務(wù)器提供時(shí)間源保護(hù),通過UTI技術(shù)使主備板卡或設(shè)備時(shí)間同步,當(dāng)板卡或設(shè)備失效后,可減少相位跳變或相位不連續(xù)性。

(2) 時(shí)鐘源監(jiān)控比對(duì)

UTI技術(shù)的另一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景是進(jìn)行多源頭的相互監(jiān)控與比對(duì),從而實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)源頭的全同步。異地的3個(gè)銫鐘源之間通過UTI技術(shù)將本地的同步信號(hào)發(fā)送至對(duì)端,對(duì)端接收到DTS信息后可實(shí)現(xiàn)兩兩比對(duì)與性能監(jiān)控。UTI技術(shù)可應(yīng)用在同一根光纖上,規(guī)避了光纖不對(duì)稱帶來的非對(duì)稱時(shí)延誤差,可在數(shù)十公里范圍內(nèi)達(dá)到ns級(jí)的時(shí)間精度,因此這種異地時(shí)鐘源比對(duì)性能理論上可達(dá)到同局內(nèi)時(shí)鐘源組的比對(duì)效果。場(chǎng)景2時(shí)鐘源監(jiān)控比對(duì)可為通信網(wǎng)絡(luò)的同步源頭提供監(jiān)控、比對(duì)和校準(zhǔn)服務(wù),還可將現(xiàn)有的頻率基準(zhǔn)和時(shí)間基準(zhǔn)溯源到地面的國(guó)家級(jí)時(shí)頻基準(zhǔn)上,組建光纖授時(shí)網(wǎng)絡(luò),從而根本上擺脫對(duì)衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)的依賴。

(3) 時(shí)頻同步組網(wǎng)

UTI協(xié)議不但帶有DTS信息,還具有10.24 MHz的頻率分量,可同時(shí)進(jìn)行時(shí)間和頻率信號(hào)的傳送,兼容現(xiàn)有通信網(wǎng)中所有需同步的系統(tǒng)與

設(shè)備,采用緊耦合方式進(jìn)行時(shí)間和頻率的統(tǒng)一傳送還可充分利用網(wǎng)絡(luò)資源,降低同步網(wǎng)建設(shè)成本。場(chǎng)景3時(shí)頻同步組網(wǎng)中可要求傳送網(wǎng)絡(luò)對(duì)UTI信號(hào)進(jìn)行透?jìng)?實(shí)現(xiàn)UTI服務(wù)器至UTI客戶端的端到端時(shí)間及頻率信號(hào)統(tǒng)一傳送,UTI客戶端可提供UTI時(shí)間頻率的統(tǒng)一接口或獨(dú)立的時(shí)間和頻率接口。在場(chǎng)景3中需要重點(diǎn)研究的是不同傳送技術(shù)對(duì)UTI時(shí)間精度的影響、UTI信號(hào)的保護(hù)技術(shù)以及時(shí)間和頻率信號(hào)的關(guān)聯(lián)機(jī)制。

4 結(jié)束語

DTI技術(shù)可同時(shí)進(jìn)行時(shí)間和頻率信號(hào)的傳送,時(shí)間精度可達(dá)到ns級(jí),并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)時(shí)延補(bǔ)償,在通信領(lǐng)域具有較為廣闊的應(yīng)用前景。本文提出將DTI技術(shù)借鑒并移植至通信網(wǎng)中,定義為UTI技術(shù),在DTI向UTI移植的研究過程中,重點(diǎn)是要解決關(guān)鍵參數(shù)的轉(zhuǎn)換問題。目前UTI在通信網(wǎng)應(yīng)用中仍存在一些問題,需要進(jìn)一步研究與探討,如傳輸距離、組網(wǎng)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)管理,同時(shí)UTI在通信網(wǎng)中的標(biāo)準(zhǔn)化工作也需要開展與推進(jìn)。

參考文獻(xiàn):

[1] T13-SG15-Contribution-0875.Usecases for EECv2 specification[R].Geneva Switzerland:Helmut Imlau, 2014.

[2] ITU-T Recommendation G.8271-2012,Time and phase synchronization aspects of packet networks[S]. [3] 3 GPP TS3 6.1 0 4-2 0 1 3,3 rd Generation Partnership Project;Technical Specification Group Radio Access Network;Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA);Base Station(BS)radio transmission and reception(Release 11)[S].

[4] ITU-T Recommendation J.211-2006,Timing interface for cable modem termination systems[S].

[5] 胡敦,郭曉金,吳金梅.DOCSIS定時(shí)接口服務(wù)器的研究與設(shè)計(jì)[J].Video Engineering,2011,35(3):74-76.

[6] 胡昌軍,徐一軍,汪建華.時(shí)鐘同步技術(shù)的發(fā)展前景[J].電信網(wǎng)技術(shù),2010,10(10):58-61.

[7] IEEE 1588-2008,IEEE Standard for a Precision Clock Synchronization Protocol for Networked Measurement and Control Systems[S].

無線通信技術(shù)

光通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

Applications and Research of DTI in Communication Networks

LüBo1,CHEN Xue-feng2,ZHOU Xiao-dong2,PAN Feng1,HU Chang-jun1
(1.China Academy of Telecommunication Research,Beijing 100191,China;
2.State Grid Fujian Power Ltd.,Fuzhou 350003,China)

Abstract:In this paper,we make an exploratory study on the applications of the time synchronization technology named DOCSIS Timing Interface(DTI)adopted in the radio and television networks to communication networks,analyze the key issues required to be solved for its applications in communication networks in connection with the technical characteristics of DTI and conclude that it is feasible for the DTI technology to be transplanted to the communication networks after parameter conversions and become Universal Timing Interface(UTI)technology.Finally,we analyze and look into the prospect of the applications of the UTI technology in the communication networks.

Key words:time synchronization;frequency synchronization;DTI;UTI;communication network

中圖分類號(hào):TN915

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1005-8788(2016)01-0008-03

收稿日期:2015-03-17

基金項(xiàng)目:國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(52018E140001);國(guó)家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2014ZX03003005-002)

作者簡(jiǎn)介:呂博(1981-),男,河北秦皇島人。高級(jí)工程師,博士,主要研究方向?yàn)楣馔ㄐ藕屯健?/p>

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.003