WDM網(wǎng)絡(luò)中PTP協(xié)議的一種非對稱時延算法

孫 捷, 曹 睿， 邵曉璇,

(成都信息工程大學(xué) 通信工程學(xué)院, 四川 成都 610225)

計算機技術(shù)應(yīng)用

WDM網(wǎng)絡(luò)中PTP協(xié)議的一種非對稱時延算法

孫 捷, 曹 睿， 邵曉璇,

(成都信息工程大學(xué) 通信工程學(xué)院, 四川 成都 610225)

提出了WDM網(wǎng)絡(luò)中一種適用于1588v2非對稱鏈路時延的測試方法,該方法是在WDM網(wǎng)絡(luò)中采用2個不同波長λ1、λ2和3步測試來實現(xiàn)的。首先用λ1波長進行1588v2協(xié)議的鏈路時延測試，然后用λ2進行1588v2協(xié)議的鏈路時延測試，最后用一根非常短的光纖把主網(wǎng)元光模塊的TX和RX收發(fā)端口自環(huán)相連進行1588v2協(xié)議測試。結(jié)合Sellmeier方程推導(dǎo)出了該算法獲得主從網(wǎng)元節(jié)點的時間/相位偏差及收發(fā)兩個方向鏈路時延公式。

非對稱鏈路； 精準(zhǔn)時間協(xié)議； WDM； 塞爾梅耶爾方程

1 時間同步信息非對稱時延問題

時間同步信息ToD(time of day)對CDMA2000、TD-SCDMA、TDD-LTE等無線網(wǎng)絡(luò)是非常重要的[1]。例如在TDD-LTE網(wǎng)絡(luò)中,相鄰基站的時間/相位差要小于3s,所有基站和通用參考時鐘之間誤差應(yīng)小于1.25s。

通常,基站通過GPS接收器從GPS衛(wèi)星獲得準(zhǔn)確的時間/相位信息。但是從國家安全角度看,GPS不是一個可靠的系統(tǒng)；且每個基站都需要專門的GPS天線和接收器也過于昂貴[2]。此外,大城市的中央商務(wù)區(qū)(CBD)中很難為GPS天線找到合適的安裝地點,因為GPS需要天線和太空中多個GPS定位衛(wèi)星之間不能被阻隔[3]。另外,GPS時鐘模塊已成為除射頻模塊外的第二高故障率設(shè)備[4]。針對GPS定時的缺點,一些運營商通過在PTN甚至OTN傳輸網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用1588v2 PTP協(xié)議(precision time protocol,精準(zhǔn)時間協(xié)議)來傳輸ToD信息,以使基站獲得準(zhǔn)確的時間/相位信息[5-6]。

但是1588v2 PTP協(xié)議的一個基本假定就是主節(jié)點和從節(jié)點之間鏈路時延是對稱的,即要求光纖在發(fā)送和接收方向是對稱的[7]。只有在對稱光纖的情況下,1588v2主節(jié)點到從節(jié)點的傳輸時延才等于反方向從節(jié)點到主節(jié)點的傳輸時延。但實際網(wǎng)絡(luò)中收發(fā)鏈路時延基本都是非對稱的,因而必須對每個基站用GPS測量補償值來補償收發(fā)鏈路的非對稱性[8],不僅不方便,而且大大增加了網(wǎng)絡(luò)中部署1588v2的時間。缺少非對稱鏈路時延的自動測量和補償方法已經(jīng)成為阻礙1588v2在現(xiàn)網(wǎng)中部署的關(guān)鍵因素[9]。

2 1588v2協(xié)議基本原理介紹

根據(jù)1588v2協(xié)議,相位/時間同步是通過在主從網(wǎng)元(NE)節(jié)點間交換1588v2的同步消息來實現(xiàn)的[7],在同步消息中帶有主從節(jié)點收發(fā)消息的時間信息。

1588v2協(xié)議基本原理如圖1所示。圖中t1—t4各時間參數(shù)的意義為:

t1:主節(jié)點發(fā)Sync(同步)消息時主節(jié)點時間；

t2:從節(jié)點收到Sync消息時從節(jié)點時間；

t3:從節(jié)點發(fā)Delay_req(延遲請求)消息時從節(jié)點時間；

t4:主節(jié)點收到Delay_req消息時主節(jié)點時間。

主節(jié)點在發(fā)送的sync消息中帶有t1時間戳,從節(jié)點在t2時間收到Sync消息,然后在t3時間發(fā)送Delay_req消息。主節(jié)點收到Delay_req消息后,在回送的Delay_resp(延遲響應(yīng))消息中帶有主節(jié)點收到Delay_req消息的時間t4。這樣從節(jié)點可以得到t1,t2,t3,t4這4個時間值[10]。

圖1 1588v2協(xié)議基本原理

假設(shè)主從NE節(jié)點的時間差(時鐘偏差)是offset,主節(jié)點到從節(jié)點的鏈路傳輸時延是Dms,從節(jié)點到主節(jié)點的鏈路傳輸時延是Dsm,可以得

(1)

要做到主從節(jié)點相位同步,從節(jié)點就需要得到主從節(jié)點時間差offset。在式(1)中,t1,t2,t3,t4是已知的,而2個等式卻有3個未知量:offset,Dms和Dsm,因此,根據(jù)式(1)是無法得到offset的。

1588v2假設(shè)主節(jié)點到從節(jié)點的傳輸時延Dms等于反方向從節(jié)點到主節(jié)點的傳輸時延Dsm,即Dms=Dsm=delay,據(jù)此可以得到

(2)

3 WDM網(wǎng)絡(luò)中得到非對稱鏈路時延及主從節(jié)點時間差的方法

在實際光網(wǎng)絡(luò)中,收發(fā)方向鏈路長度和時延經(jīng)常是不相等的,即Dms≠Dsm。根據(jù)ITU-T G.650,單位長度光纖的群時延和波長λ有關(guān),即不同波長具有不同的群時延[11-12]。用2個不同波長進行1588v2協(xié)議測試,得到的鏈路傳輸時延值會有一個很小的差異。根據(jù)這個特點,提出了一種針對不對稱光纖鏈路的測試方法。該方法在WDM(wavelength division multiplex)網(wǎng)絡(luò)中分別采用兩個不同波長來進行1588v2協(xié)議的鏈路時延測試,并可以得到收發(fā)兩個方向的時延值Dms、Dsm及主從兩個網(wǎng)元的時間差offset,據(jù)此可在不對稱鏈路條件下更精確地實現(xiàn)1588v2協(xié)議。

本方法的測試配置如圖2所示。λ1和λ2是進行1588v2協(xié)議測試用的兩個波長。從實現(xiàn)角度,可簡單地通過WDM網(wǎng)元上可調(diào)光模塊實現(xiàn)波長的變化。L1是主節(jié)點到從節(jié)點的光纖長度,L2是從節(jié)點到主節(jié)點的光纖長度,在非對稱鏈路中,L1≠L2。

圖2 1588v2非對稱鏈路測試配置

本方法包括3個測試步驟:

步驟1:用λ1波長進行1588v2協(xié)議的鏈路時延測試,可得到

(3)

其中offset是主從NE節(jié)點的時間差,t1,t2,t3,t4是從節(jié)點根據(jù)1588v2協(xié)議消息在λ1波長下得到的4個時間值,Dms和Dsm分別是步驟1中在λ1波長下主節(jié)點到從節(jié)點和從節(jié)點到主節(jié)點的傳輸時延。傳輸時延又可分為3部分:光纖本身的光信號傳輸時延Dfiber、光信號變?yōu)殡娦盘柼幚?以及最后再變?yōu)楣庑盘柕腛/E/O時間DOEO及1588v2協(xié)議處理時間Dprotocol。O/E/O和1588V2協(xié)議處理是由FPGA實現(xiàn)的,因此DOEO和Dprotocol的值是固定的,和波長及網(wǎng)元無關(guān),Dfiber和光纖長度及波長都相關(guān)。可得到Dms=DL1+DOEO+Dprotocol,Dsm=DL2+DOEO+Dprotocol。DL1是主節(jié)點到從節(jié)點長度L1的光纖在λ1下的傳輸時延,DL2是從節(jié)點到主節(jié)點長度L2的光纖在λ1下的傳輸時延。

步驟2:用λ2波長進行1588v2協(xié)議的鏈路時延測試類似步驟1,可得到

(4)

在式(3)和式(4)中,DOEO和Dprotocol是固定值,和波長不相關(guān),定義

Dfix=DOEO+Dprotocol

通過下面的步驟3可以測量得到Dfix。

步驟3:用一根長度非常短的光纖把主網(wǎng)元光模塊的TX和RX收發(fā)端口自環(huán)相連,進行1588v2協(xié)議測試。由于光纖很短,可認(rèn)為光纖本身的光信號傳輸時延Dfiber=0。由于光纖兩側(cè)的TX和RX在同一個NE上,用同樣的時鐘,因此offset=0,可得

可得出:

Dfix=t2″-t1″=t4″-t3″

(5)

根據(jù)式(3)可以得到:

Dms+Dsm=(t2-t1)+(t4-t3)

(6)

根據(jù)ITU-T G.650,每單位長度光纖的群時延和波長的關(guān)系可以用Sellmeier方程的三項擬合表達(dá)式表示如下[8]:

其中τ是每單位長度光纖在λ波長下的群時延,λ0是光纖的零色散波長,τ0是每單位長度光纖在零色散波長λ0下的群時延,S0是光纖在零色散下的色散斜率。

這樣,長度L的光纖在λ波長下的群時延為

Delay_fiber(L)=τ(λ)×L

(7)

由式(7)可以得出在式(3)、式(4)中的一組值

(8)

(9)

(10)

式(9)和式(10)相除,可得到兩個方向光纖長度L1和L2的比值:

(11)

對主NE到從NE方向,由

Dms=DL1+Dfix=τ(λ1)×L1+ Dfix

可得出:

τ(λ1)×L1=Dms-Dfix

(12)

同樣,對從NE到主NE方向,由

Dsm=DL2+Dfix=τ(λ1)×L2+ Dfix

可得出:

τ(λ1)×L2=Dsm-Dfix

(13)

綜合式(11)、式(12)和式(13),可以得到

(14)

由于希望得到的是offset、Dms和Dsm,因此定義:

未知待求量:x=Dms；y=Dsm

已知量:a=Dfix；

b=(t2-t1)+(t4-t3)

根據(jù)式(6)和式(14),可得到

(15)

由式(15)可以得到Dms、Dsm和offset 3個值:

(16)

式(16)中的offset、Dms和Dsm是希望得到的未知值,而a、b、c、t2及t1都是已知量。由式(16)即得到了非對稱收發(fā)鏈路下的主從兩個NE的時間差offset和兩個方向的鏈路時延Dms和Dsm。

4 測試結(jié)果及分析

測試平臺使用2根不同長度的收發(fā)光纖連接主從網(wǎng)元,從而人為造成主從網(wǎng)元間非對稱收發(fā)鏈路,并人工設(shè)置主從網(wǎng)元不同的網(wǎng)元時間,從而使主從NE有一個時間差offset。作為比較的兩種方式:方式一是當(dāng)前使用的方式,即使用標(biāo)準(zhǔn)的1588v2測試方法。假定收發(fā)鏈路是對稱的,并用GPS測量補償值來補償收發(fā)鏈路的非對稱性；方式二是本文提出的得到非對稱鏈路時延及主從節(jié)點時間差的方法。測試結(jié)果如表1所示。

從測試結(jié)果可以看出,本文提出的方法在有關(guān)主從網(wǎng)元的時間差offset方面,其準(zhǔn)確度達(dá)到了方式一的水平,但由于無需用GPS測量補償值,在1588v2部署時間和成本上都優(yōu)于方式一。此外,本文提出的方法還能分別得到2個方向的鏈路時延Dms和Dsm,而方式一只能得到一個平均時延Delay。在這點上,本文提出的方式二也優(yōu)于方式一。

表1 兩種方式測試結(jié)果

5 結(jié)語

1588v2協(xié)議假定主從網(wǎng)元節(jié)點之間收發(fā)鏈路時延相等,但實際光網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)常是收發(fā)鏈路非對稱,長度和時延有一定差異,這個差異會造成1588v2協(xié)議得到的結(jié)果不精確。本文提出的WDM網(wǎng)絡(luò)中適用1588v2非對稱鏈路時延的測試方法和計算算法,采用雙波長和三步測量法,并利用Sellmeier方程推導(dǎo)出主從網(wǎng)元的時間/相位偏差及收發(fā)兩個方向鏈路時延的公式。該方法不必使用GPS測量非對稱鏈路時延差異,簡化了非對稱鏈路時延的自動測量,可在非對稱鏈路條件下更精確地實現(xiàn)1588v2協(xié)議并加快1588v2在現(xiàn)網(wǎng)中的部署。

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An asymmetry delay algorithm for PTP protocol in WDM network

Sun Jie, Cao Rui， Shao Xiaoxuan

(Institute of Telecom Engineering, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China)

An asymmetry link delay algorithm with two different wavelengths and three steps measurement for IEEE1588v2 protocol in WDM network was proposed. Combined with the equation of Sellmeier,the equation of time/phase difference between main and slave NE and the equations of TX and RX fiber link delay was deduced.

asymmetry link; PTP; WDM; Sellmeier equation

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.037

2016-06-04

四川省科技支撐計劃項目(2013GZ0026)資助

孫捷(1965—),男,四川成都,碩士,高級工程師,主要研究方向為光通信技術(shù).

E-mail：jsun_00@163.com

TN929.1

: A

: 1002-4956(2016)12-0150-04