基于開銷通道的SDH高精度授時(shí)設(shè)備技術(shù)研究*

1 引言

隨著科技的飛速發(fā)展，高精度授時(shí)技術(shù)在通信、電力、金融、交通、氣象、農(nóng)業(yè)、公共安全、軍事、科研等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，在授時(shí)精度和授時(shí)范圍需求上不斷提高。近年來，光網(wǎng)絡(luò)承載高精度授時(shí)業(yè)務(wù)憑借其低成本、高可靠、易于管理等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為業(yè)界研究應(yīng)用的熱點(diǎn)。在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)中，采用PTP（IEEE1588v2）over X的授時(shí)方式，已成功實(shí)現(xiàn)OTN、PTN、EPON等新型主流網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的時(shí)間同步，實(shí)際應(yīng)用的授時(shí)精度甚至可達(dá)納秒量級(jí)[1-3]。但對(duì)于電力、國(guó)防等較多專網(wǎng)中仍大量部署的傳統(tǒng)SDH網(wǎng)絡(luò)，PTP協(xié)議的授時(shí)精度通常僅能達(dá)到亞微秒量級(jí)[4]。一方面，如果采用PTP over Ethernet的方式實(shí)現(xiàn)，由于傳統(tǒng)SDH/MSTP設(shè)備以太網(wǎng)業(yè)務(wù)接口在硬件上通常不支持PTP時(shí)間戳功能，導(dǎo)致精度劣化嚴(yán)重；另一方面，采用PTP over E1的方式，由于信道映射/解映射、復(fù)接/分接過程中時(shí)延抖動(dòng)較大，授時(shí)精度也僅達(dá)數(shù)百納秒[5]。因此，研究SDH網(wǎng)絡(luò)更高精度的授時(shí)技術(shù)，為少數(shù)特殊用戶提供專業(yè)化的解決方案，仍具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

2 原理分析

圖1 SDH網(wǎng)絡(luò)端到端授時(shí)鏈路示意圖

在經(jīng)典授時(shí)系統(tǒng)中，通常采用時(shí)間信息傳輸加時(shí)延測(cè)量補(bǔ)償?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)精確時(shí)間同步，其中授時(shí)信道的時(shí)延穩(wěn)定性和時(shí)延測(cè)量精度是影響授時(shí)精度重要因素[6]。SDH網(wǎng)絡(luò)端到端授時(shí)鏈路系統(tǒng)如圖1所示，時(shí)間基準(zhǔn)將時(shí)頻信號(hào)發(fā)至SDH授時(shí)主時(shí)鐘，SDH授時(shí)主時(shí)鐘與SDH授時(shí)從時(shí)鐘之間經(jīng)過雙向信息傳輸及時(shí)延測(cè)量等步驟，從時(shí)鐘根據(jù)兩端的時(shí)延測(cè)量值及時(shí)間信息計(jì)算時(shí)間偏差后調(diào)整本地時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)精確跟蹤同步。

研究表明，上述SDH授時(shí)系統(tǒng)的授時(shí)精度Δt可表示為：

其中，Δtmaster為主時(shí)鐘引入的授時(shí)偏差，Δtrepeater為鏈路中間SDH中繼設(shè)備引入的授時(shí)偏差，Δtoptical為鏈路中各傳輸光纖引入的授時(shí)偏差，Δtslave為從時(shí)鐘引入的授時(shí)偏差[7]。

SDH傳輸系統(tǒng)中，可用于授時(shí)的通道主要分為業(yè)務(wù)通道和段開銷通道，兩種技術(shù)體制對(duì)于Δtmaster、Δtrepeater和Δtslave的影響不同。SDH業(yè)務(wù)通道授時(shí)信息需經(jīng)過低階交叉、高階交叉、高階通道、成幀、光接口等過程，到達(dá)對(duì)端后再進(jìn)行一系列反過程[8]；傳遞過程較為復(fù)雜，引入的不確定時(shí)延抖動(dòng)較大，使授時(shí)系統(tǒng)中Δtmaster、Δtrepeater和Δtslave都較大。而SDH開銷通道授時(shí)信息傳遞過程相對(duì)簡(jiǎn)單，不僅傳輸延時(shí)小，且對(duì)線路時(shí)鐘抖動(dòng)、線路溫度的敏感性較低，不受支路指針調(diào)整的影響[9]，其Δtmaster、Δtrepeater和Δtslave相對(duì)較小。Δtoptical的主要因素包括光纖溫度的變化及物理長(zhǎng)度的不對(duì)稱，對(duì)于兩種授時(shí)體制而言，無(wú)論采用那種方式，該部分引入的授時(shí)偏差基本不變。

綜上，采用SDH段開銷字節(jié)進(jìn)行授時(shí)，易于實(shí)現(xiàn)較高的授時(shí)精度。此外，要實(shí)現(xiàn)SDH網(wǎng)絡(luò)的高精度時(shí)間同步，還需要滿足以下條件：授時(shí)鏈路各節(jié)點(diǎn)間必須保持頻率同步，終端設(shè)備的數(shù)據(jù)碼率必須穩(wěn)定，盡量減少中繼節(jié)點(diǎn)，雙向通道的光纖長(zhǎng)度高度對(duì)稱，盡量簡(jiǎn)單的附加處理機(jī)制等。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 總體設(shè)計(jì)思路

SDH高精度授時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循“無(wú)感承載、適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)、精確授時(shí)”的原則，采用SDH段開銷（MSOH）空閑字節(jié)或未定義字節(jié)作為授時(shí)信道，基本不影響SDH設(shè)備原有的業(yè)務(wù)承載，實(shí)現(xiàn)授時(shí)業(yè)務(wù)的接入傳輸。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)如圖2所示，在物理層，完成SDH傳輸網(wǎng)的信號(hào)傳輸及網(wǎng)絡(luò)頻率同步，并通過時(shí)鐘抖動(dòng)抑制技術(shù)提升時(shí)鐘質(zhì)量；在復(fù)用段層，完成授時(shí)信息的成幀解幀、插入提取、精確時(shí)間間隔測(cè)量等功能；在時(shí)間同步協(xié)議層，完成雙向法同步協(xié)議及各種補(bǔ)償算法；在時(shí)間接口層，完成時(shí)鐘產(chǎn)生，時(shí)間值調(diào)整、時(shí)間馴服等功能；管理層主要功能是負(fù)責(zé)整個(gè)授時(shí)系統(tǒng)的配置及監(jiān)測(cè)。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

圖2 SDH授時(shí)系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

SDH設(shè)備增加授時(shí)功能的具體實(shí)現(xiàn)方法是在SDH光接口業(yè)務(wù)板上增加高精度時(shí)延測(cè)量和可馴服時(shí)鐘等硬件單元，以及增加時(shí)延測(cè)量、授時(shí)信息成幀/解幀、授時(shí)協(xié)議處理、時(shí)間調(diào)整等功能單元。

155M速率SDH開銷通道授時(shí)設(shè)備的光接口板硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中，F(xiàn)PGA內(nèi)部豐富的時(shí)序電路用于實(shí)現(xiàn)同步時(shí)鐘抖動(dòng)處理、數(shù)字時(shí)鐘產(chǎn)生、開銷插入/提取、授時(shí)信息成幀/解幀、精確時(shí)延補(bǔ)償?shù)裙δ堋PU實(shí)現(xiàn)授時(shí)協(xié)議處理、原子鐘時(shí)間馴服、溫度時(shí)延變化補(bǔ)償、不對(duì)稱時(shí)延補(bǔ)償，以及授時(shí)功能單元的配置和狀態(tài)監(jiān)測(cè)等。PM5319為STM-1/ STM-4速率的SDH業(yè)務(wù)處理芯片，提供開銷接口，作為SDH高精度授時(shí)的通道。TDC-GP2為高精度的時(shí)間間隔測(cè)量芯片，其支持65ps分辨率的時(shí)間間隔測(cè)量，采用SPI接口進(jìn)行讀寫。ZL30116是高精度的時(shí)鐘處理單元，為整個(gè)SDH授時(shí)單元提供參考時(shí)鐘，同時(shí)其中一路輸出提供給FPGA，用于守時(shí)跟蹤。

圖3 SDH開銷高精度授時(shí)設(shè)備硬件架構(gòu)圖

SDH授時(shí)功能單元在時(shí)間頻率信號(hào)的輸入輸出上有微小差別，主時(shí)鐘通過對(duì)外接口獲取精確的1PPS、時(shí)間碼、10M等時(shí)間頻率信號(hào)；從時(shí)鐘通過馴服銣鐘輸出1PPS秒信號(hào)和10M頻率信號(hào)，時(shí)間碼信號(hào)由FPGA同步對(duì)齊后輸出。

3.3 雙向授時(shí)協(xié)議

對(duì)于經(jīng)典授時(shí)系統(tǒng)而言，雙向授時(shí)法是目前采用最多的同步協(xié)議算法。雙向授時(shí)法基本原理是通過主、從時(shí)鐘的雙向信息交互和時(shí)延測(cè)量，最后由從時(shí)鐘綜合考慮不對(duì)稱時(shí)延因素后，估算出單向傳輸時(shí)延后實(shí)現(xiàn)時(shí)延補(bǔ)償。

雙向授時(shí)協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示，具體步驟如下：

（1）從時(shí)鐘在Ts1時(shí)刻發(fā)送REQ同步請(qǐng)求幀，并啟動(dòng)本地高精度時(shí)間間隔測(cè)量單元。

（2）主時(shí)鐘接收到REQ幀時(shí)刻Tm1，并啟動(dòng)本地高精度時(shí)間間隔測(cè)量單元；經(jīng)過一定時(shí)延后，在Tm2時(shí)刻將ACK應(yīng)答幀發(fā)出，同時(shí)停止高精度時(shí)間間隔測(cè)量單元，記錄時(shí)間間隔測(cè)量值T2。

（3）從時(shí)鐘在接收到ACK幀Ts2時(shí)刻立即停止高精度時(shí)間間隔測(cè)量單元，記錄時(shí)間間隔測(cè)量值T1。

現(xiàn)金貸平臺(tái)的借款期限往往較短，其會(huì)以較低的日化利率來吸引借貸者，其次除約定利率外，還設(shè)置有管理費(fèi)用、服務(wù)費(fèi)用等等多筆延伸費(fèi)用，實(shí)際上有相當(dāng)一部分的現(xiàn)金貸實(shí)際年利率遠(yuǎn)超于36%。而且借款用戶多為收入較低且不穩(wěn)定的人群，逾期還貸現(xiàn)象普遍，現(xiàn)金貸對(duì)逾期罰款的金額也非常高昂。逾期還貸時(shí)間越長(zhǎng)，現(xiàn)金貸平臺(tái)的利潤(rùn)越高，暴利逾期費(fèi)用還甚至催生了平臺(tái)故意弱化逾期提醒和人為阻礙客戶還款的現(xiàn)象。

（4）主時(shí)鐘在秒脈沖跳變Tm3時(shí)刻啟動(dòng)時(shí)間間隔測(cè)量單元，在Tm4時(shí)刻發(fā)出包含UTC時(shí)間的1PPS信息幀，并停止時(shí)間間隔測(cè)量單元，記錄時(shí)間間隔測(cè)量值T3。

（5）主時(shí)鐘在發(fā)出1PPS幀后，緊接著在Tm5時(shí)刻將包含T2、T3測(cè)量值的Ts幀發(fā)給從時(shí)鐘，從時(shí)鐘計(jì)算出時(shí)鐘偏差：

上述步驟應(yīng)多次周期性進(jìn)行，計(jì)算出多組偏差數(shù)值后作統(tǒng)計(jì)分析處理，減小系統(tǒng)隨機(jī)誤差；而后從時(shí)鐘依據(jù)最終時(shí)鐘偏差值調(diào)整本地時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)精確同步。

圖4 雙向授時(shí)協(xié)議實(shí)現(xiàn)流程圖

3.4 時(shí)間管理軟件設(shè)計(jì)

SDH時(shí)間管理軟件用于配置SDH授時(shí)系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)及監(jiān)測(cè)同步狀態(tài)，是獨(dú)立于常規(guī)網(wǎng)管軟件的專用SDH時(shí)間管理軟件。針對(duì)SDH開銷通道授時(shí)系統(tǒng)的使用要求、運(yùn)行環(huán)境和應(yīng)用范圍，設(shè)計(jì)時(shí)間管理軟件界面如圖5所示，其主要功能包括：

（1）系統(tǒng)配置功能：主/從時(shí)鐘的設(shè)備端口號(hào)設(shè)置、段開銷字節(jié)通道選擇、參考時(shí)鐘選擇、不對(duì)稱時(shí)延補(bǔ)償量等。

（2）狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能：周期性監(jiān)測(cè)主/從時(shí)鐘授時(shí)通道狀態(tài)、同步狀態(tài)、時(shí)間信息、傳輸時(shí)延量、時(shí)鐘偏差量等。

（3）告警監(jiān)測(cè)功能：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)授時(shí)信息丟失、時(shí)鐘偏差異常、參考時(shí)鐘異常、時(shí)頻信號(hào)接收異常、時(shí)頻輸出異常等告警。

（4）數(shù)據(jù)記錄分析：采集和記錄主/從時(shí)鐘的各種狀態(tài)及告警數(shù)據(jù)，為后期系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償算法、時(shí)間馴服算法提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖5 SDH授時(shí)時(shí)間管理軟件界面

4 實(shí)驗(yàn)評(píng)估

授時(shí)精度是評(píng)估授時(shí)系統(tǒng)時(shí)間傳遞質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，反映從時(shí)鐘同步跟蹤主時(shí)鐘的準(zhǔn)確度及穩(wěn)定度。為評(píng)估SDH開銷通道授時(shí)設(shè)備的指標(biāo)性能，搭建如圖6所示的測(cè)試平臺(tái)，用于測(cè)量系統(tǒng)的授時(shí)精度。

圖6 SDH開銷通道授時(shí)系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)

通過時(shí)間管理軟件及SDH網(wǎng)管軟件對(duì)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)傳輸、參考時(shí)鐘、開銷通道等內(nèi)容進(jìn)行配置。在實(shí)現(xiàn)開銷通道正常授時(shí)后，對(duì)雙向不對(duì)稱時(shí)延進(jìn)行測(cè)量，并在時(shí)間管理軟件上設(shè)置預(yù)先補(bǔ)償量，最后通過時(shí)間間隔分析儀測(cè)量主、從時(shí)鐘1PPS信號(hào)的上升沿偏差。經(jīng)過10 000 s的測(cè)試后，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，授時(shí)偏差值的折線圖及概率分布圖如圖7所示。

由圖7可知，授時(shí)精度測(cè)量值在概率上近似正態(tài)分布，中間值(median value)約為24.5 ns；從時(shí)鐘最大同步偏差30.4 ns，最小同步偏差19.9 ns。經(jīng)Stable32軟件統(tǒng)計(jì)分析，測(cè)量時(shí)間內(nèi)，從時(shí)鐘最大時(shí)間間隔誤差MTIE為6.7 ns，時(shí)間同步穩(wěn)定度TDEV為1.16 ns。

經(jīng)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，SDH開銷通道授時(shí)與SDH業(yè)務(wù)信道授時(shí)相比較，前者在授時(shí)精度上優(yōu)于后者一個(gè)數(shù)量級(jí)；在同步穩(wěn)定度上，前者更是幾近1 ns。因此，采用SDH開銷通道授時(shí)具有明顯的精度優(yōu)勢(shì)，可用于一些需要在SDH網(wǎng)絡(luò)中承載高精度時(shí)間同步的特殊應(yīng)用場(chǎng)景。

圖7 SDH授時(shí)偏差測(cè)量結(jié)果示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

SDH開銷通道授時(shí)設(shè)備在“守時(shí)穩(wěn)”方面性能良好，優(yōu)化卡爾曼濾波算法后，授時(shí)穩(wěn)定度仍可提升。但在“授時(shí)準(zhǔn)”方面存在一定不足，需通過減少對(duì)時(shí)隨機(jī)誤差和提升不對(duì)稱時(shí)延補(bǔ)償精度，進(jìn)一步提升授時(shí)準(zhǔn)確度。此外，如果在SDH設(shè)備的各線路光接口板上增加開銷授時(shí)單元，完全能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)間同步業(yè)務(wù)的逐級(jí)傳遞，為SDH網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)整網(wǎng)時(shí)間統(tǒng)一提供解決方案。

目前在軍事通信網(wǎng)和電力專網(wǎng)中，SDH傳輸網(wǎng)絡(luò)仍占主導(dǎo)地位，而上述領(lǐng)域?qū)τ趶V域時(shí)間同步需求也最為廣泛。因此，采用該設(shè)備和技術(shù)在現(xiàn)有的SDH開銷通道承載時(shí)間同步增值業(yè)務(wù)，具有一定的技術(shù)及成本優(yōu)勢(shì)，在國(guó)防及電力領(lǐng)域擁有較好的應(yīng)用前景。