基于承載網(wǎng)的IEEE1588時間同步能力分析驗(yàn)證

楊淑媚,王 凱

(1.中國電信股份有限公司北京研究院,北京 100035;2.北京郵電大學(xué) 信息光子學(xué)與光通信研究院,北京 100876)

1 引 言

目前,3G、WiMax/LTE等無線接入技術(shù)以及未來通信新業(yè)務(wù)均對通信網(wǎng)時間同步的指標(biāo)提出了要求,例如CDMA2000基站間時間誤差應(yīng)小于±3μs、TD-SCDMA基站間時間誤差應(yīng)小于±1.5μs,以滿足基站切換/漫游、時隙對準(zhǔn)等性能要求。目前,國內(nèi)廣泛使用全球定位系統(tǒng)(GPS/“北斗”)對基站設(shè)備進(jìn)行同步,雖然性能優(yōu)越,但也存在諸多不足:當(dāng)前暫時還沒有與其同精度的備用方案,若出現(xiàn)丟星對現(xiàn)有通信網(wǎng)系統(tǒng)來說是敏感的;未來大量的基站建設(shè)需求,其內(nèi)置GPS配套設(shè)施的成本不容小覷;另外,GPS故障率高、維護(hù)困難、易受天氣影響而且對基站的建設(shè)存在很多限制。因此,新的時間同步技術(shù)亟待開發(fā)。

對運(yùn)營商來說,網(wǎng)絡(luò)共享是降低建設(shè)、運(yùn)營成本的一個通用方案。IEEE1588可通過現(xiàn)有運(yùn)營商已廣泛覆蓋的地面承載網(wǎng)來傳送時間同步信息,理論上達(dá)到全網(wǎng)微秒級的時間同步精度,同時還具有配置簡單、快速收斂、對網(wǎng)絡(luò)帶寬和系統(tǒng)資源消耗少等優(yōu)點(diǎn),作為時間同步備用方案增強(qiáng)了通信網(wǎng)絡(luò)的健壯性,同時可節(jié)約成本,增強(qiáng)運(yùn)營商的競爭力。

本文從影響IEEE1588時間同步精度的因素出發(fā),重點(diǎn)對WDM透傳網(wǎng)絡(luò)、WDM+MSTP混合組網(wǎng)中IEEE1588時間同步能力進(jìn)行分析驗(yàn)證。同時,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和方案缺陷對未來時間同步網(wǎng)建設(shè)提出建議。

2 IEEE1588技術(shù)簡介

IEEE1588全稱IEEE1588 Precision Clock Synchronization Protocol,即網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),簡稱PTP(Precision Timing Protocol)。

IEEE1588協(xié)議采用時間分布機(jī)制和時間調(diào)度概念,一個通信網(wǎng)中通信設(shè)備的時間報文通過交互而建立主從關(guān)系(Master-Slave),其中主時鐘具有最高時鐘精度,其影響整個系統(tǒng)的內(nèi)在精度。一般在時間同步核心網(wǎng)選擇1級銫原子鐘,或GPS/“北斗”作為主時鐘,時間同步本地網(wǎng)可采用GPS/“北斗”或BITS作為主時鐘。而從時鐘可使用普通振蕩器,通過軟件調(diào)度與主時鐘保持同步,過程簡單可靠。同現(xiàn)有廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(NTP)相比,NTP是僅依靠軟件實(shí)現(xiàn)的,一般在毫秒級精度,而IEEE1588可使用軟件和硬件配合來完成其同步功能,因此可獲得更精確的定時同步,一般為微秒級精度。這項(xiàng)技術(shù)主要包括主從同步過程、最佳主時鐘(BMC)算法、邊界時鐘(BC)和透傳時鐘(TC)等內(nèi)容。

其中,主從同步過程是通過Sync、Follow-up、Delay-Req、Delay-Resp這4類報文攜帶精確的時間戳,經(jīng)過交互后的校驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)從時鐘和主時鐘的精確同步。其原理過程分為兩個階段:漂移測量階段和時延測量階段。通過攜帶精確時間戳的4類報文交互,最終可計(jì)算得到主時鐘和從時鐘的時間偏差Offset、主/從時鐘到從/主時鐘的時延Delay(實(shí)際包括鏈路傳輸時延和系統(tǒng)處理時延),進(jìn)而從時鐘的PTP應(yīng)用軟件就可調(diào)整本地時鐘來實(shí)現(xiàn)與主時鐘的精確同步[1]。

3 影響IEEE1588時間同步精度的因素

3.1 時間戳機(jī)制

在IEEE1588系統(tǒng)中,時間戳機(jī)制分為硬件時間戳和軟件時間戳兩種。理論上講,時間同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)時,產(chǎn)生或標(biāo)記時間戳的位置越靠近物理層,上層協(xié)議棧所帶來的時間抖動等影響就越小,精度就越高。硬件時間戳可使系統(tǒng)獲得高同步精度(達(dá)納秒級),實(shí)現(xiàn)方式是上層的PTP應(yīng)用軟件不直接進(jìn)行時間戳的操作,而是通過一個底層硬件接口來收集產(chǎn)生或檢測報文的時間戳信息,一般選擇在物理層或數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)該機(jī)制[2]。

軟件時間戳是指在PTP應(yīng)用層收集處理時間戳信息,同步精度可達(dá)到微秒級。該機(jī)制的優(yōu)點(diǎn):依賴于軟件平臺,不受硬件條件的約束,成本低,建設(shè)周期短。軟件時間戳的方式,同步報文需要通過高層協(xié)議棧的處理,會產(chǎn)生時間抖動和系統(tǒng)處理時延(可能達(dá)毫秒級),從而影響同步精度。

3.2 同步報文間隔

在主從同步原理中的漂移測量階段,主時鐘是按照一定的間隔時間(默認(rèn)2 s),采用組播或單播方式(IEEE1588v2支持)周期性地向相應(yīng)的從時鐘發(fā)出同步報文(Sync Message),其中IEEE1588v2支持同步間隔小于1 s的應(yīng)用[3]。但與漂移測量的周期性機(jī)制不同,時延測量過程是不規(guī)律進(jìn)行的,其間隔時間默認(rèn)4～60 s。這樣的好處是占用較少網(wǎng)絡(luò)帶寬,使終端設(shè)備的系統(tǒng)負(fù)荷不會太大,特別是對擁有大量從時鐘的主時鐘而言負(fù)載會減輕。但因?yàn)榇嬖谥鲝耐叫?zhǔn)的前后“間隙”,若在“間隙”內(nèi)從時鐘產(chǎn)生時間偏移,則會對該時間段內(nèi)系統(tǒng)的同步精度產(chǎn)生影響。因此,一般在Offset的計(jì)算中都是經(jīng)過多次測量取時延的平均值。

3.3 從時鐘穩(wěn)定性

在時間同步網(wǎng)絡(luò)內(nèi),主、從時鐘應(yīng)保持相同的刻度,例如相同的時間間隔計(jì)數(shù)器周期。由于主從同步周期的存在,從時鐘自身的設(shè)備穩(wěn)定性將會影響到系統(tǒng)的時間同步精度。IEEE1588機(jī)制允許從時鐘節(jié)點(diǎn)設(shè)備采用精確性相對較低的晶體振蕩器,這樣節(jié)約成本,但存在風(fēng)險。例如,假設(shè)某類接入層設(shè)備的晶振穩(wěn)定度為5×10-6,則在默認(rèn)主從同步周期(2 s)內(nèi),BC模式下某從時鐘與上級時鐘的理論最大時間偏差可以達(dá)到5×10-6×2×2=20μs,再考慮到實(shí)際環(huán)境等因素,該偏差可能會更大。

3.4 信道對稱性

之前在主從同步原理中計(jì)算主/從時鐘到從/主時鐘的時延(Delay)時,實(shí)際上是包含了隱藏條件的:主時鐘到從時鐘的傳輸時延與從時鐘到主時鐘的傳輸時延相同,即認(rèn)為通信信道的報文收、發(fā)鏈路的時延一致。而由于傳輸網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性,存在多種保護(hù)鏈路以及重路由等情況,收、發(fā)鏈路這兩個時延一般都是不同的。例如,以太網(wǎng)的電纜設(shè)計(jì)就是收、發(fā)非對稱,以用來減少遠(yuǎn)端串?dāng)_[4]。這樣若假設(shè)通信信道的報文收、發(fā)鏈路時延相同,就有誤差進(jìn)入了Offset的計(jì)算中,從而對系統(tǒng)同步精度造成影響。

通信信道的對稱性包括收、發(fā)鏈路時延的一致性和穩(wěn)定性。由于中繼鏈路狀況、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀況等因素造成長途傳輸情況比較復(fù)雜,同一段鏈路的時延在一段時間內(nèi)可能存在不穩(wěn)定。而時延測量過程存在間隔(4～60 s),因此在某個時間間隔內(nèi),用于計(jì)算Offset而保持的Delay原始值可能與當(dāng)前真實(shí)值存在偏差,這樣造成收、發(fā)鏈路時延的不穩(wěn)定對主從同步精度產(chǎn)生影響。

3.5 透明時鐘模式

在通信網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)設(shè)備會在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)過程中產(chǎn)生時延抖動,例如中繼器和交換機(jī)一般帶來幾百納秒到微秒級的抖動,路由器則可能帶來毫秒級的抖動。IEEE1588v1中提出的邊界時鐘(BC)技術(shù)就是針對該問題而設(shè)計(jì)的,通過某設(shè)備其中一個PTP端口作為Slave對上級Master跟蹤同步,生成自身時鐘,而其它PTP端口作為Master對下級Slave進(jìn)行同步,形成從、主、從時鐘等級關(guān)系拓?fù)?消除了在節(jié)點(diǎn)設(shè)備中的時延抖動。但BC模式中,經(jīng)過BC(多端口設(shè)備)、OC(單端口設(shè)備)逐級傳遞,顯然離主時鐘越遠(yuǎn),其時間同步精度可能會越差。IEEE1588v2的透明時鐘(TC)很好地解決了這個問題[5]。

以端對端透明時鐘模型(E2E TC)為例進(jìn)行說明,某節(jié)點(diǎn)采用端到端透明時鐘模型,其對網(wǎng)絡(luò)上的業(yè)務(wù)報文不作處理而透明傳輸,當(dāng)該節(jié)點(diǎn)的接收端口檢測到PTP事件報文后就將經(jīng)過本節(jié)點(diǎn)的時延,即該報文經(jīng)過節(jié)點(diǎn)入端口到出端口的時延,寫入到該報文的時間修正域中再往下發(fā)送,到下一個OC同該段鏈路的傳輸時延累計(jì)后,由PTP應(yīng)用軟件對從時鐘進(jìn)行同步。事實(shí)上,可以認(rèn)為透明時鐘模式下,在節(jié)點(diǎn)并不恢復(fù)時間和頻率,只對1588報文做時延修正。因此相當(dāng)于同步網(wǎng)內(nèi)各級從時鐘都是直接與最佳主時鐘進(jìn)行同步,而不像BC模式經(jīng)過逐級傳遞,因此有利于提高全網(wǎng)同步精度。

4 基于WDM+MSTP組網(wǎng)的IEEE1588時間同步

近年來,隨著MSTP技術(shù)興起與發(fā)展,目前運(yùn)營商基于MSTP的承載網(wǎng)已經(jīng)覆蓋到了所有的基站。為充分共享該網(wǎng)絡(luò)資源,我們在實(shí)驗(yàn)室采用基于WDM+MSTP的承載網(wǎng)方案來實(shí)現(xiàn)IEEE1588時間同步網(wǎng)的搭建,如圖1所示。

圖1 基于WDM+MSTP的IEEE1588時間同步網(wǎng)Fig.1 The topology of IEEE1588 time synchronous network based on WDM+MSTP

一般在通信網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)時鐘/時間信號傳送有帶外或帶內(nèi)兩種方式,帶外是通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的專用時鐘接口來傳輸時間同步信號,帶內(nèi)即在業(yè)務(wù)流內(nèi)包含時鐘信號。就現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境來說,采用帶外方式需要升級節(jié)點(diǎn)設(shè)備硬件和軟件,采用帶內(nèi)方式則僅需要升級節(jié)點(diǎn)設(shè)備軟件。本方案采用帶內(nèi)方式。

實(shí)驗(yàn)過程為:以主/備用BITS輸出的參考同步秒脈沖1 pps作為觸發(fā)信號,用TIME ACC/示波器同時觀察基站入口處來自于接入層MSTP設(shè)備的秒脈沖1 pps,來進(jìn)行相位同步的測試。通過WDM透傳網(wǎng)絡(luò)和WDM+MSTP混合組網(wǎng)兩種方案,來對影響IEEE1588時間同步精度的各因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

4.1 WDM透傳網(wǎng)絡(luò)

如圖1所示,WDM透傳網(wǎng)絡(luò)采用多于30套的WDM設(shè)備,一波STM-4業(yè)務(wù)信號除上下業(yè)務(wù)站點(diǎn),在各個WDM站點(diǎn)進(jìn)行光層穿通,最終傳輸?shù)侥繕?biāo)節(jié)點(diǎn)。

測試項(xiàng)目及結(jié)果為:進(jìn)行24 h長期測試,示波器觀測結(jié)果在±1μs內(nèi);TIME ACC 觀測15 min,相位偏差平均值為50 ns左右,如圖2所示。

理論上講,承載網(wǎng)中WDM設(shè)備不對時間信號作任何處理,相當(dāng)于是透傳,不會對時間信號產(chǎn)生延時或抖動等影響,這在本實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。但現(xiàn)網(wǎng)鏈路狀況和設(shè)備負(fù)載情況會對透傳性能產(chǎn)生影響。

4.2 WDM+MSTP混合組網(wǎng)

根據(jù)市場現(xiàn)有設(shè)備類型、廠家設(shè)備對IEEE1588協(xié)議的支持情況和市場成熟度等因素,實(shí)驗(yàn)室MSTP組網(wǎng)設(shè)備采用硬件時間戳機(jī)制和BC模式。

如圖1所示,1588信號經(jīng)過MSTP+WDM設(shè)備逐點(diǎn)傳送,走拓?fù)渥铋L路由,共經(jīng)過多于20套MSTP設(shè)備處理、多于30套WDM設(shè)備透傳。匯聚層和接入層MSTP設(shè)備內(nèi)部晶振穩(wěn)定度小于±4.6 ppm,設(shè)備同步報文發(fā)送間隔為2 s。

測試項(xiàng)目及結(jié)果如下:

(1)進(jìn)行24 h 長期測試,觀測結(jié)果在±1μs內(nèi),如圖3所示。

圖3 經(jīng)MSTP+WD M逐點(diǎn)傳送的同步相位Fig.3 Time synchronization accuracy testing onMSTP+WD M network

(2)按照ITU-T G.8261 Traffic Model 1的流量模型(64 byte的報文占80%,576 byte的報文占5%,1518 byte的報文占15%)增加正、反向業(yè)務(wù)背景流量進(jìn)行測試:正向加入80%流量,反向加入50%流量,突變規(guī)律如圖4所示,觀測結(jié)果在±1μs內(nèi)。

圖4 背景流量突變模型Fig.4 The mutational model of background traffic

(3)擁塞測試:正反向流量同時增加到100%擁塞,時間跟蹤路徑發(fā)生倒換,相位偏差發(fā)生跳變,跳變在±1μs內(nèi) 。

(4)網(wǎng)絡(luò)信道對稱性:在接入層,先在某WDM網(wǎng)元某光口發(fā)方向插入160 m光纖,時間跟蹤路徑走該方向,時延值測得為575 ns;在該光口正向補(bǔ)償240 m,則TIME-ACC上時延值為47 ns;拔掉該光口光纖,時間跟蹤路徑倒換,穩(wěn)定后時延為510 ns,在該光口正向補(bǔ)償200 m,補(bǔ)償后時延值為73 ns;恢復(fù)該光口光纖,時間跟蹤路徑倒換到原來路徑,穩(wěn)定后時延值為45 ns,如圖5所示。匯聚層的相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與此類似?？梢娫诂F(xiàn)網(wǎng)中針對收、發(fā)鏈路時延的不一致、光纖光纜的割接、熔接等情況,采用節(jié)點(diǎn)補(bǔ)償技術(shù)來保證時間同步系統(tǒng)精度是必要手段。

圖5 網(wǎng)絡(luò)信道對稱性對IEEE1588精度的影響Fig.5 Time synchronization accuracy testing for the channels′unsymmetry

4.3 IEEE1588時間同步能力分析及建議

根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件和結(jié)果可知,同步報文間隔、從時鐘穩(wěn)定性等因素對IEEE1588時間同步精度的影響程度有限。

對于信道非對稱性,實(shí)驗(yàn)室測試1 m光纖約造成4.5 ns的偏移。因此需采用節(jié)點(diǎn)補(bǔ)償技術(shù)對現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備逐節(jié)點(diǎn)地進(jìn)行補(bǔ)償,且須嚴(yán)格按時間跟蹤路徑順序進(jìn)行。而此項(xiàng)工作的可操作性及工作量、對業(yè)務(wù)及日常維護(hù)工作的影響,需要進(jìn)一步進(jìn)行現(xiàn)網(wǎng)評估。

為解決本方案的缺陷及進(jìn)行優(yōu)化,本文提出了一種時間同步網(wǎng)分層模型:時間信號在上層透傳底層處理,即在干線通過WDM設(shè)備透傳進(jìn)行時間同步,本地網(wǎng)則經(jīng)過MSTP設(shè)備處理進(jìn)行同步。本模型具有以下優(yōu)勢:現(xiàn)有組網(wǎng)設(shè)備一般都為BC模式,時間信號通過在核心層或匯聚層的WDM設(shè)備透傳,可減少BC、OC逐級傳遞,從而優(yōu)化全網(wǎng)同步性能;現(xiàn)網(wǎng)WDM設(shè)備支持IEEE1588,硬件無需升級,降低建設(shè)成本;就網(wǎng)絡(luò)維護(hù)而言,僅需在接入層的MSTP節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信道非對稱性補(bǔ)償,可減少日常維護(hù)工作量,同時降低骨干網(wǎng)絡(luò)維護(hù)風(fēng)險。

5 結(jié)束語

本文通過實(shí)驗(yàn)室組網(wǎng)驗(yàn)證了基于承載網(wǎng)的IEEE1588時間同步技術(shù)的現(xiàn)網(wǎng)可行性,指出了將來建設(shè)IEEE1588時間同步網(wǎng)的關(guān)鍵影響因素及缺陷,并提供了相應(yīng)建議。下一步的研究重點(diǎn)是如何改善人工節(jié)點(diǎn)補(bǔ)償技術(shù),降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維壓力和網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險性,同時需要更加真實(shí)模擬業(yè)務(wù)背景流或現(xiàn)網(wǎng)復(fù)雜環(huán)境論證以及透明時鐘模式的組網(wǎng)驗(yàn)證。在未來時間同步網(wǎng)建設(shè)或現(xiàn)網(wǎng)改造中,我們一方面需要考慮不同時間同步網(wǎng)的互通兼容,實(shí)現(xiàn)未來同步網(wǎng)絡(luò)平滑升級過渡;另一方面,如何最大化利用現(xiàn)有基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)投資,綜合考慮現(xiàn)有承載網(wǎng)的狀況來設(shè)計(jì)合理的升級部署方案,是一個重要的工程課題。

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