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　　時鐘同步是分組傳送網(wǎng)(PTN)需要考慮的重要問題之一。可以采用同步以太網(wǎng)、IEEE 1588v2、網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(NTP)等多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)時鐘同步。同步以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的同步狀態(tài)信息(SSM)算法存在時鐘成環(huán)，以及難以對節(jié)點(diǎn)跟蹤統(tǒng)計的問題。中興通訊提出了一種擴(kuò)展SSM算法可以改進(jìn)時鐘同步問題。在時間同步方面，由于NTP的精度還無法滿足電信網(wǎng)的需求，僅采用1588v2又會帶來收斂時間較慢、在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時時間延遲精度容易受到影響等問題。中興通訊提出了同步以太網(wǎng)基礎(chǔ)的1588v2時間傳遞方案，對提高PTN網(wǎng)絡(luò)中時間同步的精度起到了較好的作用。

　　當(dāng)運(yùn)營商對分組傳送網(wǎng)(PTN)取代傳統(tǒng)時分復(fù)用(TDM)傳輸網(wǎng)的需求日益明顯時，如何解決時鐘同步成為重要問題之一。對分組傳送網(wǎng)的同步需求有兩個方面：一是可以承載TDM業(yè)務(wù)并提供TDM業(yè)務(wù)時鐘恢復(fù)的機(jī)制，使得TDM業(yè)務(wù)在穿越分組網(wǎng)絡(luò)后仍滿足一定的性能指標(biāo)(如ITU-TG.823/G.824規(guī)范);二是分組網(wǎng)絡(luò)可以像TDM網(wǎng)絡(luò)一樣，提供高精度的網(wǎng)絡(luò)參考時鐘，滿足網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(如基站)的同步需求。

　　1 同步技術(shù)

　　時鐘同步包括：頻率同步和時間同步。頻率同步要求相同的時間間隔，時間同步要求時間的起始點(diǎn)相同和相同的時間間隔。

　　無線技術(shù)不同制式對時鐘的承載有不同的需求，GSM/WCDMA采用的是異步基站技術(shù)，只需要做頻率同步，精度要求0.05 ppm，而TD-SCDMA/CDMA2000需要時間同步，TD- SCDMA的精度要求為±1.5 μs。

　　從2004年開始，國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)部門(ITU-T)Q13/SG15開始逐步制訂關(guān)于分組網(wǎng)同步技術(shù)的系列建議書，主要有：G.8261(定義總體需求)、G.8262(定義設(shè)備時鐘的性能)、G.8264(主要定義體系結(jié)構(gòu)和同步功能模塊)。

　　IEEE在2002年發(fā)布了IEEE 1588標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了一種精確時間同步協(xié)議(PTP)。IEEE1588是針對局域網(wǎng)組播環(huán)境制訂的標(biāo)準(zhǔn)，在電信網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜環(huán)境下，應(yīng)用將受到限制。因此在2008年又發(fā)布了IEEE1588v2(以下簡稱1588v2)，該版本中增加了適應(yīng)電信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的技術(shù)特點(diǎn)[1-5]。

　　因特網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議(NTP)實(shí)現(xiàn)了Internet上用戶與時間服務(wù)器之間時間同步。

　　2 同步以太網(wǎng)技術(shù)

　　物理層同步技術(shù)在傳統(tǒng)同步數(shù)字體系(SDH)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用廣泛。每個節(jié)點(diǎn)可從物理鏈路提取線路時鐘或從外部同步接口獲取時鐘，從多個時鐘源中進(jìn)行時鐘質(zhì)量選擇，使本地時鐘鎖定在質(zhì)量最高的時鐘源，并將鎖定后的時鐘傳送到下游設(shè)備。通過逐級鎖定，全網(wǎng)逐級同步到主參考時鐘(PRC)被實(shí)現(xiàn)。對分組網(wǎng)絡(luò)也可采取相似的技術(shù)，其原理如圖1所示。

　　2.1 同步以太網(wǎng)原理

　　分組網(wǎng)絡(luò)中的同步以太網(wǎng)技術(shù)是一種采用以太網(wǎng)鏈路碼流恢復(fù)時鐘的技術(shù)。以太網(wǎng)物理層編碼采用4B/5B(FE)和8B/10B(GE)技術(shù)，平均每4個比特就要插入一個附加比特，這樣在其所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)碼流中不會出現(xiàn)連續(xù)4個1或者4個0，可有效地包含時鐘信息。在以太網(wǎng)源端接口上使用高精度的時鐘發(fā)送數(shù)據(jù)，在接收端恢復(fù)并提取這個時鐘，時鐘性能可以保持高精度。

　　同步以太網(wǎng)原理如圖2所示。在圖2中發(fā)送側(cè)設(shè)備(節(jié)點(diǎn)A)將高精度時鐘注入以太網(wǎng)的物理層芯片，物理層芯片用這個高精度的時鐘將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。接收側(cè)的設(shè)備(B節(jié)點(diǎn))的物理層芯片可以從數(shù)據(jù)碼流中提取這個時鐘。在這個過程中時鐘的精度不會有損失，可以與源端保證精確的時鐘同步。同步以太網(wǎng)傳遞時鐘的機(jī)制與SDH網(wǎng)絡(luò)基本相似，也是從以太網(wǎng)物理鏈路恢復(fù)時鐘，因此從恢復(fù)的時鐘質(zhì)量不受鏈路業(yè)務(wù)流量影響，可提供與SDH/SONET網(wǎng)絡(luò)相同的時鐘樹部署和時鐘質(zhì)量，完全滿足G.823規(guī)定的定時接口指標(biāo)。

　　2.2 同步以太網(wǎng)SSM算法

　　同步狀態(tài)信息(SSM)算法源于SDH的時鐘同步控制，使用規(guī)則和時鐘選擇算法符合ITU-T G.781的規(guī)范。同步以太網(wǎng)的SSM控制繼承了SDH網(wǎng)絡(luò)特性，在傳統(tǒng)時鐘網(wǎng)的基礎(chǔ)上通過增加以太網(wǎng)同步消息信道(ESMC)豐富了同步以太網(wǎng)的支持。G.8264里對其進(jìn)行了描述。以太網(wǎng)同步消息信道是媒體訪問控制(MAC)層的單向廣播協(xié)議信道，用于在設(shè)備間傳送同步狀態(tài)信息SSM。設(shè)備根據(jù)ESMC報文的SSM信息選擇最優(yōu)的時鐘源。

　　雖然標(biāo)準(zhǔn)SSM算法能夠很好地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時鐘的同步，但是它有兩個不足之處：一是不能很好地處理同步時鐘成環(huán)的問題。需要在工程上和時鐘配置的時候特別注意，保證避免出現(xiàn)時鐘成環(huán)的情況。二是時鐘信號的衰減問題。隨著同步鏈路數(shù)的增加，同步分配過程的噪聲和溫度變化所引起的漂移都會使定時基準(zhǔn)信號的質(zhì)量逐漸劣化，因此在同一個同步鏈路上實(shí)際的可同步網(wǎng)元的數(shù)目是受限的，而通過標(biāo)準(zhǔn)SSM難以對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行跟蹤統(tǒng)計。

　　中興通訊PTN設(shè)備采用了改進(jìn)的擴(kuò)展SSM算法，在ESMC報文里使用兩個類型-長度-取值(TLV)傳遞SSM信息。第一個TLV傳遞原SSM字節(jié)的信息為同步質(zhì)量等級，遵循ITU-T標(biāo)準(zhǔn);另外一個TLV用于路徑保護(hù)。改進(jìn)的算法具有如下優(yōu)勢：

　　從根本上防止了時鐘成環(huán)。當(dāng)存在多條時鐘路徑時，自動選擇最優(yōu)(最短)路由。只要存在到達(dá)主時鐘的路由，網(wǎng)元就會跟蹤主時鐘，而不會進(jìn)入自由振蕩狀態(tài)。算法為低層分布式處理，因此各網(wǎng)元地位等同，操作簡單。標(biāo)準(zhǔn)的S1字節(jié)可以直接使用，不影響與其他廠家設(shè)備的對接。

　　3 時間同步技術(shù)

　　時間同步技術(shù)是頻率同步的進(jìn)一步發(fā)展。分組時間同步技術(shù)采用分組協(xié)議數(shù)據(jù)單元作為時鐘或時間信息的載體，是實(shí)現(xiàn)主時鐘與從時鐘時間之間同步比較好的方式。其基本原理如圖3所示。

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　　3.1 網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議

　　在IEEE 1588v2技術(shù)出現(xiàn)以前，在分組網(wǎng)絡(luò)中用于時間同步的協(xié)議主要的有3種：時間協(xié)議、日時協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(NTP)。NTP由純軟件實(shí)現(xiàn)，精度比較低。目前廣泛使用的NTPv3可以達(dá)到10 ms左右的同步精度。IETF正在進(jìn)行NTPv4的標(biāo)準(zhǔn)工作，支持IPv6和動態(tài)發(fā)現(xiàn)服務(wù)器，預(yù)計同步精度可達(dá)到10 μs級。NTP的穩(wěn)定性和精度還不能滿足電信網(wǎng)的高要求。

　　3.2 1588v2協(xié)議

　　3.2.1 1588v2協(xié)議的實(shí)現(xiàn)原理

　　1588v2是未來統(tǒng)一提供時間同步和頻率同步的方法，能適合于不同傳送平臺的局間時頻傳送，既可以基于1588v2的時間戳以基于分組的時間傳送(TOP)方式單向傳遞頻率，也可使用IEEE 1588v2的協(xié)議實(shí)現(xiàn)時間同步，在PTN設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。

　　1588v2時間同步的核心思想是采用主從時鐘方式，對時間信息進(jìn)行編碼，利用網(wǎng)絡(luò)的對稱性和延時測量技術(shù)，通過報文消息的雙向交互實(shí)現(xiàn)主從時間的同步。

　　1588v2協(xié)議原理如圖4所示。圖中，Delay=(T2-T1+T4-T3)/2，Offset=(T2-T1-T4+T3)/2。

　　主時鐘(Master)與從時鐘(Slave)之間發(fā)送Sync、Follow_Up、Delay_Req、Delay_Resp消息。通過T1、T2、T3、T4這4個值，主從時種可計算出MaSTer與Slave之間延遲(Delay)，以及Master與Slave的時間差(Offset)。

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　　同步消息類型有一般消息和事件消息。一般消息(例如Follow_Up)本身不進(jìn)行時戳處理，它可以攜帶事件消息(如Sync)的準(zhǔn)確發(fā)送或接收時間，還具有完成網(wǎng)絡(luò)配置、管理，或PTP節(jié)點(diǎn)之間通信的功能。事件消息本身需要進(jìn)行時戳處理，并可攜帶或不攜帶時戳。從時鐘根據(jù)事件消息的時戳或由一般消息攜帶的時戳計算路徑延遲和主從時鐘之間的時間差。

　　3.2.2 時鐘類型

　　1588v2基于Ethernet/IPv4/v6/UDP等協(xié)議之上，共定義了3種基本時鐘類型：普通時鐘(OC)、邊界時鐘(BC)和透明時鐘(TC)。

　　普通時鐘是單端口器件，可以作為主時鐘或從時鐘。一個同步域內(nèi)只能有唯一的主時鐘。主時鐘的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性直接關(guān)系到整個同步網(wǎng)絡(luò)的性能。一般可考慮PRC或同步于全球定位系統(tǒng)(GPS)。從時鐘的性能決定時戳的精度以及Sync消息的速率。

　　邊界時鐘是多端口器件，可連接多個普通時鐘或透明時鐘。邊界時鐘的多個端口中，有一個作為從端口，連接到主時鐘或其他邊界時鐘的主端口，其余端口作為主端口連接從時鐘或下一級邊界時鐘的從端口，或作為備份端口。

　　透明時鐘連接主時鐘與從時鐘，它對主從時鐘之間交互的同步消息進(jìn)行透明轉(zhuǎn)發(fā)，并且計算同步消息(如Sync、Delay_Req)在本地的緩沖處理時間，并將該時間寫入同步消息的CorrectionField字節(jié)塊中。從時鐘根據(jù)該字節(jié)中的值和同步消息的時戳值Delay和Offset實(shí)現(xiàn)同步。TC又可分為E2E TC和P2P TC。

　　3.2.3 1588v2協(xié)議的延遲

　　延遲是影響1588v2精度的主要因素之一。延遲主要有時戳處理延遲、節(jié)點(diǎn)緩沖延遲和路徑延遲。

　　(1)時戳處理延遲

　　1588v2的時戳處理由硬件完成，時戳處理單元的位置處于物理層與MAC層之間。如圖5所示。

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　　硬件時戳處理可以補(bǔ)償1588v2協(xié)議幀通過協(xié)議棧時消耗的時間，保證端口消息發(fā)送和接收時戳的精度。

　　(2)節(jié)點(diǎn)緩沖與路徑延遲

　　1588v2定義兩種透明時鐘，用于節(jié)點(diǎn)緩沖延遲補(bǔ)償：E2E TC和P2P TC。對于傳輸路徑的補(bǔ)償，有兩種方式：時延請求反應(yīng)方式和點(diǎn)對點(diǎn)時延方式。

　　時延請求反應(yīng)方式結(jié)合E2E TC使用。TC只需要在入口和出口處在報文上標(biāo)記處理時戳，時間延遲補(bǔ)償?shù)挠嬎闳坑蒘lave完成。

　　點(diǎn)對點(diǎn)時延方式結(jié)合P2P TC使用。TC參與端點(diǎn)間的時間延遲計算，每個端點(diǎn)分別與TC交互，并計算P2P之間的時間延遲。Slave利用計算結(jié)果計算延遲補(bǔ)償。

　　3.2.4 1588v2協(xié)議在PTN上的實(shí)現(xiàn)

　　1588v2的同步精度在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署中受到多方面因素的影響，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境(如微波和交換網(wǎng)絡(luò)的混合組網(wǎng))的使用目前還在研究當(dāng)中。在純分組的測試網(wǎng)絡(luò)中，1588v2可以達(dá)到100 ns級的精度，但是由于網(wǎng)絡(luò)時延復(fù)雜性和1588v2的雙向路徑非對稱性的不可控，導(dǎo)致單純依賴1588v2協(xié)議和數(shù)理分析算法去適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，存在著難以預(yù)知的風(fēng)險。例如在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較重時，由于單純1588v2報文發(fā)包頻率很高，在網(wǎng)絡(luò)中1588v2報文容易受到業(yè)務(wù)報文的影響，對時間延遲精度產(chǎn)生很大的影響。而降低報文發(fā)包頻率，又會導(dǎo)致時間收斂速度較慢。另外在實(shí)際工程中，需要對1588v2算法進(jìn)行雙向路徑非對稱性補(bǔ)償。非對稱性主要來源于光纖不對稱。測量光纖不對稱通常做法是采用昂貴的時間同步測試儀和示波器進(jìn)行時間誤差測量，再進(jìn)行非對稱性時延補(bǔ)償。由于PTN接入節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，工作量大且需要專業(yè)人員操作，而且時間同步測試儀和示波器等相關(guān)儀器工程人員攜帶不方便，難以普遍推廣實(shí)施，導(dǎo)致1588v2在工程可實(shí)施性上存在爭論。

　　中興通訊的PTN產(chǎn)品針對上述問題，提出了同步以太網(wǎng)基礎(chǔ)的1588v2時間傳遞方案。方案核心思想是建立時鐘和時間分離且高度可控的網(wǎng)絡(luò)，排除了不可預(yù)知的風(fēng)險。在同步以太網(wǎng)物理層穩(wěn)定頻率同步的基礎(chǔ)上實(shí)施1588v2，有助于時間同步的快速收斂，而且可以降低1588v2報文發(fā)送頻率，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較重時，也不影響時間精度，使PTN時間同步具有更高可靠性和更高精度。為了解決PTN非對稱性測量的工程問題，接入層PTN設(shè)備上集成了時間誤差測量功能，迅速準(zhǔn)確，不需要專業(yè)儀表，容易操作實(shí)施。

　　4 典型應(yīng)用

　　4.1 同步以太網(wǎng)應(yīng)用

　　同步以太網(wǎng)的組網(wǎng)應(yīng)用和SDH類似，支持環(huán)網(wǎng)和樹狀網(wǎng)組網(wǎng)，通常由無線網(wǎng)絡(luò)控制器(RNC)提供時鐘源，時鐘信息通過同步以太網(wǎng)傳送后到達(dá)各個基站，從而保持全網(wǎng)同步狀態(tài)。在樹狀組網(wǎng)中，無時鐘路由保護(hù);在環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)中，如果當(dāng)前時鐘路由發(fā)生故障，通過告警、SSM信息等相關(guān)網(wǎng)元可以從其他方向跟蹤源時鐘，從而實(shí)現(xiàn)時鐘路由保護(hù)。同步以太網(wǎng)組網(wǎng)實(shí)例如圖6所示。

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　　同步信息經(jīng)過網(wǎng)元傳遞后抖動會增加，因此在網(wǎng)絡(luò)部署中，設(shè)備如果能以最短路徑跟蹤時鐘源，則可以獲得較好的時鐘質(zhì)量。中興通訊的PTN設(shè)備采用了改進(jìn)的擴(kuò)展SSM算法，在SSM信息中增加時鐘經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)任何情況下網(wǎng)元以最短路徑跟蹤時鐘源。

　　時鐘跟蹤實(shí)例如圖7所示。網(wǎng)元C可以從B點(diǎn)或D點(diǎn)跟蹤源A發(fā)出的時鐘信息。從B點(diǎn)跟蹤，時鐘只經(jīng)過一個節(jié)點(diǎn)，如果從D點(diǎn)跟蹤，則經(jīng)過了兩個節(jié)點(diǎn)。為了使C點(diǎn)獲得較高的時鐘質(zhì)量，中興通訊的PTN設(shè)備會自動優(yōu)選B點(diǎn)方向的時鐘。

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　　4.2 1588v2協(xié)議應(yīng)用

　　4.2.1 替代基站GPS

　　1588v2典型組網(wǎng)應(yīng)用之一是在移動接入網(wǎng)中替代基站GPS。TD-SCDMA和CDMA2000基站GPS天線在工程安裝時需要120度凈空，對環(huán)境要求較高。在室內(nèi)地下等應(yīng)用場景，GPS安裝困難。由于GPS成本相對較高，故障率相對較高，如果PTN傳送網(wǎng)可以為基站提供時間同步，替代GPS的功能或者作為GPS的備份使用，將會為移動網(wǎng)絡(luò)提供更高的安全保障。

　　基站GPS替代1588v2組網(wǎng)實(shí)例如圖8所示。在PTN網(wǎng)絡(luò)中，只需其中一個網(wǎng)元輸入時間信息，例如通過1PPS+TOD接口從GPS接收時間信息。PTN網(wǎng)絡(luò)通過1588v2協(xié)議將時間信息分發(fā)到其他網(wǎng)元，再通過以太網(wǎng)接口或其他接口到達(dá)基站，從而實(shí)現(xiàn)各基站之間的時間同步。

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　　基站側(cè)需要支持1588v2協(xié)議或者支持時間接口。如果基站支持1588v2協(xié)議，則PTN可工作在透明時鐘方式;如不支持，PTN需要工作在邊界時鐘方式。

　　4.2.2 頻率恢復(fù)

　　1588v2的另外一個主要用途是以TOP方式進(jìn)行頻率恢復(fù)。在很多運(yùn)營商現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境中，很多網(wǎng)絡(luò)是普通數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，不支持同步以太網(wǎng)。需要穿越該普通網(wǎng)絡(luò)獲取時鐘頻率時可使用1588v2。

　　頻率恢復(fù)1588v2組網(wǎng)實(shí)例如圖9所示。當(dāng)分組傳送網(wǎng)絡(luò)設(shè)備A與分組傳送網(wǎng)絡(luò)設(shè)備B的中間網(wǎng)絡(luò)同為普通數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)時，從A點(diǎn)穿越普通數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳遞1588v2的Sync報文到網(wǎng)絡(luò)出口B點(diǎn);B點(diǎn)通過1588v2恢復(fù)出A點(diǎn)的時鐘，恢復(fù)的時鐘作為B點(diǎn)的參考源，然后再根據(jù)該參考源恢復(fù)業(yè)務(wù)時鐘。

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　　5 結(jié)束語

　　隨著PTN的逐步引入，對PTN時鐘同步技術(shù)的研究將更深入。中興通訊提出了同步以太網(wǎng)擴(kuò)展SSM算法，以及同步以太網(wǎng)基礎(chǔ)上的1588v2方案，對提高PTN網(wǎng)絡(luò)中時間同步的精度、降低工程實(shí)施難度起到積極的作用。可以預(yù)見，PTN時鐘同步技術(shù)的應(yīng)用將會在移動接入網(wǎng)、TDM業(yè)務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時數(shù)據(jù)采集、大客戶專網(wǎng)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。