GPON和EPON的時(shí)間同步技術(shù)介紹

1 引言

　　無線業(yè)務(wù)對(duì)于回傳網(wǎng)絡(luò)(Wireless Backhaul，基站和無線交換設(shè)備之間的鏈路)的帶寬需求，隨著無線業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展而快速增加。過去，由于無線語音和低速無線數(shù)據(jù)是無線的主要業(yè)務(wù)，無線基站對(duì)帶寬需求較小，租用E1/T1線路就能夠滿足需求。現(xiàn)在，隨著3G時(shí)代的到來，無線數(shù)據(jù)以及視頻業(yè)務(wù)的快速發(fā)展促使無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)覆蓋和帶寬的需求持續(xù)增長。

　　然而由于帶寬的增長速度遠(yuǎn)高于收入的增長速度，運(yùn)營商面臨著增量不增收的矛盾。在運(yùn)營商的OPEX總成本中，回傳租用線約占45%。對(duì)于傳統(tǒng)語音業(yè)務(wù)而言，2G基站傳輸1～2個(gè)E1/T1已基本上可以滿足需求，此時(shí)帶寬與收入的矛盾還不突出;但是到了3G時(shí)代，基站通常需要4～5個(gè)E1接口，支持HSDPA的基站甚至可能需要8～16個(gè)E1/T1。因此，如果仍舊采用租用E1/T1的傳送方式，其網(wǎng)絡(luò)的OPEX將因?yàn)閹捫枨蟮脑鲩L而不斷上升，這就迫使運(yùn)營商尋找價(jià)格低廉而且有業(yè)務(wù)安全和質(zhì)量保證的無線回傳的解決方案。

　　PON作為可以滿足上述運(yùn)營商需求的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一，越來越受到運(yùn)營商以及標(biāo)準(zhǔn)組織的重視。GPON/10GGPON的時(shí)間同步解決方案在ITU-T相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)系列中已完成并公布，IEEE也正在制定EPON/10GEPON時(shí)間同步解決方案的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并即將發(fā)布。

　　2 無線回傳網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步需求

　　對(duì)于WCDMA，由于采用了異步基站技術(shù)，因而不需要無線回傳網(wǎng)提供時(shí)間同步。對(duì)于 cdma2000以及TD-SCDMA，由于采用了同步基站技術(shù)，所以需要無線回傳網(wǎng)提供時(shí)間同步。4G的LTE也傾向于采用同步基站技術(shù)。根據(jù) 3GPP2標(biāo)準(zhǔn)(cdma2000國際標(biāo)準(zhǔn))的要求，時(shí)間同步的精度要優(yōu)于±3?s，因此基站與基準(zhǔn)時(shí)鐘時(shí)間同步的精度要優(yōu)于±1.5?s。根據(jù)3GPP 標(biāo)準(zhǔn)(TD-SCDMA以及WCDMA的國際標(biāo)準(zhǔn))對(duì)TD-SCDMA的要求，時(shí)間同步精度要優(yōu)于±3?s;同理，基站與基準(zhǔn)時(shí)鐘時(shí)間同步的精度要優(yōu)于±1.5?s。因此，基站與基準(zhǔn)時(shí)鐘相位同步的精度要求要優(yōu)于±1.5?s。

　　由上述分析可知，時(shí)間同步需求是cdma2000，TD-SCDMA，LTE等無線制式對(duì)回傳網(wǎng)絡(luò)的基本需求。如果PON不支持高精度的時(shí)間同步，則將無法作為這幾種無線制式的回傳網(wǎng)絡(luò)。

　　3 GPON/10G GPON時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)

　　GPON/10G GPON的時(shí)間同步機(jī)制參見圖1。

　　圖1 GPON/10G GPON時(shí)間同步機(jī)制

　　圖1所示方法的具體步驟為：

　　(1)OLT首先與上一級(jí)設(shè)備完成時(shí)間同步。

　　(2)OLT計(jì)算出第X個(gè)Super Frame到達(dá)ONUi時(shí)對(duì)應(yīng)的ToDx,i(TIme of Day，時(shí)間)。

　　(3)OLT通過OMCI消息告知ONUi，當(dāng)?shù)赬個(gè) Super Frame到達(dá)ONUi時(shí)對(duì)應(yīng)的ToDx,i。

　　(4)ONUi收到該OMCI消息后，對(duì)ToDx,i進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，得到精確的第X幀到達(dá)時(shí)間real_ToDx,i。

　　(5)ONUi在第X幀到達(dá)時(shí)，將其本地時(shí)間設(shè)置為 Real_ToDx,i即完成時(shí)間同步。

　　該方案的誤差主要由3部分引入：上/下行波長不同，Serdes，測(cè)距。

　　GPON的下行中心波長為1490nm，上行中心波長為1310nm。對(duì)于典型的 SMF-28光纖，下行的折射率n1490 = 1.4682，上行的折射率n1310 = 1.4677，兩者之差為0.0005，因此得到矯正因子為 。如果使用0.5作為近似值進(jìn)行計(jì)算，則引入的誤差約為170ppm，在最大的物理距離20km的情況下，大約為17ns。因?yàn)?0km的單向傳輸時(shí)延約為100?s，乘以這個(gè)170ppm，可以得到誤差約為17ns。這個(gè)值是可以通過計(jì)算補(bǔ)償?shù)摹?/p>

　　Serdes串并轉(zhuǎn)換的時(shí)延在ONU每次激活時(shí)都是不確定的，具體誤差取決于 Serdes位寬。對(duì)于目前比較常用的16bit位寬的Serdes，此處在相鄰兩次激活時(shí)引入的最大誤差可達(dá)±16bits。對(duì)于GPON來說，下行速率為2.488Gbit/s，則該誤差換算成時(shí)間約為±6.4ns。這個(gè)誤差的補(bǔ)償理論上也是可以由MAC芯片完成，但是實(shí)現(xiàn)相對(duì)困難：這要求ONU的 MAC芯片在ONU每次上線激活以后，提取Serdes具體偏移，然后再對(duì)其補(bǔ)償。

　　GPON測(cè)距時(shí)，不同ONU的Response TIme不定，可引入±1?s的誤差，從而使測(cè)出的單向時(shí)延的誤差為±0.5?s，從極端惡劣情況下對(duì)時(shí)間同步精確度的影響來看，這個(gè)補(bǔ)償必須做，否則將導(dǎo)致較大的精確度劣化。不過這個(gè)補(bǔ)償也是很容易實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樵谛酒龊靡院螅@個(gè)值相對(duì)固定，只需要加/減相應(yīng)的固定值即可。

　　GPON的EqD誤差：GPON的DoW告警觸發(fā)門限為±4bits，GPON的上行速率為1.244Gbit/s，換算為時(shí)間±3.2ns，則在單向時(shí)延上引入的最大誤差為±1.6ns。這個(gè)誤差在不改變現(xiàn)有GPON標(biāo)準(zhǔn)的前提下是無法補(bǔ)償?shù)摹?/p>

　　綜上所述，對(duì)于上下行波長不同引入的誤差，在20km的極限情況下約為17ns，這個(gè)誤差可以通過簡(jiǎn)單計(jì)算補(bǔ)償;對(duì)于串并轉(zhuǎn)換引入的誤差，在使用16bit位寬的Serdes的情況下，約為±6.4ns，這個(gè)誤差也可以補(bǔ)償，但是實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，不推薦做;對(duì)于測(cè)距引入的誤差，在實(shí)現(xiàn)了response time補(bǔ)償?shù)那闆r下，為±1.6ns，這個(gè)誤差在不改變現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的情況下，無法補(bǔ)償：所以，在補(bǔ)償都實(shí)現(xiàn)的情況下，理論精度可以達(dá)到±1.6ns;在不做任何補(bǔ)償?shù)那闆r下，精度在±25ns以內(nèi)。10G GPON的誤差分析類似。

　　該方案在2008年12月的ITU-T SG15 Q2會(huì)議上首次提出即得到了廣大運(yùn)營商和設(shè)備商的認(rèn)可，認(rèn)為該方案利用了GPON本身的測(cè)距的結(jié)果以及GPON本身的下行幀同步機(jī)制，實(shí)現(xiàn)也較為簡(jiǎn)單。后續(xù)Q2對(duì)此方案進(jìn)行了深入討論。2009年10月ITU-T SG15全會(huì)上，Q2與Q13就此問題進(jìn)行了聯(lián)合討論，該方案獲得認(rèn)可并正式寫入到了G.984標(biāo)準(zhǔn)(GPON的國際標(biāo)準(zhǔn))中。

　　對(duì)于10G GPON，由于測(cè)距以及下行幀同步等時(shí)間同步相關(guān)的機(jī)制跟GPON相同，因此10G GPON的時(shí)間同步方案沿用了G.984標(biāo)準(zhǔn)的方案，目前已經(jīng)寫入G.987.3(10G GPON的TC層標(biāo)準(zhǔn))以及G.988(10G GPON的OMCI標(biāo)準(zhǔn))的草稿中，近期就會(huì)正式發(fā)布。

　　華為積極參與了GPON以及10G GPON標(biāo)準(zhǔn)的制定，提出了大量有價(jià)值的技術(shù)方案，上述的GPON/10G GPON的時(shí)間同步方案就是由華為最先提出的。華為的專家Frank Effenberger為ITU-T SG15 Q2(負(fù)責(zé)GPON/10G GPON標(biāo)準(zhǔn)的制定)的大會(huì)報(bào)告起草人(Rapporteur)，并兼任G.984.3(GPON國際標(biāo)準(zhǔn)的TC層部分)的標(biāo)準(zhǔn)合編者(co- editor)， Yuanqiu Luo為G.987.3(10G GPON國際標(biāo)準(zhǔn)的TC層部分)的co-editor，林薇為G.988(10G GPON國際標(biāo)準(zhǔn)的OMCI部分)的co-editor，為推動(dòng)GPON/10G GPON標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)展做出了重要的貢獻(xiàn)。

4 EPON/10G EPON時(shí)間同步標(biāo)準(zhǔn)

　　EPON/10G EPON的時(shí)間同步機(jī)制參見圖2。

　　圖2 EPON/10G EPON時(shí)間同步機(jī)制

　　圖2所示方法的具體步驟為：

　　(1)OLT首先與上一級(jí)設(shè)備完成時(shí)間同步。

　　(2)OLT計(jì)算出ONUi的localTime為X時(shí)的 ToDx,i。

　　(3)OLT通過OSSP報(bào)文，將localTime為X時(shí)的ToDx,i告知ONUi。

　　(4)ONUi收到該OSSP消息后，對(duì)ToDx,i進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，得到精確的localTime為X時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間real_ToDx,i。

　　(5)ONUi在localTime計(jì)數(shù)到達(dá)X時(shí)，將本地時(shí)間設(shè)置為real_ToDx,i即完成時(shí)間同步。

　　該方案的誤差主要由3部分引入：上/下行波長不同，Serdes，測(cè)距。與GPON類似。

　　上/下行波長不同引入的誤差部分，由于EPON的上/下行波長分別和GPON的上/下行波長相同，因此該部分的誤差也相同。

　　Serdes部分引入的誤差也一樣，只是EPON速率較低，引入的誤差為±12.8ns。

　　測(cè)距部分，EPON的guardThresholdOLT門限為12個(gè)TIme Quanta，每個(gè)Time Quanta為16ns，換算為時(shí)間為192ns，則在單向時(shí)延上引入的最大誤差為±96ns(但是最惡劣情況是小概率事件，通常不會(huì)出現(xiàn))這個(gè)誤差在不改變現(xiàn)有EPON標(biāo)準(zhǔn)的前提下是無法補(bǔ)償?shù)摹?/p>

　　綜上所述，對(duì)于上/下行波長不同引入的誤差，在20km的極限情況下約為17ns，這個(gè)誤差可通過簡(jiǎn)單計(jì)算補(bǔ)償;對(duì)于Serdes串并轉(zhuǎn)換引入的誤差，在使用16bit位寬的Serdes的情況下，為±12.8ns，這個(gè)誤差也可補(bǔ)償，但是實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，不推薦做;對(duì)于測(cè)距引入的誤差，為±96ns，這個(gè)誤差在不改變現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的情況下，無法補(bǔ)償;所以，在實(shí)現(xiàn)了所有補(bǔ)償?shù)那闆r下，理論精度可達(dá)±96ns;在不實(shí)現(xiàn)任何補(bǔ)償?shù)那闆r下，精度在±130ns以內(nèi);10G EPON的誤差分析類似。

　　該方案在2009年1月的IEEE 802.1AS會(huì)議上進(jìn)行了討論，得到了廣大參會(huì)成員的認(rèn)可，認(rèn)為該方案利用了EPON/10G EPON本身的測(cè)距的結(jié)果以及EPON/10G EPON本身的同步機(jī)制，實(shí)現(xiàn)也較為簡(jiǎn)單。目前，802.1AS標(biāo)準(zhǔn)基本定稿，該方案也已經(jīng)能被標(biāo)準(zhǔn)文本正式內(nèi)容所覆蓋。

　　5 結(jié)束語

　　華為積極參與了EPON以及10G EPON標(biāo)準(zhǔn)的制定，提出了大量有價(jià)值的技術(shù)方案，上述的EPON/10G EPON的時(shí)間同步方案就是由華為最先提出的。華為的專家Yuanqiu Luo為IEEE 802.1AS Clause 13(EPON/10G EPON的時(shí)間同步部分)的標(biāo)準(zhǔn)編輯者(Clause Editor)，為推動(dòng)EPON/10G EPON標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)展做出了重要的貢獻(xiàn)。