PTN時鐘同步技術(shù)及應(yīng)用

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。

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)。

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。

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)點緩沖與路徑延遲

1588v2定義兩種透明時鐘，用于節(jié)點緩沖延遲補(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)方式和點對點時延方式。

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。

點對點時延方式結(jié)合P2P TC使用。TC參與端點間的時間延遲計算，每個端點分別與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上的實現(xiàn)

1588v2的同步精度在實際網(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，難以普遍推廣實施，導(dǎo)致1588v2在工程可實施性上存在爭論。

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，從而實現(xiàn)時鐘路由保護(hù)。同步以太網(wǎng)組網(wǎng)實例如圖6所示。