PTN時鐘同步技術及應用

摘要:時鐘同步是分組傳送網(PTN)需要考慮的重要問題之一。可以采用同步以太網、IEEE 1588v2、網絡時間協議(NTP)等多種技術實現時鐘同步。同步以太網標準的同步狀態信息(SSM)算法存在時鐘成環，以及難以對節點跟蹤統計的問題。中興通訊提出了一種擴展SSM算法可以改進時鐘同步問題。在時間同步方面，由于NTP的精度還無法滿足電信網的需求，僅采用1588v2又會帶來收斂時間較慢、在網絡負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基礎的1588v2時間傳遞方案，對提高PTN網絡中時間同步的精度起到了較好的作用。

關鍵詞:分組傳送網;同步以太網;時間同步;延遲

Abstract:Clock synchronization is an important issue in Packet Transport Networking (PTN). Current clock synchronization technologies include synchronous Ethernet， IEEE 1588v2， and Network Time Protocol (NTP). However， challenges such as clock ring and difficulty tracing and counting nodes have arisen in Synchronous Ethernet standard Synchronization Status Message (SSM) algorithm. ZTE therefore proposes using an extended SSM algorithm. In time synchronization， the accuracy of NTP cannot meet the needs of telecommunication networks， and only using 1588v2 slows convergence time. The precision for time delay is easily affected when the network is heavily loaded. ZTE proposes a 1588v2 scheme based on synchronous Ethernet in order to effectively raise the precision of PTN time synchronization.

Key words:PTN; synchronous ethernet; time synchronization; delay

當運營商對分組傳送網(PTN)取代傳統時分復用(TDM)傳輸網的需求日益明顯時，如何解決時鐘同步成為重要問題之一。對分組傳送網的同步需求有兩個方面:一是可以承載TDM業務并提供TDM業務時鐘恢復的機制，使得TDM業務在穿越分組網絡后仍滿足一定的性能指標(如ITU-T G.823/G.824規范);二是分組網絡可以像TDM網絡一樣，提供高精度的網絡參考時鐘，滿足網絡節點(如基站)的同步需求。

1 同步技術

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相同和相同的時間間隔。

無線技術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，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，國際電信聯盟電信標準部門(ITU-T)Q13/SG15開始逐步制訂關于分組網同步技術的系列建議書，主要有:G.8261(定義總體需求)、G.8262(定義設備時鐘的性能)、G.8264(主要定義體系結構和同步功能模塊)。

IEEE在2002年發布了IEEE 1588標準，該標準定義了一種精確時間同步協議(PTP)。IEEE 1588是針對局域網組播環境制訂的標準，在電信網絡的復雜環境下，應用將受到限制。因此在2008年又發布了IEEE 1588v2(以下簡稱1588v2)，該版本中增加了適應電信網絡應用的技術特點[1-5]。

因特網工程任務組(IETF)網絡時間同步協議(NTP)實現了Internet上用戶與時間服務器之間時間同步。

2 同步以太網技術

物理層同步技術在傳統同步數字體系(SDH)網絡中應用廣泛。每個節點可從物理鏈路提取線路時鐘或從外部同步接口獲取時鐘，從多個時鐘源中進行時鐘質量選擇，使本地時鐘鎖定在質量最高的時鐘源，并將鎖定后的時鐘傳送到下游設備。通過逐級鎖定，全網逐級同步到主參考時鐘(PRC)被實現。對分組網絡也可采取相似的技術，其原理如圖1所示。

2.1 同步以太網原理

分組網絡中的同步以太網技術是一種采用以太網鏈路碼流恢復時鐘的技術。以太網物理層編碼采用4B/5B(FE)和8B/10B(GE)技術，平均每4個比特就要插入一個附加比特，這樣在其所傳輸的數據碼流中不會出現連續4個1或者4個0，可有效地包含時鐘信息。在以太網源端接口上使用高精度的時鐘發送數據，在接收端恢復并提取這個時鐘，時鐘性能可以保持高精度。

同步以太網原理如圖2所示。在圖2中發送側設備(節點A)將高精度時鐘注入以太網的物理層芯片，物理層芯片用這個高精度的時鐘將數據發送出去。接收側的設備(B節點)的物理層芯片可以從數據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。同步以太網傳遞時鐘的機制與SDH網絡基本相似，也是從以太網物理鏈路恢復時鐘，因此從恢復的時鐘質量不受鏈路業務流量影響，可提供與SDH/SONET網絡相同的時鐘樹部署和時鐘質量，完全滿足G.823規定的定時接口指標。

2.2 同步以太網SSM算法

同步狀態信息(SSM)算法源于SDH的時鐘同步控制，使用規則和時鐘選擇算法符合ITU-T G.781的規范。同步以太網的SSM控制繼承了SDH網絡特性，在傳統時鐘網的基礎上通過增加以太網同步消息信道(ESMC)豐富了同步以太網的支持。G.8264里對其進行了描述。以太網同步消息信道是媒體訪問控制(MAC)層的單向廣播協議信道，用于在設備間傳送同步狀態信息SSM。設備根據ESMC報文的SSM信息選擇最優的時鐘源。

雖然標準SSM算法能夠很好地實現網絡時鐘的同步，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，保證避免出現時鐘成環的情況。二是時鐘信號的衰減問題。隨著同步鏈路數的增加，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信號的質量逐漸劣化，因此在同一個同步鏈路上實際的可同步網元的數目是受限的，而通過標準SSM難以對節點進行跟蹤統計。

中興通訊PTN設備采用了改進的擴展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字節的信息為同步質量等級，遵循ITU-T標準;另外一個TLV用于路徑保護。改進的算法具有如下優勢:

從根本上防止了時鐘成環。

當存在多條時鐘路徑時，自動選擇最優(最短)路由。

只要存在到達主時鐘的路由，網元就會跟蹤主時鐘，而不會進入自由振蕩狀態。

算法為低層分布式處理，因此各網元地位等同，操作簡單。

標準的S1字節可以直接使用，不影響與其他廠家設備的對接。

3 時間同步技術

時間同步技術是頻率同步的進一步發展。分組時間同步技術采用分組協議數據單元作為時鐘或時間信息的載體，是實現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 網絡時間協議

在IEEE 1588v2技術出現以前，在分組網絡中用于時間同步的協議主要的有3種:時間協議、日時協議和網絡時間協議(NTP)。NTP由純軟件實現，精度比較低。目前廣泛使用的NTPv3可以達到10 ms左右的同步精度。IETF正在進行NTPv4的標準工作，支持IPv6和動態發現服務器，預計同步精度可達到10 μs級。NTP的穩定性和精度還不能滿足電信網的高要求。

3.2 1588v2協議

3.2.1 1588v2協議的實現原理

1588v2是未來統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的協議實現時間同步，在PTN設備中得到廣泛應用。

1588v2時間同步的核心思想是采用主從時鐘方式，對時間信息進行編碼，利用網絡的對稱性和延時測量技術，通過報文消息的雙向交互實現主從時間的同步。

1588v2協議原理如圖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)本身不進行時戳處理，它可以攜帶事件消息(如Sync)的準確發送或接收時間，還具有完成網絡配置、管理，或PTP節點之間通信的功能。事件消息本身需要進行時戳處理，并可攜帶或不攜帶時戳。從時鐘根據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。一個同步域內只能有唯一的主時鐘。主時鐘的頻率準確度和穩定性直接關系到整個同步網絡的性能。一般可考慮PRC或同步于全球定位系統(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行透明轉發，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字節塊中。從時鐘根據該字節中的值和同步消息的時戳值Delay和Offset實現同步。TC又可分為E2E TC和P2P TC。

3.2.3 1588v2協議的延遲

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償1588v2協議幀通過協議棧時消耗的時間，保證端口消息發送和接收時戳的精度。

(2)節點緩沖與路徑延遲

1588v2定義兩種透明時鐘，用于節點緩沖延遲補償:E2E TC和P2P TC。對于傳輸路徑的補償，有兩種方式:時延請求反應方式和點對點時延方式。

時延請求反應方式結合E2E TC使用。TC只需要在入口和出口處在報文上標記處理時戳，時間延遲補償的計算全部由Slave完成。

點對點時延方式結合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利用計算結果計算延遲補償。

3.2.4 1588v2協議在PTN上的實現

1588v2的同步精度在實際網絡部署中受到多方面因素的影響，復雜網絡環境(如微波和交換網絡的混合組網)的使用目前還在研究當中。在純分組的測試網絡中，1588v2可以達到100 ns級的精度，但是由于網絡時延復雜性和1588v2的雙向路徑非對稱性的不可控，導致單純依賴1588v2協議和數理分析算法去適應網絡環境，存在著難以預知的風險。例如在網絡負荷較重時，由于單純1588v2報文發包頻率很高，在網絡中1588v2報文容易受到業務報文的影響，對時間延遲精度產生很大的影響。而降低報文發包頻率，又會導致時間收斂速度較慢。另外在實際工程中，需要對1588v2算法進行雙向路徑非對稱性補償。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行時間誤差測量，再進行非對稱性時延補償。由于PTN接入節點數量多，工作量大且需要專業人員操作，而且時間同步測試儀和示波器等相關儀器工程人員攜帶不方便，難以普遍推廣實施，導致1588v2在工程可實施性上存在爭論。

中興通訊的PTN產品針對上述問題，提出了同步以太網基礎的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絡，排除了不可預知的風險。在同步以太網物理層穩定頻率同步的基礎上實施1588v2，有助于時間同步的快速收斂，而且可以降低1588v2報文發送頻率，在網絡負荷較重時，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設備上集成了時間誤差測量功能，迅速準確，不需要專業儀表，容易操作實施。

4 典型應用

4.1 同步以太網應用

同步以太網的組網應用和SDH類似，支持環網和樹狀網組網，通常由無線網絡控制器(RNC)提供時鐘源，時鐘信息通過同步以太網傳送后到達各個基站，從而保持全網同步狀態。在樹狀組網中，無時鐘路由保護;在環網組網中，如果當前時鐘路由發生故障，通過告警、SSM信息等相關網元可以從其他方向跟蹤源時鐘，從而實現時鐘路由保護。同步以太網組網實例如圖6所示。

同步信息經過網元傳遞后抖動會增加，因此在網絡部署中，設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量。中興通訊的PTN設備采用了改進的擴展SSM算法，在SSM信息中增加時鐘經過的節點數，可以實現任何情況下網元以最短路徑跟蹤時鐘源。

時鐘跟蹤實例如圖7所示。網元C可以從B點或D點跟蹤源A發出的時鐘信息。從B點跟蹤，時鐘只經過一個節點，如果從D點跟蹤，則經過了兩個節點。為了使C點獲得較高的時鐘質量，中興通訊的PTN設備會自動優選B點方向的時鐘。

4.2 1588v2協議應用

4.2.1 替代基站GPS

1588v2典型組網應用之一是在移動接入網中替代基站GPS。TD-SCDMA和CDMA2000基站GPS天線在工程安裝時需要120度凈空，對環境要求較高。在室內地下等應用場景，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，將會為移動網絡提供更高的安全保障。

基站GPS替代1588v2組網實例如圖8所示。在PTN網絡中，只需其中一個網元輸入時間信息，例如通過1PPS+TOD接口從GPS接收時間信息。PTN網絡通過1588v2協議將時間信息分發到其他網元，再通過以太網接口或其他接口到達基站，從而實現各基站之間的時間同步。

基站側需要支持1588v2協議或者支持時間接口。如果基站支持1588v2協議，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

1588v2的另外一個主要用途是以TOP方式進行頻率恢復。在很多運營商現網環境中，很多網絡是普通數據網絡，不支持同步以太網。需要穿越該普通網絡獲取時鐘頻率時可使用1588v2。

頻率恢復1588v2組網實例如圖9所示。當分組傳送網絡設備A與分組傳送網絡設備B的中間網絡同為普通數據網絡時，從A點穿越普通數據網絡傳遞1588v2的Sync報文到網絡出口B點;B點通過1588v2恢復出A點的時鐘，恢復的時鐘作為B點的參考源，然后再根據該參考源恢復業務時鐘。

5 結束語

隨著PTN的逐步引入，對PTN時鐘同步技術的研究將更深入。中興通訊提出了同步以太網擴展SSM算法，以及同步以太網基礎上的1588v2方案，對提高PTN網絡中時間同步的精度、降低工程實施難度起到積極的作用。可以預見，PTN時鐘同步技術的應用將會在移動接入網、TDM業務、物聯網實時數據采集、大客戶專網等領域有廣泛的應用。

6 參考文獻

[1] ITU-T G.8261.Timing and synchronization aspects in packet networks[S]. 2006.

[2] ITU-T G.8262.Timing characteristics of synchronous Ethernet equipment slave clock (EEC) [S]. 2007.

[3] ITU-T G.8264.Distribution of timing through packet networks[S]. 2008.

[4] IEEE 1588.IEEE standard for a precision clock synchronization protocol for networked measurement and control systems[S]. 2008.

[5] MEF 22. Mobile backhaul implementation agreement phase1[S]. 2009.

收稿日期:2010-03-08

李勤，北京郵電大學碩士畢業，現任中興通訊承載網規劃系統部PTN方案經理，主任工程師，主要研究方向為3G/LTE的PTN承載方案。