PTN承載高精度時(shí)間同步協(xié)議技術(shù)研究

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)對(duì)時(shí)間同步的要求越來越高。CDMA2000、時(shí)分同步碼分多址(TD-SCDMA)、時(shí)分長(zhǎng)期演進(jìn)(TD-LTE)基站都需要高精度的時(shí)間同步。TD-SCDMA規(guī)定的時(shí)間同步指標(biāo)為±1.5 μs，采用本地時(shí)鐘授時(shí)或頻率同步網(wǎng)守時(shí)等方式均無(wú)法滿足要求，而采用每個(gè)時(shí)分(TD)基站加裝全球定位系統(tǒng)(GPS)的方式則面臨施工難、成本高和不安全等弊端。

利用同步協(xié)議通過光纖系統(tǒng)傳輸高精度時(shí)間同步信號(hào)將是未來的主流技術(shù)。

高精度時(shí)間同步信號(hào)地面?zhèn)鬏數(shù)年P(guān)鍵技術(shù)主要包括2個(gè)方面:一方面是高精度時(shí)間協(xié)議，另一方面是對(duì)傳輸中引入的時(shí)延和抖動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)。基于網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)技術(shù)的時(shí)間同步網(wǎng)精度在數(shù)十毫秒數(shù)量級(jí)，無(wú)法滿足TD要求。IEEE 1588v2協(xié)議采用延時(shí)-請(qǐng)求響應(yīng)機(jī)制，通過同步消息計(jì)算出從時(shí)鐘與主時(shí)鐘之間的時(shí)間偏差，達(dá)到時(shí)間同步的目的。通過硬件打時(shí)間戳和采用邊界時(shí)鐘/透明時(shí)鐘來補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)組件或協(xié)議棧引起的時(shí)延和抖動(dòng)，IEEE 1588v2協(xié)議能夠達(dá)到亞微秒級(jí)的同步精度。

IEEE 1588原本是為工控機(jī)之間的同步需求而設(shè)計(jì)的高精度時(shí)間同步協(xié)議(PTP)。當(dāng)應(yīng)用于大規(guī)模的電信網(wǎng)時(shí)，其精度、不同模式、維護(hù)管理和高精度時(shí)間同步協(xié)議(BMCA)等還需要進(jìn)一步研究。

本文對(duì)采用分組傳送網(wǎng)(PTN)承載IEEE 1588v2提供時(shí)間同步的精度影響因素進(jìn)行了分析，通過實(shí)驗(yàn)和試點(diǎn)測(cè)試初步驗(yàn)證了PTN承載1588v2提供高精度時(shí)間同步信號(hào)的可行性，并對(duì)PTN承載1588v2的不同模式進(jìn)行了比較[1-5]。

1 影響時(shí)間同步精度的關(guān)鍵因素

IEEE 1588v2采用主從時(shí)鐘方案，周期發(fā)布時(shí) 鐘。接收方利用網(wǎng)絡(luò)鏈路的對(duì)稱性進(jìn)行時(shí)鐘偏移測(cè)量和延時(shí)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)主從時(shí)鐘的頻率、相位和絕對(duì)時(shí)間的同步。在1588v2報(bào)文傳送過程中，由于每個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行時(shí)間戳處理，相應(yīng)會(huì)引入時(shí)延和抖動(dòng)，因此傳送網(wǎng)的跳數(shù)會(huì)影響時(shí)間同步信號(hào)的精度。在分組傳送網(wǎng)中，由于采用了存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，分組時(shí)延差(PDV)對(duì)于時(shí)間精度可能有很大影響。對(duì)于邊界時(shí)鐘(BC)和透明時(shí)鐘(TC)模式，由于在PTP包頭中引入了修正字段(CF)來記錄和補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)處理時(shí)延，因此可以很大程度降低PDV的影響。對(duì)于純透?jìng)髂Ｊ?，業(yè)務(wù)負(fù)載和包長(zhǎng)都將影響時(shí)間精度。此外網(wǎng)絡(luò)保護(hù)倒換、信號(hào)劣化、溫度變化、頻率同步等各種因素也都可能影響時(shí)間同步精度。

1.1 跳數(shù)影響

在BC模式下，由于在每個(gè)節(jié)點(diǎn)終結(jié)PTP報(bào)文，因此上一級(jí)節(jié)點(diǎn)的PDV影響不會(huì)累積，對(duì)時(shí)間精度的主要影響是輸出端口的隊(duì)列。此外，由于每一級(jí)時(shí)鐘都需要同步于主時(shí)鐘，因此在時(shí)鐘恢復(fù)過程中會(huì)引入漂移，并且這種低頻漂移會(huì)累積。

對(duì)跳數(shù)影響的測(cè)試平臺(tái)如圖1所示。所有PTN節(jié)點(diǎn)配置為BC模式并且通過同步吉比特以太網(wǎng)(GE)接口互聯(lián)。DUT1通過1PPS+ToD接口與GPS接收機(jī)相連。時(shí)間測(cè)試儀比較DUTn與GPS的時(shí)間誤差。

不同跳數(shù)下的時(shí)間誤差如圖2所示。在10跳情況下測(cè)試了9個(gè)小時(shí)，時(shí)間誤差范圍為-120.3 ns～131.5 ns，峰峰值為252 ns;在20跳情況下測(cè)試了9個(gè)小時(shí)，時(shí)間的誤差范圍為-61 ns～192 ns，峰峰值為253 ns;在30跳情況下測(cè)試了4個(gè)小時(shí)，時(shí)間誤差范圍為-239.3 ns～26.8 ns，峰峰值為266 ns?？梢钥闯鲈诓煌鴶?shù)情況下，時(shí)間精度差別不大，噪聲模型接近于隨機(jī)發(fā)布。

1.2 PDV對(duì)純透?jìng)髂Ｊ降挠绊?/p>

將圖1測(cè)試平臺(tái)的各個(gè)PTN節(jié)點(diǎn)配置為純透?jìng)髂Ｊ?，分別采取無(wú)負(fù)載和加載90%的負(fù)載。90%的負(fù)載時(shí)包長(zhǎng)分別為64字節(jié)、576字節(jié)和1 518字節(jié)，輸出時(shí)間的誤差峰峰值分別為250 ns、450 ns、3 200 ns和10 μs，得到PDV對(duì)純透?jìng)髂Ｊ降挠绊懭鐖D3所示?？梢钥闯?，負(fù)載越大、包長(zhǎng)越長(zhǎng)對(duì)時(shí)間同步精度影響越大。如果要采用純透?jìng)髂Ｊ教峁└呔葧r(shí)間同步信號(hào)，還需要針對(duì)PDV進(jìn)行很多優(yōu)化。

1.3 網(wǎng)絡(luò)倒換的影響

當(dāng)時(shí)間源、鏈路和時(shí)鐘板發(fā)生倒換時(shí)，會(huì)引起頻率和相位的跳變，可能會(huì)影響到時(shí)間精度。經(jīng)測(cè)試，時(shí)間源倒換會(huì)引入6 ns的時(shí)間誤差，光纖線路倒換引入26 ns的時(shí)間誤差，時(shí)鐘板倒換引入13 ns時(shí)間誤差。網(wǎng)絡(luò)倒換對(duì)時(shí)間精度的影響如圖4所示。可以看出，網(wǎng)絡(luò)倒換對(duì)時(shí)間精度影響均在30 ns以內(nèi)，在指標(biāo)分配中留有50 ns余量即可。

1.4 信號(hào)劣化和溫度變化的影響

當(dāng)信號(hào)發(fā)生劣化時(shí)，會(huì)引起丟包率的提高。當(dāng)外界溫度發(fā)生變化時(shí)，可能會(huì)影響到時(shí)鐘的性能，從而影響時(shí)間精度。當(dāng)插入誤碼為1×10-3時(shí)，時(shí)間誤差峰峰值仍然在110 ns以內(nèi)，與無(wú)誤碼時(shí)性能相同。當(dāng)PTN節(jié)點(diǎn)溫度從-10℃變化到50℃時(shí)，時(shí)間誤差峰峰值在40 ns以內(nèi)，且時(shí)間變化與溫度變化并不一致。

1.5 頻率同步對(duì)時(shí)間同步的影響

PTN可以通過同步以太網(wǎng)從物理層獲取時(shí)鐘，也可通過1588v2報(bào)文恢復(fù)時(shí)鐘。當(dāng)PTN通過同步以太網(wǎng)獲取頻率同步，而通過1588v2獲取時(shí)間/相位同步時(shí)，可以稱之為緊耦合方式;當(dāng)PTN通過1588v2同時(shí)恢復(fù)頻率同步和時(shí)間/相位同步時(shí)，稱之為松耦合方式。

緊耦合和松耦合情況下的時(shí)間同步性能如圖5所示。圖5顯示了兩種方式在正常情況下的時(shí)間精度。緊耦合情況下時(shí)間誤差峰峰值為22 ns，松耦合情況下時(shí)間的誤差峰峰值為67 ns，可以看出其性能一致。

緊耦合方式下，頻率同步對(duì)時(shí)間精度的影響如圖6所示。當(dāng)頻率處于保持狀態(tài)時(shí)(頻偏為5×10-9)，輸出的時(shí)間誤差峰峰值為100 ns;頻率處于自由振蕩狀態(tài)時(shí)(頻偏為3.8×10-8)，時(shí)間同步信號(hào)丟失。

可以看出這兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。當(dāng)采用緊耦合方式時(shí)，頻率同步信號(hào)劣化和丟失將影響時(shí)間同步信號(hào);當(dāng)采用松耦合方式時(shí)，則各個(gè)PTN的本地時(shí)鐘跟蹤1588v2時(shí)鐘的時(shí)間會(huì)大大增長(zhǎng)。此外，采用松耦合方式，需要提高1588v2報(bào)文的頻率，增大了網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，因此一般采用緊耦合方式。

2 BC模式下時(shí)間同步的長(zhǎng)期穩(wěn)定度

為了驗(yàn)證PTN承載1588v2在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)情況下的長(zhǎng)期穩(wěn)定度，特在現(xiàn)網(wǎng)進(jìn)行了試點(diǎn)。試點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)包含3個(gè)核心PTN節(jié)點(diǎn)、3個(gè)匯聚PTN節(jié)點(diǎn)和58個(gè)接入PTN節(jié)點(diǎn)。每個(gè)接入節(jié)點(diǎn)均帶一個(gè)TD-SCDMA基站。如圖7所示。所有PTN節(jié)點(diǎn)均采用BC模式。所有光纖段落都對(duì)時(shí)延不對(duì)稱性進(jìn)行了補(bǔ)償。頻率同步通過同步以太網(wǎng)獲取，時(shí)間接口包括1PPS+ToD接口和快速以太網(wǎng)/千兆比以太網(wǎng)(FE/GE)接口。

當(dāng)采用FE接口時(shí)，72小時(shí)的時(shí)間誤差峰峰值為65 ns，如圖8所示。其最大時(shí)間間隔誤差(MTIE)和時(shí)間偏差(TDEV)如圖9所示?？梢钥闯鰰r(shí)間輸出非常穩(wěn)定，噪聲接近于隨機(jī)分布，且相對(duì)較少。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于TD-SCDMA和TD-LTE等無(wú)線系統(tǒng)，采用GPS提供時(shí)間同步面臨施工難、成本高和不安全等弊端。利用同步協(xié)議通過光纖系統(tǒng)傳輸高精度時(shí)間同步信號(hào)將成為主流技術(shù)。目前，采用PTN承載1588v2提供高精度時(shí)間同步已經(jīng)初步具備可行性。由于現(xiàn)網(wǎng)中許多光纖段落不對(duì)稱，因此應(yīng)該進(jìn)行逐段補(bǔ)償。BC和TC模式均可以很好地消除PDV的影響。相對(duì)而言BC模式更加簡(jiǎn)單。目前，關(guān)于時(shí)間同步在電信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)還不成熟，對(duì)時(shí)間同步的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)也不豐富。相信時(shí)間同步會(huì)率先在PTN網(wǎng)絡(luò)中得到應(yīng)用，將來光傳送網(wǎng)(OTN)和無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(PON)承載高精度時(shí)間同步也會(huì)得到廣泛應(yīng)用。

4 參考文獻(xiàn)

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收稿日期:2010-03-16

李晗，北京郵電大學(xué)博士畢業(yè);中國(guó)移動(dòng)研究院副主任研究員，主要負(fù)責(zé)傳輸、有線接入和同步技術(shù)的研究工作;已在國(guó)內(nèi)外刊物發(fā)表論文50余篇，申請(qǐng)專利20多項(xiàng);已發(fā)表ITU文稿50多篇，并擔(dān)任ITU-T Editor。