傳輸網中PTP非對稱性自動補償的一種方法

謝德達

【摘要】 隨著3G移動通信的大范圍普及，PTP時間同步開始大規模在核心網部屬，而目前PTP非對稱性的補償方法主要靠人工測量。這里討論一種自動計算非對稱性的方法，幫助實現網路的靈活部署和傳輸路徑變更后的同步性能保持。在PTP傳輸路徑兩端各增加一個光開關，從時鐘獲得了t1，t2，t3，t4后，切換兩端開關以交換收發通道，從時鐘可獲得第二組t1，t2，t3，t4。由此可計算出收發通道各自的時延和主從時鐘偏差。試驗測試數據表明，只要保證光開關連接收發器件的光纖跳線基本等長，就可以實現精確時間同步，誤差不超過30ns。

【關鍵詞】 PTP 1588V2 時間同步 非對稱性 時鐘偏差 延時 光開關

IEEE 1588V2 定義了兩種時鐘同步模型：端到端（end-to-end）和對等（peer-to-peer）模型。這里只討論端到端模型（two-step），主從時鐘的信息交換流程如圖1所示：

1、主時鐘在t1時刻發出sync報文，并在物理層打時戳——該時戳信息被封裝在Follow_up報文中跟在sync報文后面發送。

2、從時鐘在t2時刻收到sync報文，并在物理層打時戳——該時戳信息被送往從時鐘時間處理單元；從時鐘接著收到帶有t1時間信息的Follow_up報文。此時從時鐘的時間處理單元收集到t1和t2兩個時間信息。

3、從時鐘在t3時刻發送Delay_Req報文，并在物理層打時戳。此時從時鐘的時間處理單元收集到t1，t2和t3三個時間信息。

4、主時鐘在t4時刻收到Delay_Req報文，并在物理層打時戳——該時戳信息被封裝在Delay_Resp報文中發送。從時鐘收到Delay_Resp報文后，遍獲得了t1，t2，t3和t4四個時間信息。

從時鐘獲得4個完整時間信息后開始計算，根據：

t2- t1 = t_ms+t_offset； （1）

t4 -t3 = t_sm-t_offset； （2）

t_ms為主時鐘到從時鐘發送方向的傳輸時延，t_sm為從時鐘到主時鐘發送方向的傳輸時延， t_offset為從時鐘跟主時鐘的時間偏差。

假設t_ms與t_sm相等，則可以通過這兩個方程計算出時延和偏差，并用得到的偏差調整從時鐘的時間，實現從時鐘與主時鐘的時間同步。

1588V2協議實現時間同步的一個前提假設就是收發通道傳輸時延相等，否則2個方程3個變量無法求解。但是實際的傳輸網絡中，收發光纖不可能做到等長，特別在長距離的傳輸中。根據公式（1）（2）可以知道：

t_offset=（t2-t1）/2（t4-t3）/2-（t_ms-t_sm）/2 （3）

可見如果t_ms與t_sm不相等，偏差便少計算了

t_asym=（t_ms - t_sm）/2 （4）

這部分定義為非對稱時延。實際光纖傳輸中，1米光纖的傳輸時延是5ns左右，1公里非對稱時延便達到5μS左右。這對一些高精度時間同步的應用場景來說無法接受，特別在是中移動的TD-SCDMA網絡中。事實上傳輸網絡中發生OLP保護倒換時的收發光纖非對稱性是很容易超過1公里的，此外經過多跳積累后的非對稱性也很容易超出系統容忍極限。由此可見非對稱性補償非常必要，并且是要求自動補償，因為手動補償非但不靈活還耗時——電信級的應用無法忍受。

從（1）（2）中可知只要有包含三個變量中的兩個的第三個方程，便可求解出t_offset和t_asym。可以設想在兩個網元的收發端各接一個2 x 2光開關，在從時鐘獲得t1，t2，t3和t4四個時間信息后，交換收發路徑并再次發送PTP報文，如圖2所示：

這樣，從時鐘可以獲得額外的t1和t2，并且

t2- t1=t_sm+t_offset；（5）

求解（1）（3）（5），可得：

t_asym=（t2-t1）/2-（t2-t1）/2 （6）

t_offset=（t2-t1）/2-（t4 -t3）/2 （7）

從（6）可知，計算非對稱性只需要t1， t2，t1和t2四個時間信息即可。可以這樣設計非對稱自動校準流程：在運行PTP協議之前通過發送Syn和Follow_up報文獲得t1和t2，然后交換收發通道，再發送Syn和Follow_up報文獲得t1和t2。

t_asym獲得后存儲在eeprom中，完成校準后主從時鐘執行標準PTP協議便可獲得高精度的時間同步。實驗測試結果顯示精度可以控制在30ns以內。采用這種補償方式要求每個PTP物理端口增加一個2x2光開關硬件并且要求對端也有同樣的配置和控制算法。