WDM網(wǎng)絡(luò)中PTP協(xié)議的一種非對(duì)稱時(shí)延算法

孫 捷, 曹 睿， 邵曉璇,

(成都信息工程大學(xué) 通信工程學(xué)院, 四川 成都 610225)

計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用

WDM網(wǎng)絡(luò)中PTP協(xié)議的一種非對(duì)稱時(shí)延算法

孫 捷, 曹 睿， 邵曉璇,

(成都信息工程大學(xué) 通信工程學(xué)院, 四川 成都 610225)

提出了WDM網(wǎng)絡(luò)中一種適用于1588v2非對(duì)稱鏈路時(shí)延的測(cè)試方法,該方法是在WDM網(wǎng)絡(luò)中采用2個(gè)不同波長(zhǎng)λ1、λ2和3步測(cè)試來實(shí)現(xiàn)的。首先用λ1波長(zhǎng)進(jìn)行1588v2協(xié)議的鏈路時(shí)延測(cè)試，然后用λ2進(jìn)行1588v2協(xié)議的鏈路時(shí)延測(cè)試，最后用一根非常短的光纖把主網(wǎng)元光模塊的TX和RX收發(fā)端口自環(huán)相連進(jìn)行1588v2協(xié)議測(cè)試。結(jié)合Sellmeier方程推導(dǎo)出了該算法獲得主從網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)的時(shí)間/相位偏差及收發(fā)兩個(gè)方向鏈路時(shí)延公式。

非對(duì)稱鏈路； 精準(zhǔn)時(shí)間協(xié)議； WDM； 塞爾梅耶爾方程

1 時(shí)間同步信息非對(duì)稱時(shí)延問題

時(shí)間同步信息ToD(time of day)對(duì)CDMA2000、TD-SCDMA、TDD-LTE等無線網(wǎng)絡(luò)是非常重要的[1]。例如在TDD-LTE網(wǎng)絡(luò)中,相鄰基站的時(shí)間/相位差要小于3s,所有基站和通用參考時(shí)鐘之間誤差應(yīng)小于1.25s。

通常,基站通過GPS接收器從GPS衛(wèi)星獲得準(zhǔn)確的時(shí)間/相位信息。但是從國(guó)家安全角度看,GPS不是一個(gè)可靠的系統(tǒng)；且每個(gè)基站都需要專門的GPS天線和接收器也過于昂貴[2]。此外,大城市的中央商務(wù)區(qū)(CBD)中很難為GPS天線找到合適的安裝地點(diǎn),因?yàn)镚PS需要天線和太空中多個(gè)GPS定位衛(wèi)星之間不能被阻隔[3]。另外,GPS時(shí)鐘模塊已成為除射頻模塊外的第二高故障率設(shè)備[4]。針對(duì)GPS定時(shí)的缺點(diǎn),一些運(yùn)營(yíng)商通過在PTN甚至OTN傳輸網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用1588v2 PTP協(xié)議(precision time protocol,精準(zhǔn)時(shí)間協(xié)議)來傳輸ToD信息,以使基站獲得準(zhǔn)確的時(shí)間/相位信息[5-6]。

但是1588v2 PTP協(xié)議的一個(gè)基本假定就是主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)之間鏈路時(shí)延是對(duì)稱的,即要求光纖在發(fā)送和接收方向是對(duì)稱的[7]。只有在對(duì)稱光纖的情況下,1588v2主節(jié)點(diǎn)到從節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)延才等于反方向從節(jié)點(diǎn)到主節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)延。但實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中收發(fā)鏈路時(shí)延基本都是非對(duì)稱的,因而必須對(duì)每個(gè)基站用GPS測(cè)量補(bǔ)償值來補(bǔ)償收發(fā)鏈路的非對(duì)稱性[8],不僅不方便,而且大大增加了網(wǎng)絡(luò)中部署1588v2的時(shí)間。缺少非對(duì)稱鏈路時(shí)延的自動(dòng)測(cè)量和補(bǔ)償方法已經(jīng)成為阻礙1588v2在現(xiàn)網(wǎng)中部署的關(guān)鍵因素[9]。

2 1588v2協(xié)議基本原理介紹

根據(jù)1588v2協(xié)議,相位/時(shí)間同步是通過在主從網(wǎng)元(NE)節(jié)點(diǎn)間交換1588v2的同步消息來實(shí)現(xiàn)的[7],在同步消息中帶有主從節(jié)點(diǎn)收發(fā)消息的時(shí)間信息。

1588v2協(xié)議基本原理如圖1所示。圖中t1—t4各時(shí)間參數(shù)的意義為:

t1:主節(jié)點(diǎn)發(fā)Sync(同步)消息時(shí)主節(jié)點(diǎn)時(shí)間；

t2:從節(jié)點(diǎn)收到Sync消息時(shí)從節(jié)點(diǎn)時(shí)間；

t3:從節(jié)點(diǎn)發(fā)Delay_req(延遲請(qǐng)求)消息時(shí)從節(jié)點(diǎn)時(shí)間；

t4:主節(jié)點(diǎn)收到Delay_req消息時(shí)主節(jié)點(diǎn)時(shí)間。

主節(jié)點(diǎn)在發(fā)送的sync消息中帶有t1時(shí)間戳,從節(jié)點(diǎn)在t2時(shí)間收到Sync消息,然后在t3時(shí)間發(fā)送Delay_req消息。主節(jié)點(diǎn)收到Delay_req消息后,在回送的Delay_resp(延遲響應(yīng))消息中帶有主節(jié)點(diǎn)收到Delay_req消息的時(shí)間t4。這樣從節(jié)點(diǎn)可以得到t1,t2,t3,t4這4個(gè)時(shí)間值[10]。

圖1 1588v2協(xié)議基本原理

假設(shè)主從NE節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差(時(shí)鐘偏差)是offset,主節(jié)點(diǎn)到從節(jié)點(diǎn)的鏈路傳輸時(shí)延是Dms,從節(jié)點(diǎn)到主節(jié)點(diǎn)的鏈路傳輸時(shí)延是Dsm,可以得

(1)

要做到主從節(jié)點(diǎn)相位同步,從節(jié)點(diǎn)就需要得到主從節(jié)點(diǎn)時(shí)間差offset。在式(1)中,t1,t2,t3,t4是已知的,而2個(gè)等式卻有3個(gè)未知量:offset,Dms和Dsm,因此,根據(jù)式(1)是無法得到offset的。

1588v2假設(shè)主節(jié)點(diǎn)到從節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)延Dms等于反方向從節(jié)點(diǎn)到主節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)延Dsm,即Dms=Dsm=delay,據(jù)此可以得到

(2)

3 WDM網(wǎng)絡(luò)中得到非對(duì)稱鏈路時(shí)延及主從節(jié)點(diǎn)時(shí)間差的方法

在實(shí)際光網(wǎng)絡(luò)中,收發(fā)方向鏈路長(zhǎng)度和時(shí)延經(jīng)常是不相等的,即Dms≠Dsm。根據(jù)ITU-T G.650,單位長(zhǎng)度光纖的群時(shí)延和波長(zhǎng)λ有關(guān),即不同波長(zhǎng)具有不同的群時(shí)延[11-12]。用2個(gè)不同波長(zhǎng)進(jìn)行1588v2協(xié)議測(cè)試,得到的鏈路傳輸時(shí)延值會(huì)有一個(gè)很小的差異。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn),提出了一種針對(duì)不對(duì)稱光纖鏈路的測(cè)試方法。該方法在WDM(wavelength division multiplex)網(wǎng)絡(luò)中分別采用兩個(gè)不同波長(zhǎng)來進(jìn)行1588v2協(xié)議的鏈路時(shí)延測(cè)試,并可以得到收發(fā)兩個(gè)方向的時(shí)延值Dms、Dsm及主從兩個(gè)網(wǎng)元的時(shí)間差offset,據(jù)此可在不對(duì)稱鏈路條件下更精確地實(shí)現(xiàn)1588v2協(xié)議。

本方法的測(cè)試配置如圖2所示。λ1和λ2是進(jìn)行1588v2協(xié)議測(cè)試用的兩個(gè)波長(zhǎng)。從實(shí)現(xiàn)角度,可簡(jiǎn)單地通過WDM網(wǎng)元上可調(diào)光模塊實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的變化。L1是主節(jié)點(diǎn)到從節(jié)點(diǎn)的光纖長(zhǎng)度,L2是從節(jié)點(diǎn)到主節(jié)點(diǎn)的光纖長(zhǎng)度,在非對(duì)稱鏈路中,L1≠L2。

圖2 1588v2非對(duì)稱鏈路測(cè)試配置

本方法包括3個(gè)測(cè)試步驟:

步驟1:用λ1波長(zhǎng)進(jìn)行1588v2協(xié)議的鏈路時(shí)延測(cè)試,可得到

(3)

其中offset是主從NE節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差,t1,t2,t3,t4是從節(jié)點(diǎn)根據(jù)1588v2協(xié)議消息在λ1波長(zhǎng)下得到的4個(gè)時(shí)間值,Dms和Dsm分別是步驟1中在λ1波長(zhǎng)下主節(jié)點(diǎn)到從節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)到主節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)延。傳輸時(shí)延又可分為3部分:光纖本身的光信號(hào)傳輸時(shí)延Dfiber、光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)處理,以及最后再變?yōu)楣庑盘?hào)的O/E/O時(shí)間DOEO及1588v2協(xié)議處理時(shí)間Dprotocol。O/E/O和1588V2協(xié)議處理是由FPGA實(shí)現(xiàn)的,因此DOEO和Dprotocol的值是固定的,和波長(zhǎng)及網(wǎng)元無關(guān),Dfiber和光纖長(zhǎng)度及波長(zhǎng)都相關(guān)。可得到Dms=DL1+DOEO+Dprotocol,Dsm=DL2+DOEO+Dprotocol。DL1是主節(jié)點(diǎn)到從節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)度L1的光纖在λ1下的傳輸時(shí)延,DL2是從節(jié)點(diǎn)到主節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)度L2的光纖在λ1下的傳輸時(shí)延。

步驟2:用λ2波長(zhǎng)進(jìn)行1588v2協(xié)議的鏈路時(shí)延測(cè)試類似步驟1,可得到

(4)

在式(3)和式(4)中,DOEO和Dprotocol是固定值,和波長(zhǎng)不相關(guān),定義

Dfix=DOEO+Dprotocol

通過下面的步驟3可以測(cè)量得到Dfix。

步驟3:用一根長(zhǎng)度非常短的光纖把主網(wǎng)元光模塊的TX和RX收發(fā)端口自環(huán)相連,進(jìn)行1588v2協(xié)議測(cè)試。由于光纖很短,可認(rèn)為光纖本身的光信號(hào)傳輸時(shí)延Dfiber=0。由于光纖兩側(cè)的TX和RX在同一個(gè)NE上,用同樣的時(shí)鐘,因此offset=0,可得

可得出:

Dfix=t2″-t1″=t4″-t3″

(5)

根據(jù)式(3)可以得到:

Dms+Dsm=(t2-t1)+(t4-t3)

(6)

根據(jù)ITU-T G.650,每單位長(zhǎng)度光纖的群時(shí)延和波長(zhǎng)的關(guān)系可以用Sellmeier方程的三項(xiàng)擬合表達(dá)式表示如下[8]:

其中τ是每單位長(zhǎng)度光纖在λ波長(zhǎng)下的群時(shí)延,λ0是光纖的零色散波長(zhǎng),τ0是每單位長(zhǎng)度光纖在零色散波長(zhǎng)λ0下的群時(shí)延,S0是光纖在零色散下的色散斜率。

這樣,長(zhǎng)度L的光纖在λ波長(zhǎng)下的群時(shí)延為

Delay_fiber(L)=τ(λ)×L

(7)

由式(7)可以得出在式(3)、式(4)中的一組值

(8)

(9)

(10)

式(9)和式(10)相除,可得到兩個(gè)方向光纖長(zhǎng)度L1和L2的比值:

(11)

對(duì)主NE到從NE方向,由

Dms=DL1+Dfix=τ(λ1)×L1+ Dfix

可得出:

τ(λ1)×L1=Dms-Dfix

(12)

同樣,對(duì)從NE到主NE方向,由

Dsm=DL2+Dfix=τ(λ1)×L2+ Dfix

可得出:

τ(λ1)×L2=Dsm-Dfix

(13)

綜合式(11)、式(12)和式(13),可以得到

(14)

由于希望得到的是offset、Dms和Dsm,因此定義:

未知待求量:x=Dms；y=Dsm

已知量:a=Dfix；

b=(t2-t1)+(t4-t3)

根據(jù)式(6)和式(14),可得到

(15)

由式(15)可以得到Dms、Dsm和offset 3個(gè)值:

(16)

式(16)中的offset、Dms和Dsm是希望得到的未知值,而a、b、c、t2及t1都是已知量。由式(16)即得到了非對(duì)稱收發(fā)鏈路下的主從兩個(gè)NE的時(shí)間差offset和兩個(gè)方向的鏈路時(shí)延Dms和Dsm。

4 測(cè)試結(jié)果及分析

測(cè)試平臺(tái)使用2根不同長(zhǎng)度的收發(fā)光纖連接主從網(wǎng)元,從而人為造成主從網(wǎng)元間非對(duì)稱收發(fā)鏈路,并人工設(shè)置主從網(wǎng)元不同的網(wǎng)元時(shí)間,從而使主從NE有一個(gè)時(shí)間差offset。作為比較的兩種方式:方式一是當(dāng)前使用的方式,即使用標(biāo)準(zhǔn)的1588v2測(cè)試方法。假定收發(fā)鏈路是對(duì)稱的,并用GPS測(cè)量補(bǔ)償值來補(bǔ)償收發(fā)鏈路的非對(duì)稱性；方式二是本文提出的得到非對(duì)稱鏈路時(shí)延及主從節(jié)點(diǎn)時(shí)間差的方法。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

從測(cè)試結(jié)果可以看出,本文提出的方法在有關(guān)主從網(wǎng)元的時(shí)間差offset方面,其準(zhǔn)確度達(dá)到了方式一的水平,但由于無需用GPS測(cè)量補(bǔ)償值,在1588v2部署時(shí)間和成本上都優(yōu)于方式一。此外,本文提出的方法還能分別得到2個(gè)方向的鏈路時(shí)延Dms和Dsm,而方式一只能得到一個(gè)平均時(shí)延Delay。在這點(diǎn)上,本文提出的方式二也優(yōu)于方式一。

表1 兩種方式測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語

1588v2協(xié)議假定主從網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)之間收發(fā)鏈路時(shí)延相等,但實(shí)際光網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)常是收發(fā)鏈路非對(duì)稱,長(zhǎng)度和時(shí)延有一定差異,這個(gè)差異會(huì)造成1588v2協(xié)議得到的結(jié)果不精確。本文提出的WDM網(wǎng)絡(luò)中適用1588v2非對(duì)稱鏈路時(shí)延的測(cè)試方法和計(jì)算算法,采用雙波長(zhǎng)和三步測(cè)量法,并利用Sellmeier方程推導(dǎo)出主從網(wǎng)元的時(shí)間/相位偏差及收發(fā)兩個(gè)方向鏈路時(shí)延的公式。該方法不必使用GPS測(cè)量非對(duì)稱鏈路時(shí)延差異,簡(jiǎn)化了非對(duì)稱鏈路時(shí)延的自動(dòng)測(cè)量,可在非對(duì)稱鏈路條件下更精確地實(shí)現(xiàn)1588v2協(xié)議并加快1588v2在現(xiàn)網(wǎng)中的部署。

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An asymmetry delay algorithm for PTP protocol in WDM network

Sun Jie, Cao Rui， Shao Xiaoxuan

(Institute of Telecom Engineering, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China)

An asymmetry link delay algorithm with two different wavelengths and three steps measurement for IEEE1588v2 protocol in WDM network was proposed. Combined with the equation of Sellmeier,the equation of time/phase difference between main and slave NE and the equations of TX and RX fiber link delay was deduced.

asymmetry link; PTP; WDM; Sellmeier equation

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.037

2016-06-04

四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013GZ0026)資助

孫捷(1965—),男,四川成都,碩士,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)楣馔ㄐ偶夹g(shù).

E-mail：jsun_00@163.com

TN929.1

: A

: 1002-4956(2016)12-0150-04