OTN傳輸時間同步問題探究

陽翠菊

一、同步需求

城域網搭建中，PTN設備通常位于匯聚層與接入層之中，而OTN則是出于核心層與匯聚層之中。目前，基于PTN設備部署移動基站的回傳網絡的方案較為普遍，而基于OTN部署方案則呈現向接入層逐步滲透，時間鐘逐漸向核心層滲透的趨勢。這在一定程度上有效節約時鐘源設備。OTN采用有效的途徑可實現對精確同步信息的快速傳遞，和PTN一同構建形成同步網絡，確保同步信息在端到端間的真正同步。

二、OTN網絡中的同步的相關理論

（一）同步概念

通信網絡中，同步概念是指時鐘同步，也可理解為將時鐘頻率存在誤差可能減低在標準要求內。例如，ITU-T 6.813對SDH網絡中時鐘性能予以定義。伴隨運營商通信業務的拓展，單純頻率同步勢單力薄，無法完全達到新業務的需求，在高精度同步層面的表現欠佳。一般而言，時間同步可被理解為是在TDD模式無線系統中，盡可能地降低時間誤差來達到移動業務的漫游和切換的功能。時間同步可理解解為以協調世界時（UTC）為基準，將通信網絡之中的各設備的時間信息的時間誤差限定于盡可能小的范圍之中。目前，G.8271已對同步應用進行分級，其中部分應用可實現納秒級時間誤差級。

（二）同步方案

頻率同步是確保時間同步實現的重要基礎。與SDH存在一些較為相似的地方。一般而言，同步以太網技術可以從物理層數據碼流中恢復出時鐘，最終實現時鐘傳遞的目的。在時鐘性能層面6.8262定義的同步可與6.813保持一致；在同步精度兼容性層面，可與SDH完全兼容。ESMC負責傳送時鐘質量等級。通過利用CDRR從物理層碼流恢復時鐘，通過這種犯法最終實現頻率同步。優勢在于簡單，且較少引入抖動。

以往的移動網授時方式，主要是采用較多的基站部署GPS來實現時間同步的目的，這是一種空中的網絡授時方式。而替代GPS的方案則是一種地面地面網絡授時。一般而言，如果采用NTP協議，則是在應用層，借助軟件方式加蓋時間戳，籍此實現毫秒級同步精度。但是，這依然無法打動電信級的應用需求。而PTP（精確時間協議）作為一項精準時間傳輸協議，即IEEE1588v2協議。該協議要求專門的硬件設備支持，可在距離最近的物理層上加蓋時間戳，并可有效地排除一些抖動和延時，籍此實現納秒級的同步精度。

（三）同步系統

OTN網絡承載1588 v2，標準仍在制定中。工業上有三種主要方式，即傳輸、ESC、OSCo傳輸。它是GE接口與1588 v2信息的直接透明封裝，由時鐘源或其他設備傳輸到ODUO，在OTN線路上復用，或通過GFP封裝傳輸。帶內開銷模式（ ESC ），時間源設備通過1ps tod接口訪問時鐘信號到OTN設備，利用odu或otu的預留開銷傳輸1588 v2時間信息；帶外OSC模式，OTN OSC信道用于傳輸網管、公務、控制平面、用戶信道等信息，稍加修改也可用于攜帶1588 v2時間信息。

根據測試結果反饋可知，透明傳輸方式精度交叉，原因在于多FIFO在路徑上引入時延存在不確定性。因此這種方式一般只適合10個細微數量級以上。目前，精度較高的主要有ESC和OSC，但在標準支持層面尚顯不足。目前，由于不同廠家采用的方式存在差別，無法實現有效的融通。一般而言，采用ESC和采用OSC，區別在于：ESC成本耗費較多，在實際運用中要求單個磁盤必須能夠支持PTP，主要適應于新網絡；而后者由于僅要求添加支持PTP處理的功能卡，且對網絡升級不會造成太大影響，故只需對網絡升級稍作部署。

三、 OTN網絡同步硬件實現

（一） 系統實現

OSC是光監控通道。光監控通道最突出特征是存在較少限制。一般而言，OSC不會對光放距離、泵浦波長以及波長等做出限制。OSC即便是在光放失效的情況下，依然可以正常工作。一般而言，OSC支持的方式主要有兩種，分別是SD和快速以太網。而在選擇1510nm波長，以快速以太網為方式來傳送OSCC時，僅需要進行部分改造，即可達到支持同步的效果，實現傳播同步頻率。在此基礎上，在其中增加PTP處理模塊則可以借助OSC通道進行1588報文傳送，進而達到時間同步的效果。該方案的優勢在于不必受網絡影響，且在實際運用中需要的成本消耗很少。OSC是一種帶外波長，在光放線路信號前，應利用光分路器來進行分路，分路出1510nm波長信號，而后將其帶入網元管理單元進行下一步處理，在光放線路側信號后，通過光合路器將1510nm的OSC插入，由此實現PTP和EEC/ SEC的跨段傳遞。

（二）設計方案

在OSC板上的太網物理層芯片VSC 8574可以為1588 V2 支持，并實現同步。起主要負責的內容是時間戳和物理層時鐘恢復。其主要是利用SFP光電收發模塊將時鐘頻率、網管和時鐘報文等向外傳送，并轉換成光以太網信號，而后將光濾波器插入波分線信號傳輸或分路下行進行同步處理。FP GA將網絡管理報文與時鐘報文（PTP包/ ESM cframp）分離，將所得報文由網元管理板處理，而與時鐘存在關聯的報文則是由時鐘板負責集中進行處理。

1. 物理層

網絡時鐘中，時鐘節點主要由時鐘恢復單元充當。一般而言，時鐘板的功能在于以輸入參考時鐘的優先級與質量作為根本依據來進行參考時鐘源的選擇。鎖相環濾波后，網元使用時鐘（ TO ）和外部輸出時鐘（ T4），TO可以通過承載OSC的同步以太網物理流。將時鐘狀態信息S SM發送到下一個網元，由PHY芯片接收側 CDR恢復時鐘，實現網元間逐級頻率同步。目前，商用系統同步器方案集成模擬和數字鎖相環、輸出頻率合成器，并支持各種服務時鐘頻率。

2. PTP

在對時鐘進行處理時，內容主要包括三項：第一，時間隊列復制；第二是時間戳處理；第三是，PTP協議處理。時間戳所處的位置與時間同步的精度間存在密切相關。從根本上來講，1588與NTP二者之間的區別在于前者需要借助一定的特殊設備支持來實現時間戳精準度的有效提升。這項方案選擇命中OSC板的PHY芯片上的時間戳更新單元（TSU），從而達到最大程度地接近物理層位置的目的。而時間戳則可以實現降低FIFO在芯片內部和接收方向上的不對稱至最低水平；OSC卡上的FPGA會對TP的信息進行一定能夠的過濾，繼而發送到時鐘板，通過時鐘板上的PTP引起進行后續的結束和處理。

時鐘板上的1588協議處理單元包括負責協議處理和時間恢復的PTP引擎、TOD編解碼器和1 P s/s收發器。PTP引擎是當地華僑處理1588消息和恢復時鐘的核心，在PTP消息終止，BMC算法執行選擇最佳主時鐘，1588進行協議處理，執行時間的恢復，和1588生成消息。PPS輸入接口可以當做PTP主時鐘來使用，可以從外部時間的層面來提供同步參考。TOP解碼器主要用以接收來自外部主時鐘發送的一些同步信息或者是通告等，進而擇選最為合適的主時鐘。從輸出方向的層面來看，主時鐘通常是由本地時鐘當單，TOD編碼器則是借助一定的發送器，例如RS 422來實現時間信息向外部設備的發送。