OTN網絡傳遞PTP時間同步技術*

朱 波

（中訊郵電咨詢設計院有限公司上海分公司，上海 200050）

0 引 言

中國聯通4G FDD－LTE技術只需要頻率同步，不需要時間同步。現在5G時代已經到來，對同步技術提出了更嚴格的要求，需要PTP高精度時間同步技術做支撐，需要積極探索研究OTN網絡傳遞PTP同步的可行性和實現方式。

1 5G時間同步需求

4G和5G對同步的要求見表1。

表1 4G和5G同步要求

5G時間同步以各基站安裝的GPS/北斗衛星天線為主用，但市區很多機房在地下室無法安裝GPS，或很難和物業協調安裝，因此有必要通過地面同步鏈路將PTP信息傳遞至各5G基站，而地面同步鏈路為輔并做備用。

當核心-匯聚IPRAN鏈路直接在光纖上承載時，PTP信息可以跟隨數據鏈路同時傳遞。但是，如果核心-匯聚IPRAN鏈路在OTN網絡上承載時，則PTP信息不能透傳，各OTN網元必須逐點處理PTP信息。對于已部署城域OTN的大城市和市-縣IPRAN，以在OTN上承載為主。因此，OTN網絡必須具備傳遞PTP時間同步能力。本文對PTP原理和華為OTN傳遞方式進行了研究和探索。

5G時間同步實現方案，如圖1所示。

圖1 5G時間同步實現方案

2 PTP協議原理和實現方式

2.1 PTP協議原理

高精度時間同步協議（Precision Time Protocol，PTP）典型的有IEEE1588v2和ITU-T G.8275.1，主要原理如圖2所示。

（1）主時鐘周期性地向從時鐘發送Sync報文，并記錄發送時間t1；從時鐘收到該報文后，記錄接收時間t2。

（2）主時鐘發送一個攜帶有t1的Follow_Up報文。

（3）從時鐘發送Delay_Req報文，并記錄發送時間t3；主時鐘收到該報文后，記錄接收時間t4。

（4）主時鐘回復一個攜帶有t4的Delay_Resp報文[1]。

圖2 PTP同步原理

假設傳輸雙向時延相同，從時鐘根據t1～t4這4個時間戳可計算出從時鐘相對于主時鐘的時鐘偏差OFSSET為(t2-t1+t3-t4)/2。從時鐘知道時鐘偏差后，調整時間和主時鐘一致，實現時間同步。

2.2 PTP數據包格式

PTP報文分為事件報文和通用報文2種類型，其中事件報文有Sync、Delay_Req等，通用報文有Follow_Up、Delay_Resp等。典型數據包格式如圖3所示[2]。

圖3 PTP數據包格式

其中Time Stamp時間戳10 Byte，前6 Byte表示秒，自1970-1-1 0:00:00以來的秒數；后4 Byte表示納秒，理論上PTP協議可以精確到納秒。

2.3 PTP實現方式

主要包括二層實現PTP over Ethernet和四層實現PTP over UDP over IP over Ethernet等封裝方式。

二層實現PTP over Ethernet如圖4所示，其中Ethernet Type以太網幀類型域值為0x88F7。

圖4 二層實現方式

四層實現PTP over UDP over IP over Ethernet如圖5所示，其中EthernetType以太網幀類型域值為0x0800，IPv4報文類型域為0x11，UDP目的端口號為319/320。

圖5 四層實現方式

中國聯通PTP域采用二層組播方式。

時間同步鏈路經過的IPRAN網元和OTN網元，都需要處理PTP信息，都認為是1個邊界時鐘BC。為保證PTP時間同步精度，BC網元數量不要超過20個，如超過應通過增設時間服務器或者改造環路的方式解決。

1588v2根據最佳主時鐘算法（Best Master Clock Algorithm，BMCA）可以自動選擇最佳時鐘。G.8275.1的BMCA算法有所不同，優化了主從跟蹤和時鐘源跟蹤算法，跟蹤最短路徑。1588V2和G.8275.1跟蹤時鐘源對比，如圖6所示。

圖6 1588V2和G.8275.1跟蹤時鐘源對比

2.4 1PPS+TOD

1PPS+TOD口也可以傳遞時間信息，但協議較簡單，不建議用于傳遞時間同步，而僅當做末端輸出供測試用。1PPS為1 Pulse Per Second秒脈沖，TOD Time of Day為日時間。TOD時間信息每秒發送1次，在1PPS上升沿1 ms后開始發送，500 ms內發送完。1PPS+TOD協議幀結構，如圖7所示。

圖7 1PPS+TOD協議幀結構

3 華為OTN傳遞PTP技術

3.1 華為OTN傳遞PTP原理

如圖8所示，PTP時間同步信息在OSC監控信道中傳遞，單纖雙向，能夠避免兩根光纖的長度差異而影響時間同步精度。每塊ST2板可以發送1 491 nm和1 511 nm兩個波長，每塊板支持2個光方向。

圖8 華為OTN光層傳遞PTP

如圖9所示，目前華為光層STG板沒有分組業務接口，只有1PPS＋ToD接口，不建議采用1PPS+ToD接口。因此，不能從光層輸入/輸出同步信息，只能從電層GE/10GE分組業務口輸入/輸出。電層9600或8800一部分支路板支持1588V2和G.8275.1。如OSN 9600的C130的1～7、9～15口支持1588V2，Y2C220 1～15口支持1588V2，Y3C220 1～ 15口 支持 1588V2和 G.8275.1；OSN 8800的55TTX支持1588V2，THA1～ 7、9～ 15口支持1588V2和G.8275.1等。

圖9 華為OTN光層＋電層傳遞PTP

同步口可專用，即在該分組業務口上僅傳遞PTP＋SyncE信號，不傳遞業務。或和業務混傳，即同時傳遞PTP＋SyncE信號與數據業務。

OTN網元的發包頻率建議：Sync報文、Delay_Req、Delay_Resp報文建議配置為16 Hz，Announce報文建議配置為8 Hz。

3.2 現網同步改造主要內容

根據前文原理，現網華為OTN設備大多不具備傳遞PTP時間同步能力，要做同步改造，主要有以下幾方面原因和內容。

3.2.1 硬件改造

（1）電層改造——配置STI板

如果現網8800電子架沒有配STI板，則每個電子架需要配置1塊。9600電子架沒有配EFI板，需要每個電子架配置1塊。

（2）光層改造1——更換為SFIU

若現網中配置的是FIU，不支持單芯雙向，則要更換為SFIU。更換過程中會中斷業務。

（3）光層改造2——統一ST2型號

華為ST2有11ST2、12ST2、13ST2等型號，其中12ST2帶OTDR功能，11ST2/13ST2和12ST2不能互通。若現網型號不統一，則需要統一型號。更換過程中會造成設備的臨時網管托管，但不影響業務。

（4）光層改造3——ST2集中放置

超大城市和特大城市OTN網絡往往呈網狀結構，每個節點有多個光方向。多個光方向的ST2板如不在同一個子架內，不能自動傳遞同步信息。如圖10所示，光方向1和方向2共用1塊ST2，光方向3和方向4共用1塊ST2，兩塊ST2不在一個子架內。

圖10 OTN網狀結構

改造方案一：需要新增1個同步信息分發子架，將多個光方向的ST2集中在同一個子架內以傳遞同步信息，如圖11所示。

方案二：新增1個同步信息分發子架和多個ST2板，兩級ST2傳遞同步信息，如圖12所示。

從傳遞方式、其他要求、安全性和投資等方面，對兩個方案進行比較，結果見表2。

圖11 方案一

圖12 方案二

表2 方案比較表

3.2.2 軟件升級

軟件要求V100R003C10版才能支持1588V2，要求V100R006C10版才能支持G.8275.1。現網OTN網元如低于所要求版本，則需要做軟件升級。

3.2.3 測試情況

華為OTN經過改造后，傳遞1588V2性能測試結果符合預期。時間同步信號誤差不高于150 ns，優于±1.1 μs的要求；穩態、時間路徑倒換、頻率路徑倒換均符合要求；輸出頻率平穩無頻偏，抓包結果中PTP包格式及內容滿足1588v2標準要求；ESMC信息滿足ITU-T G.8264要求。

4 結 語

現網華為OTN因為種種原因不具備傳遞PTP時間同步的能力，同步改造后可以傳遞，基本滿足5G對時間同步的要求。但是，目前電層－光層只能通過1PPS+ToD口傳遞，建議華為開發光層板卡支持分組業務接口或升級ST2板使之具備GE口，可以摒棄電子架，同步信息直接從光子架輸入/輸出，減少2個BC網元，同時完全避免1PPS＋TOD口，提高時間同步精度。