GPON系統(tǒng)1588時間同步技術(shù)的研究與應(yīng)用

摘要：GPON作為移動通信的基站回傳方案需要支持高精度的時間同步，本文首先簡單介紹了IEEE 1588v2協(xié)議基本機制，然后分析了在GPON系統(tǒng)中實現(xiàn)1588的幾大難點，并介紹了烽火GPON特殊系統(tǒng)框架下的時間同步實現(xiàn)方案架構(gòu)，給出了可靠的測試數(shù)據(jù)，最后針對GPON系統(tǒng)時間同步還存在的問題提出了針對性的建議。

關(guān)鍵詞：基站回傳;時間同步;IEEE 1588v2;GPON;內(nèi)部同步機制

近年來，隨著3G技術(shù)的普及和4G時代的來臨，無線業(yè)務(wù)出現(xiàn)了爆炸式的增長。如果仍采用租用E1/T1的回傳方式，網(wǎng)絡(luò)的OPEX將因為帶寬業(yè)務(wù)的增長而不斷上升，因此急需成本低廉而且業(yè)務(wù)安全和質(zhì)量有保證的基站回傳解決方案。利用GPON的多業(yè)務(wù)匯聚能力可以實現(xiàn)基站回傳，并且相對于PTN和IP RAN方案有著巨大的成本優(yōu)勢，有望成為未來小型基站回傳的主導(dǎo)模式。在現(xiàn)網(wǎng)的移動通信制式中，3G的CDMA2000、TD—SCDMA制式以及4G的 WiMAX/LTE制式，都使用了同步基站技術(shù)，基站工作的切換、漫游等都需要高精度的時間同步提供精確的時間控制?，F(xiàn)階段應(yīng)用最為成熟和廣泛的時問同步技術(shù)是GPS衛(wèi)星授時方式，但是存在成本高，選址施工困難，故障率高，政治不安全因素等問題，不是大規(guī)模使用的理想方案?；谟布r間戳技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議的IEEE1588v2時間同步可以達到ns級的時間同步精度，克服了GPS衛(wèi)星授時的各種弊端，已經(jīng)被運營商接受為未來的主流的時間同步技術(shù)。由此可見，PON必須支持IEEE1588v2時間同步才能應(yīng)用于回傳網(wǎng)絡(luò)中。

1 IEEE1588v2時間同步技術(shù)簡介

1.1 IEEE1588v2協(xié)議簡介

IEEE1588中文全稱是“網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標準”，它定義了一種精確時間協(xié)議PTP(Precision Time Protocol)，用于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中不同設(shè)備間的精確時間同步。協(xié)議共有兩個版本，v2版本針對通信網(wǎng)的特點進行了改進，更適合通信領(lǐng)域的應(yīng)用。IEEE1588v2時間同步需要軟件協(xié)議和硬件高精度時間戳技術(shù)結(jié)合實現(xiàn)。

1.2 時延測量機制

時延測量機制是1588時間同步的最為核心的部分，基本原理是采用主從時鐘方式，通過節(jié)點之間交換PTP協(xié)議報文測量對稱網(wǎng)絡(luò)之間的時延確定主從時鐘之間的時間偏差，由此糾正從時鐘的時間實現(xiàn)同步。因此需要軟件協(xié)議和硬件時間戳技術(shù)的結(jié)合才能完成。時延測量機制幾種報文交換和時戳獲取的一般過程如圖1所示。

圖中t1是Master時鐘發(fā)送Sync報文時，Master時鐘本地的時間;t2是Slave時鐘接收Sync報文時，Slave時鐘本地時間;t3是 Slave時鐘發(fā)送Delay_Req報文時，Slave時鐘本地時間;t4是Master時鐘接收Delay_Req報文時，Master時鐘本地的時間，并寫入Delay_Resp報文中發(fā)送給Slave時鐘。假設(shè)主從時鐘之間的鏈路時延是對稱的，即報文交互的上下行所用時間相同時，從時鐘根據(jù)已知的 4個時間值，可以計算出與主時鐘的時間偏移量和鏈路時延。設(shè)主從時鐘之間的鏈路時延為Delav，主從時鐘之間的時間偏差為Offset，可以得到

時延測量機制的前提是：主從時鐘之間的鏈路時延是對稱的，也就是tms=tsm=Delay。如果不對稱的時延是固定的，可以在實際測試中通過補償來修正，時延不固定將帶來直接誤差，1588自身機制無法檢測和消除這種誤差，并且能夠累積傳送到下游時間節(jié)點。

需要注意的是，t1時戳的獲取方式有one_step模式和two_step模式兩種，one_step模式由Svnc報文直接獲取，而two_step 模式是由一段時間后發(fā)送的Follow_Up報文發(fā)送獲取，如圖1中所示。這兩種模式只與芯片處理能力有關(guān)，不影響時延測量計算方式。

1.3 時鐘模型

IEEE1588v2將網(wǎng)絡(luò)中每個支持1588的節(jié)點設(shè)備定義為一個時鐘，根據(jù)不同的應(yīng)用場景協(xié)議定義了OC、BC、TC這3種時鐘模型：

1)普通時鐘OC(Ordinay Clock)。網(wǎng)絡(luò)始端或終端設(shè)備，該設(shè)備只有一個PTP端口，只工作在Slave或Master狀態(tài)。

2)邊界時鐘BC(Boundary Clock)。網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點設(shè)備，該設(shè)備有多個PTP端口。其中一個端口可作為Slave，設(shè)備系統(tǒng)時鐘和時間通過此端口同步于上一級設(shè)備，其他端口作為 Master，提供給下一級時間節(jié)點的Slave端口用作同步，實現(xiàn)逐級的時間傳遞。

3)透傳時鐘TC(Transparent Clock)。網(wǎng)絡(luò)中間透傳時間設(shè)備，該設(shè)備不終結(jié)PTP同步報文，也不用同步于上一級設(shè)備。只是對報文中修正域數(shù)據(jù)進行更新，并轉(zhuǎn)發(fā)到下一節(jié)點。按照鏈路時延計算方式，可分為E2E(END TO END)和P2P(PEER TO PEER)兩種。

E2E模式：在始端和末端交互報文，進行線路時延的計算。在中間節(jié)點只計算駐留時間并修正correction Field。

P2P模式：在始端到末端的每一段都進行線路時延和節(jié)點駐留時間的計算，將計算的值累加并修正correction Field，傳送給末端。

1.4 BMC算法

IEEE1588v2中定義了最優(yōu)時間源算法BMCA (Best Master Clock Algorithm)，能夠自動選擇時間同步網(wǎng)中的最優(yōu)時間服務(wù)器，自動選擇同步路徑，并能在時間源故障和鏈路故障時，自動實現(xiàn)時間源和同步路徑的切換。 BMC算法通過每個PTP端口接收到的Announce報文獲取每條同步路徑對應(yīng)的GM(祖父時鐘)的信息，根據(jù)數(shù)據(jù)集比較算法按照一定的順序依次比較不同GM之間的各項時鐘信息，選出最優(yōu)的時鐘，最后通過狀態(tài)決策算法決策最佳的GM對應(yīng)的PTP端口，完成選源操作。這3個流程會根據(jù)設(shè)定的周期重復(fù)進行。對于同一個域中的時鐘節(jié)點設(shè)備，不論網(wǎng)絡(luò)中部署了幾個不同的時間服務(wù)器，只要各節(jié)點時鐘都是統(tǒng)一于IEEE1588v2的BMC算法，協(xié)議就能根據(jù)GM不同的參數(shù)配置，實現(xiàn)有條不紊的時間源選擇和切換。

2 GPON系統(tǒng)時間同步技術(shù)研究

2.1 OLT與ONU之間的同步機制

在GPON系統(tǒng)中，OLT和ONU與一般的時間同步節(jié)點應(yīng)用場景一致，可以直接參考PTN設(shè)備的設(shè)計理念，OLT與ONU之間的同步則不能參考。OLT下行和ONU上行通過不同的波長在同一根光纖中實現(xiàn)波分復(fù)用(WDM)，但是OLT下行采用廣播方式，時延較小，ONU上行使用TDMA方式發(fā)送數(shù)據(jù)，依照OLT的授權(quán)時間片來發(fā)送，因而上行時延難以控制，對于鏈路對稱性有嚴格要求的1588時延測量機制來說，這是不可容忍的。

在GPON系統(tǒng)中，下行時延可以通過測距獲得，因此可以不使用IEEE 1588v2的延時測量機制計算時延。OLT從上級時間同步源同步了時間后，OLT與ONU之間可以通過其內(nèi)部機制進行時間同步，ONU通過由OLT下行某一幀中所帶精確時間信息，加上通過測距算得的時延來同步自身的時間，其基本原理如圖2所示，GPON基于125us幀傳輸，每個幀頭固定有一個 super frame指示位，以此來標記時間。

GPON系統(tǒng)中OLT與ONU之間的這種機制由ITU—T在G.984.3_AMD_2中進行了詳細定義，包含高精度時間信息的的ToD消息通過OMCI通道發(fā)送給ONU。具體步驟如下：

1)OLT選取未來的super frame計數(shù)為N的某下行幀發(fā)送時間作為同步時間參考點，并計算出陔下行幀幀頭到達零距離時延ONU的時間TstampN，如式3所示

TsendN表示預(yù)測的未來超幀計數(shù)為N的超幀發(fā)送時的內(nèi)部參考時間點，△OLT表示在OLT內(nèi)部的時延。n1310和n1490分別表示波長為1 310 nm和1 490 nm的上下行光對應(yīng)的折射率;

2)計算出該時間TstampN并存儲同步時間關(guān)系對(N，TstampN)，在此后的任意時刻，OLT都可選取某一下行幀將此關(guān)系對通過OMCI通道下發(fā)給任意某ONUi;

3)該ONUi根據(jù)自身的EqD以及處理時間等計算出序號為N的下行幀幀頭到達本地的準確時間TrecvN,i，如式(5)所示

△i表示在ONU內(nèi)部的時延;

4)當序號為N的下行幀到達ONUi時，ONUi將本地時間調(diào)整為TrecvN,i，從而完成與OLT的時間同步。

2.2 GPON系統(tǒng)的時鐘模型

GPON系統(tǒng)由于自身架構(gòu)的復(fù)雜，在時鐘模型的分析上相對于PTN設(shè)備也有所不同。若將GPON作為一個整體分析，OLT上接承載網(wǎng)時鐘節(jié)點，ONU下接基站，即有Slave端口也有Master端口，應(yīng)該視作一個BC;但是將GPON各個部分分開分析，OLT和ONU幾乎是兩個獨立的時鐘節(jié)點，并且 OLT處終結(jié)了1588，ONU處是作為起點發(fā)起1588，這就可以將OLT和ONU視為OC模型。因此，可以將GPON看作一個由兩個背靠背的OC組成的BC模型，如圖3所示。

2.3 GPON系統(tǒng)的時鐘同步

高精度的時間同步是以高精度的時鐘同步為基礎(chǔ)的，目前的1588時間同步方案中，為了實現(xiàn)穩(wěn)定的時間同步性能，都使用了1588+SyncE的混合同步方式。在GPON系統(tǒng)架構(gòu)下OLT可以從上游的物理線路中提取同步以太網(wǎng)時鐘，也可以通過純1588v2協(xié)議來實現(xiàn)頻率同步，這個頻率也是與上游同源的，并且都可以向下游傳遞;OLT到ONU之間也支持SvncE同步以太網(wǎng)時鐘同步;ONU再將從OLT獲得的時鐘繼續(xù)向下游基站傳輸，這樣就與核心網(wǎng)組成了不間斷的SyncE頻率同步網(wǎng)絡(luò)。

3 GPON系統(tǒng)時間同步系統(tǒng)設(shè)計

在整個GPON系統(tǒng)實現(xiàn)時間同步需要經(jīng)過3個部分的流程：OLT與上游設(shè)備的同步、OLT和ONU之間的同步、ONU與下游基站的同步。 OLT作為GPON的時間接入點，支持帶內(nèi)1588方式同步于上游承載網(wǎng)時間節(jié)點，同時還需要預(yù)留帶外1PPS+TOD接口同步于GPS時間作為備用;在 ONU側(cè)，ONU作為GPON的時間輸出點，支持帶內(nèi)1588方式與下游基站進行同步，同時還需要預(yù)留帶外1PPS+TOD接口直接輸出給支持帶外方式的基站使用;OLT與ONU之間則是通過ITU—T在G.984.3_AMD_2中定義的內(nèi)部機制由OMCI通道下發(fā)ToD給ONU進行同步。在頻率同步方面，GPON整個系統(tǒng)都支持SyncE頻率同步，并且OLT預(yù)留了BITS時鐘接口，ONU也能直接輸出2 M時鐘。系統(tǒng)框架如圖4所示。

4 實驗與結(jié)論

文中提出的這套方案已經(jīng)在烽火通信GPON設(shè)備中得到實現(xiàn)，并且進行了全面的系統(tǒng)測試，獲得了全面的測試數(shù)據(jù)。使用OLT的帶外接口同步GPS的1PPS+TOD，并由ONU的1PPS+ TOD接口直接輸出，這里主要驗證OLT與ONU之間的內(nèi)部機制，測試時間150000 s左右，TIE性能為-0.5～+1.5 ns，曲線如圖5所示，結(jié)果表明內(nèi)部機制完全符合指標。

配置OLT和ONU都使用帶內(nèi)1588方式同步，驗證整個系統(tǒng)時間同步性能，測試時間65 000s左右，儀表Slave端口的CTEDTE性能，滑動平均窗口10 s，性能為-42～22.5 ns，曲線如圖6所示，系統(tǒng)的時間同步性能穩(wěn)定，并且符合測試指標，此套設(shè)計方案可行。

5 結(jié)束語

本文提出的GPON系統(tǒng)時間同步方案在烽火的GPON設(shè)備中得到實現(xiàn)，用大量的實驗室測試進行了驗證，目前已經(jīng)在武漢電信、湛江移動、福州移動等LTE基站回傳現(xiàn)網(wǎng)試點進行了測試，測試性能良好，已具備商用條件。GPON有著優(yōu)異的多業(yè)務(wù)承載能力，時間同步技術(shù)發(fā)展也十分迅速，相信未來將成為小型基站回傳的主流方案;同時，GPON對1588時間同步的支持，彌補了1588在接入網(wǎng)側(cè)的空白，有助于全網(wǎng)組建1588時間同步網(wǎng)。