基于GPON和EPON的時(shí)間同步技術(shù)

1 引言

　　無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)對于回傳網(wǎng)絡(luò )(Wireless Backhaul，基站和無(wú)線(xiàn)交換設備之間的鏈路)的帶寬需求，隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展而快速增加。過(guò)去，由于無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音和低速無(wú)線(xiàn)數據是無(wú)線(xiàn)的主要業(yè)務(wù)，無(wú)線(xiàn)基站對帶寬需求較小，租用E1/T1線(xiàn)路就能夠滿(mǎn)足需求?，F在，隨著(zhù)3G時(shí)代的到來(lái)，無(wú)線(xiàn)數據以及視頻業(yè)務(wù)的快速發(fā)展促使無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )對覆蓋和帶寬的需求持續增長(cháng)。

　　然而由于帶寬的增長(cháng)速度遠高于收入的增長(cháng)速度，運營(yíng)商面臨著(zhù)增量不增收的矛盾。在運營(yíng)商的OPEX總成本中，回傳租用線(xiàn)約占45%。對于傳統語(yǔ)音業(yè)務(wù)而言，2G基站傳輸1～2個(gè)E1/T1已基本上可以滿(mǎn)足需求，此時(shí)帶寬與收入的矛盾還不突出;但是到了3G時(shí)代，基站通常需要4～5個(gè)E1接口，支持HSDPA的基站甚至可能需要8～16個(gè)E1/T1。因此，如果仍舊采用租用E1/T1的傳送方式，其網(wǎng)絡(luò )的OPEX將因為帶寬需求的增長(cháng)而不斷上升，這就迫使運營(yíng)商尋找價(jià)格低廉而且有業(yè)務(wù)安全和質(zhì)量保證的無(wú)線(xiàn)回傳的解決方案。

　　PON作為可以滿(mǎn)足上述運營(yíng)商需求的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)之一，越來(lái)越受到運營(yíng)商以及標準組織的重視。GPON/10G GPON的時(shí)間同步解決方案在ITU-T相關(guān)標準系列中已完成并公布，IEEE也正在制定EPON/10G EPON時(shí)間同步解決方案的相關(guān)標準并即將發(fā)布。

　　2 無(wú)線(xiàn)回傳網(wǎng)絡(luò )的時(shí)間同步需求

　　對于WCDMA，由于采用了異步基站技術(shù)，因而不需要無(wú)線(xiàn)回傳網(wǎng)提供時(shí)間同步。對于 cdma2000以及TD-SCDMA，由于采用了同步基站技術(shù)，所以需要無(wú)線(xiàn)回傳網(wǎng)提供時(shí)間同步。4G的LTE也傾向于采用同步基站技術(shù)。根據 3GPP2標準(cdma2000國際標準)的要求，時(shí)間同步的精度要優(yōu)于±3?s，因此基站與基準時(shí)鐘時(shí)間同步的精度要優(yōu)于±1.5?s。根據3GPP 標準(TD-SCDMA以及WCDMA的國際標準)對TD-SCDMA的要求，時(shí)間同步精度要優(yōu)于±3?s;同理，基站與基準時(shí)鐘時(shí)間同步的精度要優(yōu)于±1.5?s。因此，基站與基準時(shí)鐘相位同步的精度要求要優(yōu)于±1.5?s。

　　由上述分析可知，時(shí)間同步需求是cdma2000，TD-SCDMA，LTE等無(wú)線(xiàn)制式對回傳網(wǎng)絡(luò )的基本需求。如果PON不支持高精度的時(shí)間同步，則將無(wú)法作為這幾種無(wú)線(xiàn)制式的回傳網(wǎng)絡(luò )。

　　3 GPON/10G GPON時(shí)間同步標準

　　GPON/10G GPON的時(shí)間同步機制參見(jiàn)圖1。

　　圖1 GPON/10G GPON時(shí)間同步機制

　　圖1所示方法的具體步驟為：

　　(1)OLT首先與上一級設備完成時(shí)間同步。

　　(2)OLT計算出第X個(gè)Super Frame到達ONUi時(shí)對應的ToDx,i(TIme of Day，時(shí)間)。

　　(3)OLT通過(guò)OMCI消息告知ONUi，當第X個(gè) Super Frame到達ONUi時(shí)對應的ToDx,i。

　　(4)ONUi收到該OMCI消息后，對ToDx,i進(jìn)行相應的補償，得到精確的第X幀到達時(shí)間real_ToDx,i。

　　(5)ONUi在第X幀到達時(shí)，將其本地時(shí)間設置為 Real_ToDx,i即完成時(shí)間同步。

　　該方案的誤差主要由3部分引入：上/下行波長(cháng)不同，Serdes，測距。

　　GPON的下行中心波長(cháng)為1490nm，上行中心波長(cháng)為1310nm。對于典型的 SMF-28光纖，下行的折射率n1490 = 1.4682，上行的折射率n1310 = 1.4677，兩者之差為0.0005，因此得到矯正因子為 。如果使用0.5作為近似值進(jìn)行計算，則引入的誤差約為170ppm，在最大的物理距離20km的情況下，大約為17ns。因為20km的單向傳輸時(shí)延約為100?s，乘以這個(gè)170ppm，可以得到誤差約為17ns。這個(gè)值是可以通過(guò)計算補償的。

　　Serdes串并轉換的時(shí)延在ONU每次激活時(shí)都是不確定的，具體誤差取決于 Serdes位寬。對于目前比較常用的16bit位寬的Serdes，此處在相鄰兩次激活時(shí)引入的最大誤差可達±16bits。對于GPON來(lái)說(shuō)，下行速率為2.488Gbit/s，則該誤差換算成時(shí)間約為±6.4ns。這個(gè)誤差的補償理論上也是可以由MAC芯片完成，但是實(shí)現相對困難：這要求ONU的 MAC芯片在ONU每次上線(xiàn)激活以后，提取Serdes具體偏移，然后再對其補償。

　　GPON測距時(shí)，不同ONU的Response TIme不定，可引入±1?s的誤差，從而使測出的單向時(shí)延的誤差為±0.5?s，從極端惡劣情況下對時(shí)間同步精確度的影響來(lái)看，這個(gè)補償必須做，否則將導致較大的精確度劣化。不過(guò)這個(gè)補償也是很容易實(shí)現的，因為在芯片做好以后，這個(gè)值相對固定，只需要加/減相應的固定值即可。

　　GPON的EqD誤差：GPON的DoW告警觸發(fā)門(mén)限為±4bits，GPON的上行速率為1.244Gbit/s，換算為時(shí)間±3.2ns，則在單向時(shí)延上引入的最大誤差為±1.6ns。這個(gè)誤差在不改變現有GPON標準的前提下是無(wú)法補償的。

　　綜上所述，對于上下行波長(cháng)不同引入的誤差，在20km的極限情況下約為17ns，這個(gè)誤差可以通過(guò)簡(jiǎn)單計算補償;對于串并轉換引入的誤差，在使用16bit位寬的Serdes的情況下，約為±6.4ns，這個(gè)誤差也可以補償，但是實(shí)現比較復雜，不推薦做;對于測距引入的誤差，在實(shí)現了response time補償的情況下，為±1.6ns，這個(gè)誤差在不改變現有標準的情況下，無(wú)法補償：所以，在補償都實(shí)現的情況下，理論精度可以達到±1.6ns;在不做任何補償的情況下，精度在±25ns以?xún)取?0G GPON的誤差分析類(lèi)似。

　　該方案在2008年12月的ITU-T SG15 Q2會(huì )議上首次提出即得到了廣大運營(yíng)商和設備商的認可，認為該方案利用了GPON本身的測距的結果以及GPON本身的下行幀同步機制，實(shí)現也較為簡(jiǎn)單。后續Q2對此方案進(jìn)行了深入討論。2009年10月ITU-T SG15全會(huì )上，Q2與Q13就此問(wèn)題進(jìn)行了聯(lián)合討論，該方案獲得認可并正式寫(xiě)入到了G.984標準(GPON的國際標準)中。

　　對于10G GPON，由于測距以及下行幀同步等時(shí)間同步相關(guān)的機制跟GPON相同，因此10G GPON的時(shí)間同步方案沿用了G.984標準的方案，目前已經(jīng)寫(xiě)入G.987.3(10G GPON的TC層標準)以及G.988(10G GPON的OMCI標準)的草稿中，近期就會(huì )正式發(fā)布。

　　華為積極參與了GPON以及10G GPON標準的制定，提出了大量有價(jià)值的技術(shù)方案，上述的GPON/10G GPON的時(shí)間同步方案就是由華為最先提出的。華為的專(zhuān)家Frank Effenberger為ITU-T SG15 Q2(負責GPON/10G GPON標準的制定)的大會(huì )報告起草人(Rapporteur)，并兼任G.984.3(GPON國際標準的TC層部分)的標準合編者(co- editor)， Yuanqiu Luo為G.987.3(10G GPON國際標準的TC層部分)的co-editor，林薇為G.988(10G GPON國際標準的OMCI部分)的co-editor，為推動(dòng)GPON/10G GPON標準的進(jìn)展做出了重要的貢獻。